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中國“芯”陷入困境,破局之法在哪里?

傳感器技術 ? 來源:楊湘祁 ? 作者:電子發(fā)燒友 ? 2019-03-12 15:09 ? 次閱讀
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如今中國的半導體產(chǎn)業(yè)要想改變現(xiàn)狀,已經(jīng)很難完全靠初創(chuàng)企業(yè)與風險資本來追趕了,必須通過必要的產(chǎn)業(yè)政策來引導。借鑒中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的成功經(jīng)驗,降低芯片設計的創(chuàng)新門檻是關鍵,而開源則是降低門檻的一大利器。

2018年,中國企業(yè)遭遇芯片禁售令而陷入困境,中國半導體產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀再次引起各界廣泛關注。如何盡快找出一條破解之道,是大家都很關心的問題。

來自互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的啟發(fā)

2018年4月10日,美國國會聽證會上,臉書創(chuàng)始人馬克·扎克伯格與阿拉斯加共和黨參議員蘇利文有這樣一段對話:

蘇:你不可能在中國成功,是吧?或者,你無法在那里取得過去10年所取得的成就。

扎:參議員,中國有很多強大的互聯(lián)網(wǎng)公司。

蘇:好吧,但剛才那個問題你應該回答“是”。

顯然,在扎克伯格看來,中國的互聯(lián)網(wǎng)公司在國際上是具有競爭力的。中國占據(jù)世界十大互聯(lián)網(wǎng)公司的四席,部分業(yè)務,如移動支付也處于世界領先地位。2016年中國的移動支付金額達到了5.5萬億美元,是美國的50倍。

中國互聯(lián)網(wǎng)公司的成功離不開背后強大的技術支持,而開源軟件就是背后強大的技術支撐之一,助力了中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的成功。這些開源軟件被企業(yè)普遍使用來構建其業(yè)務系統(tǒng)。

開源軟件,是一種源代碼可以自由獲取并在遵循開源協(xié)議的規(guī)定下,開發(fā)者可進行自行修改的計算機軟件。

對于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)而言,開源軟件為它們節(jié)省大量的時間與成本。據(jù)統(tǒng)計,常用的開源軟件已經(jīng)構成了一個價值超過150億美元的開源軟件生態(tài),成為互聯(lián)網(wǎng)公司(尤其是初創(chuàng)公司)構建其業(yè)務的標配,讓其可以更專注于業(yè)務創(chuàng)新。

有了開源軟件,當人們想創(chuàng)辦新公司時,不再需要從零開始造“輪子”,而是可以在龐大的開源軟件庫中尋找到合適的模塊并根據(jù)需要進行合適的修改,有時三五位開發(fā)人員在幾個月時間里就可以快速搭建出一個業(yè)務原型。因此,開源軟件很重要的意義在于大大降低了互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的門檻。

另一方面,開源軟件也可以讓中國的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè),在軟件技術方面不再面臨“卡脖子”問題,從而能與硅谷幾乎在同一起跑線上競爭,甚至在移動支付等領域更具競爭力。

仔細觀察,開源軟件解決了中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的兩大難題,一是降低了創(chuàng)新的門檻,二是擺脫了技術上的受制于人。而這兩個難題正是當前中國半導體產(chǎn)業(yè)所面臨的困境。我們是否可以從中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)擁抱開源的經(jīng)驗中獲得啟發(fā)呢?

我們認為,除了國家加大對卡脖子技術的重點扶持以正面應對之外,呼吁各界在芯片領域也積極擁抱開源、參與開源芯片行動,就像曾經(jīng)的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)擁抱開源一樣,不失為一條新的道路。

芯片資金高門檻讓人追趕無望

然而,與軟件領域不同,目前芯片領域的創(chuàng)新門檻之高、投入之大是業(yè)內(nèi)公認的。

設計與制造一款芯片涉及到多個環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)都需要相當?shù)馁Y金與人力投入。以28nm工藝研制一款系統(tǒng)芯片為例,比較完整的電子設計自動化工具使用版權費超過500萬元,購買內(nèi)存控制器等外圍IP模塊(指某一方提供的可重用的邏輯單元、集成線路布局設計、器件;IP核通常已經(jīng)通過了設計驗證,設計人員以IP核為基礎進行設計,可以縮短設計所需的周期)費用往往達到500~1000萬元,流片費用根據(jù)芯片面積大小而定,但一般也會達到1000萬元,封裝相對便宜,大約需要50萬左右。簡單估算,研制這款芯片所需要的資金投入便已經(jīng)超過2000萬元。

另一方面,芯片的研發(fā)往往需要數(shù)十位工程師,花上一年的時間來設計與驗證,僅工資開銷就需要上千萬元。此外,芯片設計與驗證時哪怕出現(xiàn)一個很小的錯誤,都有可能導致芯片最終無法工作。不光前期的投入打水漂,開發(fā)人員還不得不再花上千萬元重新流片。

芯片領域的高門檻客觀上嚴重阻礙了創(chuàng)新。在互聯(lián)網(wǎng)領域,得益于開源軟件,擁有創(chuàng)新想法的互聯(lián)網(wǎng)初創(chuàng)公司,往往只需幾十萬元,便可以在幾個月時間里推出原型產(chǎn)品進行迭代優(yōu)化。相比而言,芯片領域的初創(chuàng)公司卻需要數(shù)千萬的資金,而且迭代優(yōu)化還要很長的時間周期,所以很難想象風險投資人愿意把錢砸給這類初創(chuàng)公司。

事實上,半導體、大規(guī)模集成電路發(fā)展的黃金期是上世紀六七十年代,當時芯片規(guī)模都很小、成本較低,卻又具有很高的收益,吸引了美國、日本、中國***等大量優(yōu)秀的人才投入到半導體領域創(chuàng)辦公司,也吸引了大量資本投入到這個領域,但中國大陸錯過了那個黃金時代。

經(jīng)過半個世紀的發(fā)展,少數(shù)發(fā)達國家和地區(qū)通過市場機制自然地形成了技術積累與產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,同時構建了極高的創(chuàng)新門檻,不僅讓后來者追趕無望,也讓芯片成為他們“卡別人脖子”的利器。

如今中國的半導體產(chǎn)業(yè)要想改變現(xiàn)狀,已經(jīng)很難完全靠初創(chuàng)企業(yè)與風險資本來追趕了,必須通過必要的產(chǎn)業(yè)政策來引導。我認為,借鑒中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的成功經(jīng)驗,降低芯片設計的創(chuàng)新門檻是關鍵,而開源則是降低門檻的一大利器。

伯克利團隊的禮物

近期受到普遍關注的開放指令集RISC-V,從生態(tài)構建角度為開源芯片設計作出了積極的工作。RISC-V是由美國加州大學伯克利分校的Krste Asanovic教授與圖靈獎得主David Patterson教授帶領團隊設計的一套開放指令集。

Krste Asanovic教授與David Patterson教授

伯克利團隊推出RISC-V,正是受到了開源軟件的啟發(fā),但開源軟件生態(tài)和處理器芯片生態(tài)的情況卻大不相同。

開源軟件中的不同領域,都有一套開放的標準(Standard),在這套開放的標準之下,既有開放自由的實現(xiàn),也有企業(yè)私有的實現(xiàn)。雖然總體上私有實現(xiàn)的效果更優(yōu),但開放自由的社區(qū)也非?;钴S。

然而,處理器芯片領域,從指令集(處理器為軟件開發(fā)提供的編程接口)到處理器實現(xiàn)全是IntelARM這樣的私有企業(yè)掌控,甚至連開放的指令集標準都沒有,更不用說開源的處理器芯片設計。如果有一款開放自由的指令集,大家都可以用它來做任何事情,會怎么樣呢?借鑒軟件領域的發(fā)展狀況,伯克利研究團隊認為,指令集體系結構作為軟硬件接口的一種標準,不應該像x86和ARM等指令集那樣需要授權才能使用,而應該開放(Open)出來讓大家自由(Free)使用,這樣才能塑造芯片領域的繁榮生態(tài)。

于是,他們啟動了一個項目,從零開始設計一款新的指令集,將其命名為RISC-V(讀作RISC-Five),并將其徹底開放。

伯克利團隊希望全世界任何公司、大學、研究機構與個人都可以開發(fā)兼容RISC-V指令集的處理器,都可以融入到基于RISC-V構建的軟硬件生態(tài)系統(tǒng),而不需要為指令集付一分錢。

值得一提的是,RISC-V扮演的角色是指令集標準,就如同TCP/IP定義了網(wǎng)絡包的標準、POSIX定義了操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用標準?;跇藴士梢杂虚_源的實現(xiàn),也可以有商業(yè)版的實現(xiàn)。

第一版RISC-V指令集于2011年發(fā)布,經(jīng)過多年的發(fā)展,如今RISC-V社區(qū)已經(jīng)度過了艱難的起步階段,正進入快速發(fā)展期,前景樂觀。全世界很多企業(yè)選擇從ARM轉向RISC-V,全球第一大硬盤公司西部數(shù)據(jù)已經(jīng)宣布,未來產(chǎn)品將全面使用RISC-V處理器核心,每年將達到10億顆!

美國的DARPA(美國國防高級研究計劃局)也認為,降低芯片設計門檻將會為未來芯片創(chuàng)新創(chuàng)造巨大的機會。因此,在2017年啟動“電子復興計劃”(Electronic Resurgence Initiative),DARPA將開源芯片設計作為核心目標之一,每年投入超過2億美元的經(jīng)費,研究如何降低芯片設計門檻,先后資助了5個開源硬件項目(PERFECT、CRAFT、SSITH、POSH、IDEA),部分項目明確指明需要基于RISC-V指令集。DARPA認為開源芯片設計將會為2025~2030年的美國,賦予在半導體電子領域更強大的創(chuàng)新能力。除此之外,其他一些國家政府部門的芯片研究項目也開始選擇RISC-V,比如以色列國家創(chuàng)新局(Israel Innovation Authority)選擇基于RISC-V研制為全國企業(yè)服務的處理平臺。

印度政府更是將RISC-V視為一次發(fā)展處理器的機會。他們?yōu)樘幚砥鲬?zhàn)略項目(SHAKTI)資助9000萬美元,目標是研制6款基于RISC-V指令集的開源處理器核,涵蓋了32位的單核微控制器、64核64位高性能處理器和安全處理器等多個應用領域。2016年1月,印度電子信息技術部又資助了4500萬美元,研制一款基于RISC-V指令集的2GHz四核處理器。在印度政府支持的另一個關于神經(jīng)形態(tài)加速器(neuromorphic accelerator)項目中,也將RISC-V作為計算主核心。過去幾年,印度政府資助的處理器相關項目都開始向RISC-V靠攏。

縱觀國際形勢,我們可以發(fā)現(xiàn),當前一些低端芯片已經(jīng)有比較豐富的開源芯片設計資源。例如,假設使用180nm工藝研制一款芯片,那么電子設計自動化工具鏈可以使用開源的工具包,IP模塊可以使用開源模塊,180nm的器件庫也有多種開源的選擇。再加上流片的成本也很便宜,所以綜合起來,研制一款180nm的芯片有可能做到只需要幾千美元便可以實現(xiàn),門檻已經(jīng)很低了。

然而,對于中高端的芯片,還缺乏類似全套的開源芯片設計工具鏈與器件資源。讓我們暢想一下,如果全世界也擁有了價值上百億美元的開源芯片設計所需的電子設計自動化工具鏈、IP模塊、工藝庫等,中高端芯片研制成本降低兩個數(shù)量級,從數(shù)千萬元降至十萬元級別,那么芯片領域的創(chuàng)新將會像今天的互聯(lián)網(wǎng)那樣層出不窮,中國半導體產(chǎn)業(yè)卡脖子的問題也將會迎刃而解。

發(fā)展生態(tài)中國成立RISC-V聯(lián)盟

和開源軟件對于中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的作用類似,開源芯片生態(tài)若能形成氣候,則會大幅降低芯片創(chuàng)新門檻,將會對中國乃至全世界半導體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠的、積極的影響。

構建開源芯片生態(tài)是偉大的理想。但是,只有RISC-V又是遠遠不夠,還需要開源的電子設計自動化工具鏈、IP模塊、工藝庫等協(xié)同合作,才能實現(xiàn)真正的開源芯片生態(tài)。

RISC-V雖只是星星之火,但已展露出燎原的潛力。從當前發(fā)展勢頭來看,RISC-V很有可能成為主宰世界的開放指令集標準。

中國開放指令生態(tài)(RISC-V)聯(lián)盟成立

中國的學術界與企業(yè)界也已開始積極行動。歷經(jīng)九個月的研討與籌備,在網(wǎng)信辦、工信部、中科院等多個國家部委支持和指導下,計算所聯(lián)合國內(nèi)約20家單位組成的中國開放指令生態(tài)(RISC-V)聯(lián)盟(以下簡稱聯(lián)盟)于2018年11月8日,在浙江烏鎮(zhèn)舉行的第五屆互聯(lián)網(wǎng)大會上正式宣布成立。聯(lián)盟由倪光南院士任理事長(筆者任秘書長),旨在以RISC-V指令集為抓手,聯(lián)合學術及產(chǎn)業(yè)界推動開源開放指令芯片及生態(tài)的健康發(fā)展。

為此,聯(lián)盟制定了一個“三步走”計劃,希望用10年左右的時間,到2030年逐步完成開源芯片生態(tài)的建立:第一步,為開源社區(qū)提供經(jīng)過流片驗證的高質(zhì)量開源RISC-V核、IP核及SoC(System-on-Chip,片上系統(tǒng))芯片設計方案;第二步,逐步構建一套基于開源工具鏈、開源IP、開源工藝庫的SoC芯片設計流程,為企業(yè)提供商業(yè)版工具與IP之外的開源方案;第三步,迭代優(yōu)化形成自動化的開源工具,提高設計驗證效率,為大批科研機構、中小企業(yè)提供定制芯片服務,降低芯片開發(fā)門檻。

敏捷開發(fā)開啟開源芯片生態(tài)大門

在美好的愿景之下,我們也要清醒地認識到開源軟件在協(xié)作開發(fā)、質(zhì)量控制、商業(yè)模式、生態(tài)構建等方面都經(jīng)歷了很多次失敗的嘗試與探索,才沉淀出成熟的開源軟件組合。

開源芯片生態(tài)仍處于襁褓階段,未來的發(fā)展也必然會面臨很多挑戰(zhàn)。開源芯片最大的挑戰(zhàn)之一在于芯片開發(fā)門檻高,如果能數(shù)量級降低開發(fā)門檻(成本與周期),那就可能吸引廣大的芯片開發(fā)者。芯片敏捷開發(fā),將會是降低芯片開發(fā)門檻的關鍵,將成為開啟開源芯片生態(tài)的鑰匙。

軟件開發(fā)早已采用敏捷開發(fā)模式,通過不斷迭代、循序漸進的開發(fā)方法快速發(fā)布軟件產(chǎn)品,將以往數(shù)年的開發(fā)周期大幅縮減為幾個月甚至幾周。然而,如今芯片的開發(fā)周期仍然需要數(shù)年,往往設計和驗證工作需要花費1~2年,投片需要花費約大半年。如果流片失敗,投入的時間和精力將會付之東流,風險非常大。這也導致今天基于這種模式開發(fā)的IP模塊價格非常高昂,進一步又推高了芯片設計成本。

開發(fā)成本與周期正是芯片設計門檻高的主要原因。因此,芯片敏捷開發(fā)是有可能撬動上述困境的支點——如果通過敏捷開發(fā)模式將芯片設計成本降低到幾十萬甚至幾萬、開發(fā)周期降低到幾個月,那么用這種方式開發(fā)的IP模塊成本也將大幅下降,開發(fā)人員將更愿意開源與共享IP模塊。

當芯片開發(fā)周期也能從數(shù)年縮減為幾個月,那將形成一種軟硬件協(xié)同的敏捷開發(fā)模式,這將顛覆現(xiàn)在的IT產(chǎn)品開發(fā)模式。如今,互聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)團隊一般有負責手機APP的前端工程師,與負責服務器端的后端工程師配合起來一起開發(fā)。而在未來的軟硬件協(xié)同敏捷開發(fā)模式下,開發(fā)團隊將包括軟件端工程師與硬件端工程師——軟件端通過幾個月開發(fā)出新的軟件功能,硬件端則用幾個月很快實現(xiàn)出相應的加速芯片。這正是兩位圖靈獎得主John Hennessy與David Patterson在圖靈獎演講中所推崇的領域專用體系結構DSA(Domain-Specific Architecture)的體現(xiàn)。

事實上,在推廣RISC-V的同時,伯克利研究團隊也開放了RISC-V的系統(tǒng)芯片實現(xiàn)Rocket Chip以及面向敏捷開發(fā)的硬件設計語言Chisel,期望通過“RISC-V+Rocket+Chisel”這三駕馬車推動芯片設計領域邁進敏捷開發(fā)時代,降低芯片設計門檻。

我們團隊也在基于新的硬件開發(fā)語言Chisel上開展了一系列芯片敏捷開發(fā)實踐,并取得了令人欣喜的效率。一個本科生的Chisel新手,可以在更短的時間內(nèi)編寫更少的代碼,代碼質(zhì)量就能達到和工程師相當?shù)乃剑踔吝€可以超越工程師。即使代碼質(zhì)量與傳統(tǒng)開發(fā)有20%的差距,敏捷開發(fā)仍然展現(xiàn)了其節(jié)省人力和時間的價值——能快速構建一個可以工作的原型,對項目開展來說是非常有意義的。從這點來看,敏捷開發(fā)確實大大降低了硬件開發(fā)的門檻。

作為全世界最大的芯片用戶,中國一直希望能把國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)做大做強,各方也都在努力。借鑒開源軟件對于中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的作用,也許開源芯片設計是一條值得嘗試的道路。

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原文標題:中國芯片的困境,破解之道在何處?

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    企業(yè)數(shù)據(jù)恢復困境如何

    美國的教育和娛樂行業(yè)受到一種名為Fog的勒索軟件變種攻擊。專業(yè)人士觀察到,威脅行為者對虛擬機存儲中的VMDK文件進行了加密,并從備份供應商的對象存儲中刪除了備份。
    的頭像 發(fā)表于 10-14 14:34 ?707次閱讀

    貼片電容與貼片電阻的本質(zhì)差異在哪里?

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    的頭像 發(fā)表于 08-27 15:51 ?787次閱讀
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    國產(chǎn)芯片原廠的出路:從風潮到現(xiàn)實的之路

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    的頭像 發(fā)表于 08-12 17:54 ?1330次閱讀

    萬年:中美較量從奧運到科技,積極SiC器件

    人后、勇于的信念。圖片源于潘展樂微博賽場外,中美兩國在科技領域的較量同樣激烈。當今世界,科技是國力角逐的根本。面對高科技“卡脖子”,萬年中國半導體從業(yè)者沒有
    的頭像 發(fā)表于 08-06 09:22 ?527次閱讀
    萬年<b class='flag-5'>芯</b>:中美較量從奧運到科技,積極<b class='flag-5'>破</b><b class='flag-5'>局</b>SiC器件