中国之痛：为何中国人设计不出好芯片？

　　作者：克雷格、肖琴

　　美国制裁中兴，背后折射的是中国集成电路行业的问题：中国有着全球最大的半导体市场，但集成电路设计企业的主流产品仍然集中在中低端。基础能力上的欠缺，强烈依赖第三方的先进IP核、先进工艺和外包设计服务，最终行业将受制于人。

　　但半导体不是。

　　不久前，美国官方发起了对中兴长达7年的封杀，禁止美国企业向中兴出售一切电子技术或通讯元件。

　　紧接着，路透社曝出华为解雇在美国的5名员工，其中有员工为华为在美国站稳脚跟而奔走了8年之久。

　　“有些事情放下了反而轻松。”这是华为轮值董事长徐直军在昨天的全球分析师大会上说的一句话。华为一直积极拓展美国市场，但似乎与美利坚越行越远。

　　现在，中国全球唯二的两家通讯巨头，在中美贸易战的背景下都面临前所未有的压力，而中兴更是因为元器件依赖美国，遇到了有史以来最大的危机，有可能遭受灭顶之灾。

　　猛回头。改革开放正好40周年，我们在关键技术上依然会被“掐脖子”。中国有着全球最大的半导体市场，但集成电路设计企业的主流产品仍然集中在中低端。

　　警世钟。有些曾经辉煌一时的企业，由于基础能力上的欠缺，强烈依赖第三方的先进IP核、先进工艺和外包设计服务，最终业绩下滑，丧失核心竞争力，成为行业的教训。

　　到底哪里出了问题？

　　中国芯之痛：中国核心集成电路国产芯片占有率多项为0，贸易逆差高达1657亿美元

　　昨天，微博知名财经博主@曹山石po出一张图，显示当前中国核心集成电路国产芯片占有率状况。

　　除了移动通信终端和核心网络设备有部分集成电路产品占有率超过10%外，包括计算机系统中的MPU、通用电子系统中的FPGA/EPLD和DSP、通信装备中的Embedded MPU和 DSP、存储设备中的DRAM和Nand Flash、显示及视频系统中的Display Driver，国产芯片占有率都是0。

　　这张图最初源自清华大学微电子学研究所魏少军所长的文章，发表在2017年的《集成电路应用》第34卷第4期上。

　　魏少军的这篇文章显示，中国集成电路产业持续高歌猛进，芯片设计、制造、封装测试都取得了超过10%的销售增长率。

　　但行业火爆的背后，产业结构与需求之间失配：

　　芯片制造业主要为海外客户加工；

　　芯片设计主要使用海外资源；

　　芯片封测主要为海外客户服务；

　　最关键也是最致命的是，核心集成电路的国产芯片占有率低，也就是@曹山石的那张图，即便是有国产芯片，要么是为海外代工，要么无人问津。

　　另外一点，集成电路进出口存在较大贸易逆差。2016年，中国集成电路进口额达到2270.7亿美元，连续四年超过了2 000亿美元，是价值最高的进口商品。同期出口集成电路613.8亿美元，下降11.1％，贸易逆差高达1657亿美元。预计未来几年，集成电路进口额仍将维持高位。

　　关键元器件几乎没有国产、依赖大规模进口，在这样的大背景下，作为全球第四大网络设备制造商，一旦美国下禁令，中兴通讯就会面临灭顶之灾。

　　中国人设计不出性能强大的芯片？学者：国人选择性忽视国产芯

　　目前，国内的集成电路产业设计、制造、封装三业并举，制造可以去代工，封装测试与美国的差距也不是很大。

　　差距最大的地方在于设计，现在国内芯片设计主要还是依赖国外。一位北京某高校研究所专家告诉新智元，其实不是中国设计不了芯片，是因为当下没有芯片迭代的条件。

　　“英特尔、ARM这种大公司，它们设计的第一代芯片都很难用，但是可以去迭代，最后才会出现好用的芯片。”

　　反观之下，我们的国产芯片生存比较困难，主要是业界不会给迭代的机会。这是因为，一方面，市场已经存在性能优越的芯片，甚至成本也低。另一方面，人们没有耐心去等国产的芯片去迭代，这直接限制了中国的芯片设计能力的提升。

　　“本来有很多人其实可以设计出很好的芯片来，但是由于市场的生态不给你国产芯片迭代的机会，选择性忽视国产，所以国内公司也就不能、也不给工程师去’牺牲’的机会，这就是我们的问题所在。”

　　另一方面，研发投入不足也是产不出高端通用芯片的原因。除了国家科技重大专项外，国家其他科技计划基本上没有集成电路相关的项目和经费投入。2008年启动的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”及“极大规模集成电路装备及成套工艺”两个国家科技重大专项平均每年在集成电路领域的研发投入不过40-50亿元，不及英特尔一家研发费用的 5.2％～7.7％。

　　魏少军也指出：

　　目前，我国集成电路设计企业的主流产品仍集中在中低端，尚未全面进入国际主战场。除了在通信领域有了比较重要的突破外，在CPU、存储器、可编程逻辑阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）等大宗战略产品领域的建树不多。

　　虽然在“核高基”等国家科技计划大力支持下，上海兆芯研发的桌面CPU和“龙芯”系列CPU在特定领域实现批量应用，但受制于知识产权、加工能力和基础设计能力的不足，我国企业还未能在上述领域进入规模化量产，更谈不上全面参与市场竞争。

　　虽然我们在超级计算机用高性能多核CPU、动态随机存储器、嵌入式CPU等领域取得了重要进步，但在整个集成电路领域总体上与国际先进水平相比还有不小的差距。

　　如果在高端通用芯片领域不能取得决定性的突破，我国集成电路设计产业的发展空间将会受到极大的限制。

　　未来86%的企业将采用AI，国产AI芯片需要0到1的机会

　　在华为的分析师大会上，华为首次发布全球产业展望GIV 2025（Global Industry Vision 2025）预测：到2025年，全球联接总数达到1000亿，视频流量占比达89%，86%的企业将采用AI，并创造23万亿美金数字经济。

　　Networks + AI、Phones+AI、HuaweiCloud是华为构建智能世界提出的三大解决方案。未来，人、家庭和组织都将实现智能互联，而要真正去实现人工智能的应用落地问题，就必须从软件到硬件，软硬一体。

　　谷歌7年前决定研发TPU，到今天看到了效果：不仅在AlphaGO大放异彩，更重要的是还把它做成一项AI服务，商业潜力巨大。这一现象的背后，折射出一个新的趋势：深刻理解人工智能的软件将促进处理器架构的研发效率，针对应用性场景的AI芯片可能是中国的机会。

　　华为去年推出麒麟970芯片，带来更强的视觉、听觉、触觉体验；并通过NPU算力为基础的开放的HiAI生态，将AI带来的益处扩大到整个终端产业，这让芯片行业生态变得更丰富。

　　应用场景决定算法，算法定义芯片，软硬件协同设计。中国的地平线也在三年前看到了AI芯片的机会。

　　去年12月，地平线推出的中国首款嵌入式人工智能视觉芯片——面向自动驾驶的征程处理器和面向智能摄像头的旭日处理器，并在智能驾驶、智能城市、智能商业三个领域落地。

　　地平线AI芯片规格与核心架构

　　在技术层面，地平线的BPU值得一提。

　　BPU属于异构多指令多数据（Heterogeneous Multiple Instruction Multiple Data）计算架构。核心的运算器件之一是弹性张量核（Elastic Tensor Core），可以根据所需处理的数据形状相应调整计算的模式以最大化乘法器的利用效率。借助特殊设计的数据路由桥（Data Routing Bridge），BPU可以将多种运算器件（ALU）同时和多个静态存储仓库（SRAM Bank）灵活地连接在一起，辅以编译器（Compiler）和运行时（Runtime）策略的优化，做到DDR数据的读取或写入和运算、以及不同类型运算之间的同步执行。

　　像地平线这样的创业公司能够自主研发AI芯片，证明了国产芯片在设计上不断进步。前述北京高校研究所专家也表示，不要认为国产芯片只是一个技术问题，它是一个生态问题，国内的一些企业在芯片设计上未必就差，只是缺少相对的或实验的机会。

　　“问题是连一个实验的机会都不给，哪怕只给从0到1的空间，以后让它们在夹缝中生存都没有问题。”

　　参考资料：

　　《集成电路应用》2017年4月第34卷第4期(总第283期)