我國高端芯片的發展機遇

喬北

摘要：在2016年11月舉辦的“2016中國集成電路產業促進大會”的高端芯片發展論壇上。天津飛騰信息技術有限公司總經理谷虹、上海安路信息科技有限公司市場與應用副總裁陳利光和龍芯中科技術有限公司副總裁張戈就高端芯片的安全、eFPGA和生態建設為切入點，介紹了中國芯片在高端芯片領域的未來發展機遇。

關鍵詞：高端芯片；安全；生態

DOl：10.3969/j.issn.1005-5517.2017-2.004

1 高端芯片的安全和產業發展

1.1 CPU發展階段

就CPU的角度，一共有三個發展階段，即X86+windows、ARM+Android和X+Linux。第一個階段是X86+windows階段，在這一階段，微軟和英特爾兩大企業抓住了個人計算機的時代，成為IT界一代霸主；第二個階段是ARM+Android階段，在這一階段，蘋果和ARM抓住了移動互聯網時代的機會，在這個移動互聯網領域成為一代霸主，如今，手機越來越多的人將其當做生活和工作中的簡易電腦來用；第三個階段是X+Linux階段，在這一階段，我們能否抓住安全可控的全球戰略需求，成就中國安全產業？

中國CPU有幾家技術很強的企業，國家支持了十幾年，卻一直沒有做起來，最難的在于生態。普京曾說過，只有中國才能造成安全的大企業，中國有13億人口，有大市場，俄羅斯只有2億人。要解決CPU安全問題確實需要一個大的市場，因為CPU是一個IT技術的基礎核心。調查數據顯示，當有一個三千萬用戶的時候，就可以培養一個生態系統。也就是說，如果一個新的生態系統要進入一個良性循環是需要這樣一個大數據的。中國擁有很大的市場，這個市場剛開始的時候一定不是國產CPU和國產芯片的用戶，在安全領域如果三千萬用戶可以培養一個市場，中國這個市場還是有能力去培養出生態系統，讓我們的CPU得以應用。

1.2 安全是企業新的切入點

安全的信息產業市場有核心部件和軟硬件的生態，主要是軟件生態，軟件生態進步了，硬件生態也就跟進了。安全產業是我們的切入點，核心安全/最底層的安全一共是兩塊，即后門和漏洞。后門是計算機系統在設計和制造過程中人為設計的特權指令，漏洞是軟硬件協議實現過程存在的缺陷。一個是主動性的，一個是被動性的，而就這兩個核心問題，我們第一步是從主動安全切入進行主動防御，至于漏洞，我們要通過在產業發展過程中通過大量的應用逐步完善。

實際上，通信協議是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定，本身并不存在安全問題，真正的安全問題在于其中的計算內核。協議標準最好要跟著世界主流走，如果自己做標準的話，既費錢，又累，還不好用，做出來的協議如果沒人用，也就談不上安全。

1.3 生態創建要靠“吸引”

在產業界，企業還是要遵循一些產業規律，要在兼容國際的產業界的基礎上，把安全做好，這是中國CPU產業界需要考慮的事情。你的生態如果和國際主流兼容，就會吸引更多的生態和產業。天津飛騰信息技術有限公司總經理谷虹表示，針對生態的建設和吸引，我們認為后者會對產業發展更加良性。因為你的生態環境好，一定會有更多的用戶跟著你一塊做生態，以CPU為例，CPU中OS是基礎的，圍繞它的外圍生態有軟件、網絡、安全認證、整機、存儲等，再外圍還包括我們的開發者，有多少人愿意學你的這個系統，來幫助你未來往前開發，良性的東西能夠吸引生態，最終一起走。

中國安全產品已經在路上了，產業環境也越來越好，現在通過飛騰的實用性芯片做的事務性處理服務器，配上四核芯片做的桌面終端，運行一般性的信息化應用，例如office、郵件處理、上網、看電影、看電視，還有一般的打游戲，用戶體驗和目前一般主流上的機器差別不大。

2 嵌入式FPGA IP核技術與應用

2.1 eFPGA的概念

英特爾巨資收購了ALTERA，FPGA也作為IP核進入至強處理器，另外，以硅谷FPGA startup公司（新興公司）來看，他們也都轉向了FPGA IP核方向。

FPGA IP核不是一個新概念，在十幾年前，無論是在學術界還是在工業界，已經有很多人開始探索。從學術界來看，主要做的工作是如何實現FPGA IP核自動化生產，例如，有些人做了一些軟核的IP核，這與工業無關；有些人做了一些版圖的自動生成，就是eFPGA（嵌入式FPGA）編譯器，自動生成一塊eFPGA；有些人做了一些eFPGA架構設計空間的探索。從2000年開始，很多公司開始嘗試這一架構。

FPGA IP就是將一個FPGA作為一個IP的形式放在SoC（片上系統）中。如何將FPGA放進去，這里也有一些不同的辦法，包括作為總線設備/協處理器的形式放到SoC中，也可以作為一個數據格式形式或IO連接的設備。

2.2 eFPGA的優勢

FPGA IP核放入SoC中有以下幾個優點：

1）提升接口帶寬的性能。一個eFPGA可以輕松地實現10000個以上的IO連接，我們看到商業上最大的芯片也是很難超過2000個IO數量級的，如果IO數量這個瓶頸破解后，在設計SoC的時候就會更加靈活；由于考慮連接問題，之前設計SoC時會有很多的折中，現在很靈活的一個FPGA放在其中可以做更多靈活的工作；放在SoC中，信號可以直接連接，性能可以做得更好；內部的信號頻率可以輕松地做到500MHz，延遲也可以做得很低，最低可以達到2ns；可以做成一個同步的設計，省去外部做FPGA處理器，降低了設計難度。

2）大幅度降低系統功耗及成本。一個典型的FPGA應用的IO的功耗可能會占到50%，如果把它作為嵌入式IP，這50%的功耗就可以省掉，這對電源設計也有很好的促進，當然最重要的是在做大批量應用的時候，成本會有顯著的降低。另外，大規模FPGA的封裝很復雜，在做芯片的過程中，很多時候封裝的成本已經超過了其中芯片，做成嵌入式則可以降低相關成本。因此，做成SoC之后，整體成本可能會降低10%-20%。

2.3 eFPGA的市場及發展

eFPGA雖然有這么多的好處，但是在過去二十年中并沒有太多成功的案例，原因在于過去這些年，這個市場是一個高度壟斷的市場，這個市場的IP巨頭不愿提供嵌入式IP的技術；同時，IP技術發展比較快，更新換代也比較快；另外一個更重要的原因是，對于做eFPGA startup公司來說，軟件的技術不夠成熟，造成這方面技術比較難做。

現在集成電路的工藝進入到一個瓶頸期，發展越來越慢，同時還需要考慮很多處理器方面的問題，這就需要不同的方案來促進集成電路的發展；另外一方面是國內半導體市場的崛起，包括國內在eFPGA行業也有很多公司在做，這為行業帶來了很多機會。很多時候，原來在硅谷做不成的事情，在中國反而可以做成。

從FPGA本身來看，現在做的產品越來越復雜，集成越來越多各種IP。像eFPGA這個概念已經成為一個發展趨勢，eFPGA使得不僅硬件可以編程，軟件也可以編程，成為全可編程化。而全可編程化也是整個行業的一個發展目標。

eFPGA應用市場很廣闊，有FPGA應用的系統中都存在這樣的機會，像做硬件加速、云計算、超級計算機、無線通信等。用FPGA加速可以將產品的性能提升一個或兩個數量級，功耗也會降低很多，如果采用eFPGA，可能結構會更好。在國防軍工領域，例如雷達處理、加解密等也需要eFPGA技術；另外，人工智能、安防監控、物聯網設備等都將可以用到eFPGA。

2.4 技術難點

1）產品的可靠性。之前已經有eFPGA相關技術，之所以沒有做成功是因為產品無法實現量產。如果本身的FPGA都沒有量產的話，做成IP的可靠性是無法保障的。

2）軟件技術成熟程度。因為軟件技術是在最核心的位置，你怎么支持IP技術的應用和設計，另外，IP核和IP芯片是不一樣的，它的規格需要與應用的需求很快生成定制IP，因而需要靈活的平臺，從而使這些軟件很快地支持新的架構。

3）產品驗證問題。IP核做好并交付后，還要去解決一個集成驗證的問題，復雜的SoC的驗證是一個很大的問題。驗證方面需要做多個層次的驗證，另外，因為作為IP核，要放到SoC中，后端的集成，包括芯片測試方案都需要一個完整的解決方案進行測試。

上海安路信息科技有限公司是2001年成立的，其在FPGA技術應用方面，在低/中/高端產品方面都有相關的布局，支持整套的FPGA IP核驗證技術。2015年12月成功交付千萬門級eFPGA，該eFPGA基于EG130 FPGA IP核，支持兩千個以上的IO。

3 建立自主產業生態體系

3.1 龍芯的發展

龍芯從2001年開始作為一個科研性的隊伍發展到現在，一共經歷了三個比較大的發展階段。

第一個階段是從2001年至2010年，這是龍芯團隊的一個技術的積累時期，在這一階段，龍芯致力于研究CPU；從2010年開始，龍芯團隊轉型成立公司，與市場結合，形成大、中、小三大系列CPU產品，主要面向安全應用、通用計算機、嵌入式應用三大市場方向；從2014年開始，龍芯進入了高速發展階段，下游客戶中基于龍芯CPU的軟硬件研發人員達到上萬人，龍芯的銷售收入也連續兩年增長50%。

龍芯的產品主要基于三個產品系列定位，即龍芯1號、龍芯2號和龍芯3號。其中龍芯1號是面向特定應用需求定制的“小CPU”系列芯片，龍芯2號是面向工控和終端類應用的“中CPU”系列芯片，龍芯3號則是面向桌面/服務器類應用的“大CPU”系列芯片。

3.2 建立自主的IT生態體系

建立自主的IT生態體系至關重要。由整個世界市場來看，對于不關注生態建設的企業，公司發展都無法得到較大的突破。

建立生態系統其實沒有想象的那么難。ARM和谷歌的CPU和OS研發人員在數百人的量級上，在應用中形成了對產業深刻的、正確的理解。我國自主基礎軟硬件在應用磨合中逐漸形成了對CPU和OS產業的正確理解，并不斷深化，完全可以在方興未艾的自主化應用中，通過打通技術鏈，實現在每個局部都不如國外系統的情況下，做到整體性能優于國外系統，走出一條“應用牽引、系統優化、軟硬結合、規范適用”的自主化道路，形成自主生態。

針對生態建設可以分為三個層次，即生產力、生產關系和上層建筑。

1）生產力即為技術平臺。建設自主生態的關鍵在于API（應用編程接口），而不是ISA（指令集），同時，基礎軟硬件核心技術必須掌握在自己手中：另外還需要打通從API到晶體管的技術鏈，形成自主技術能力。

2）生產關系是指產業鏈。自然生態的核心是能量的傳遞，產業生態的核心是價值的傳遞，龍芯公司通過軟件解決方案和產業投資基金等多種方式加速價值的傳遞。

3）上層建筑則是指產業環境。生態是在一定環境中自己生長起來的，要想在沙漠中長出雨林，就需要大量雨水，而我們要做的就是共同努力營造生態成長的環境。