從“芯”設計分析我國芯片產業發展面臨的問題

胡春麗 新疆供銷學校

2019 年5月16 日（美國當地時間2019 年5月15 日），美國總統特朗普簽署行政命令宣布美國進入緊急狀態，要求企業不得使用對國家安全構成風險的企業所生產的電信設備，并要求商務部與其他政府機構合作，在150 天內制定一份實施計劃。行政命令引《國際緊急經濟權力法》規定，賦予總統在緊急狀態下實施商業管制權力。中美貿易摩擦和華為事件讓半導體行業在國內得到了前所未有的審視和關注。

芯片不突破，人工智能發展就是空中樓閣，自主可控是人工智能唯一可行的路徑。華為遭遇美國制裁加快推動中國芯片產業上游的設計、材料、設備的國產化進程。

芯片設計少數企業已經嶄露頭角，有望率先走向一線舞臺。根據相關上市公司財報披露，按照營收排名，華為海思目前已在芯片設計領域排名第五，2018 年營收增速高達 34.2%，在同行中排名第一。但總體來看，設計行業的核心技術仍然在美國，2018 年美國占了全球芯片設計份額的 53%，中國占比為 11%。芯片設計有望率先突破，但未來發展面臨的制約因素不可忽視。對于芯片設計來說，EDA 軟件、底層架構、合作伙伴與客戶是芯片設計的三大生態壁壘。

一、EDA 軟件與設計制造綁定

EDA 放在最前面是因為國內無法替代，EDA 軟件被禁后，設計寸步難行。EDA 軟件是芯片設計最上游、最高端的產業。行業存在高度壟斷，前3 家EDA 設計軟件公司（Synopsys、Cadence、Mentor）為客戶提供完整的前后端技術方案，壟斷了全球 65%和國內 96%以上的市場份額。

EDA 軟件是工業化軟件，壁壘不在于軟件算法、模型，而是需要與國際上的主流foundry 廠合作，讓foundry 提供各種支持。這種合作的壁壘很高。因為對foundry 來說，培養新的EDA 合作伙伴，需要投入更多的資源和成本，但是更多和EDA 合作方并不能帶來增量收入。另外，國內的EDA 軟件研發人才少，軟件開發人才大多數被互聯網和金融行業吸引，導致EDA 軟件研發人才嚴重不足。

從EDA 行業龍頭發展歷程看，EDA 行業是厚積薄發的生意，需要很長的前期積累。如果有新進入者首先需要經歷無收入的巨額投入和有收入的虧損階段，從企業經營的角度看，沒有動力新進EDA行業，除非不能使用現有EDA 廠商的產品。

二、底層架構和操作系統綁定

處理器架構是CPU 廠商給屬于同一系列的CPU 產品定的一個規范，用硬件電路實現指令集所規定的操作運算，處理器架構設計是目前芯片產業的最高層級和最重要的層級。

處理器底層架構的生態邊界體現在兩方面，一是技術難度高，新進入者很難做出來；二是做出來之后，沒有匹配的操作系統和應用軟件。因為不同的操作系統、應用軟件都是建立在對應的底層處理器架構之上，現有的操作系統和應用都是建立在現有的底層架構之上。例如英特爾的CPU 和微軟的windows，ARM 系列芯片和安卓系統及應用，蘋果處理器與IOS 系統及應用。

底層架構方面目前主要分為兩大陣營：一個是以 intel、AMD為首的復雜指令集（CISC）的架構 X86 架構， 在個人 PC 端占絕對主導；另一個是以 ARM 為首的ARM、MIPS、POWERPC、RISC-V 精簡指令集 （RISC），在移動設備和物聯網設備芯片中占絕對主導， 其中在手機、汽車電子及物聯網等領域中具備絕對的話語權，ARM 架構芯片占手機市場份額約 90%。

現在主流處理器架構是個人PC 處理器x86 和手機處理器ARM，x86 架構被Intel 和AMD 壟斷，ARM 架構被ARM 公司壟斷。其他處理器設計公司想自主設計就要有授權。

假如ARM 以后不給中國華為授權IP 核，將會帶來麻煩。一是當ARM 發布下一代IP 核（例如Cortex-A77、78、79）后，華為只能使用ARMV8 架構自主設計IP 核跟進，研發速度和資金投入是關鍵。而高通可以直接通過這個新IP 核定制高通855 之后的下一代芯片。二是當ARM 發布下一代指令集架構（例如ARMV9、V10）時，華為需要在ARMV8 的基礎上自主開放出ARMV9 指令集架構，技術難度比IP 核大很多，同時華為自創的“ARMV9”生態系統需要和ARM 系統兼容。

三、需要合作伙伴生態的“陪練”

在芯片設計領域，“陪練”就是在芯片正式量產之前，有合作伙伴愿意合作，提供支持、試用，有客戶愿意當芯片設計公司的“小白鼠”。

芯片的穩定性等參數需要在實際使用中檢驗，這一點類似動力電池，但是又比動力電池復雜，動力電池更換容易，芯片是系統的基礎，更換芯片就要更換系統，推倒重來。

國產芯片之難，不僅是技術本身，更在于做出來之后，沒有生態支持。首先，設計出的芯片沒人敢用，這是現階段國產芯片設計公司面臨的最大問題，擁有“陪練”的生態是芯片設計公司的壁壘。因為很多問題是在應用過程中發現的，通過多次迭代才能“通暢”應用。最重要的是，現在的新進入者的第一代芯片就要與高級應用匹配、出現的問題多、難度大。其次，復雜的高等級芯片，除了終端應用客戶當“小白鼠”之外，還需要中間方案解決商的支持。國產芯片缺乏工程板卡級的支持。

芯片設計在整個產業的最前端，攻克技術壁壘首當其沖，突破壟斷、自主可控勢在必行。國家的政策扶持、資源的合理配置、領軍人物的選拔、高端人才的培養、企業的通力合作是實現《中國制造2025》目標的一劑良藥。