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海思能否帶領中國的芯片設計突圍?

2019-06-11 09:26 半導體風向標
關鍵詞:芯片海思

導讀:近年來我國設計產業發展迅猛,行業增速遠超國際平均水平,華為海思已經達到7nm先進制程,在5G芯片技術上也走在世界前列

近年來我國設計產業發展迅猛,行業增速遠超國際平均水平,華為海思已經達到7nm先進制程,在5G芯片技術上也走在世界前列。比特大陸、寒武紀科技等在ASIC芯片領域獨樹一幟,讓中國在芯片設計領域彎道超車成為可能。


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圖片來自“123rf.com.cn”


作為亞洲數字芯片設計業Fabless的旗艦,海思布局了:

麒麟980采用7納米制程工藝、麒麟985將采用7nm+EUV工藝;

天罡芯片——業界首款5G基站核心芯片;

昇騰的“達芬奇架構”,是全球首個實現全棧全場景的AI芯片;

巴龍基帶DSP芯片,吊打蘋果Intel三星聯發科;

除華為以外,以寒武紀、嘉楠耘智為首的AI獨角獸也在ASIC芯片領域領先世界:

寒武紀——2016年就發布了世界首款商用深度學習專用處理器寒武紀1A;

嘉楠耘智——挖礦用的ASIC芯片已經達到全球領先的7nm制程。

百度、阿里、小米也加入了造芯隊伍

百度——發布了云端的昆侖芯片

阿里——成立了平頭哥公司

小米——松果和大魚布局IoT芯片

但是,看到輝煌的同時,也該看到我國芯片設計業的軟肋:

(1)除海思外,缺乏穩定居于全球Top 10的芯片設計巨頭

(2)芯片設計的生態需要完善,目前依賴海外ARM、MIPS等架構授權

(3)EDA設計軟件被Cadence、Synopsys等世界巨頭壟斷

除海思這艘航空母艦外,fabless的突圍需要國產艦隊的支持:

韋爾股份:豪威科技是世界CIS巨頭 

匯頂科技:消費電子芯片設計領軍  

圣邦股份:模擬芯片設計稀缺標的 

卓勝微:通信射頻芯片自主可控 

兆易、瀾起、君正的存儲芯片設計 

另外,紫光微、景嘉微、復旦微、國科微、富瀚微、富滿微的細分芯片設計也提供了強大的fabless自主可控生態。

芯片設計在產業鏈中占據重要位置,技術壁壘高,需要大量的人力、物力投入,需要較長時間的技術積累和經驗沉淀。目前在全球集成電路設計市場中美國企業占據了半壁江山,中國設計產業在核心架構與EDA工具方面仍然依賴國外授權。但近年來我國設計產業發展迅猛,行業增速遠超國際平均水平,華為海思已經達到7nm先進制程,在5G芯片技術上也走在世界前列。比特大陸、寒武紀科技等在ASIC芯片領域獨樹一幟,讓中國在芯片設計領域彎道超車成為可能。


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代工廠的出現大大促進了半導體設計行業的發展

芯片的設計過程主要分為四個步驟:一、根據所需功能選擇相應的芯片架構與IP模塊;二、編寫出對應的HDL代碼,并放到EDA tool中反復運行測試,直到功能正確為止;三、將測試成功的代碼放入另一套EDA tool中進行電路布局與繞線并檢測電路運行情況;四、自底層開始,逐層為設計好的電路圖制作光罩,最終形成期望的芯片。


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上世紀60年代,早期企業都是IDM運營模式(垂直整合),這種模式涵蓋設計、制造、封測等整個芯片生產流程,這類企業一般具有規模龐大、技術全面、積累深厚的特點,如Intel、三星等。隨著技術升級的成本越來越高以及對IC產業生產效率的要求提升,促使整個產業逐漸向設計、制造、封裝、測試分離的垂直分工模式發展。這種垂直分工的模式首先大大提升了整個產業的運作效率;其次,將相對輕資產的設計和重資產的制造及封測分離有利于各個環節集中研發投入,加速技術發展,給新玩家一個進入行業的切入點,例如技術水平較低的封裝檢測、設計突出的Fabless等。


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自代工模式出現之后,全球集成電路設計行業一直呈現持續增長的勢頭。從營收增速角度來看,IC設計市場出現過兩次大規模增長。第一次是在2003-2004之間,主要由于Windows XP發布后帶來的個人PC換機潮。其次是2010年智能手機滲透率的加速提升帶來IC設計市場規模的大幅提升。雖然當下智能手機、筆記本電腦等終端產品進入成熟期,增量放緩,但是物聯網、人工智能等新興領域仍處于技術積累階段,市場規模較為有限,因此在2015年左右全球IC設計行業市場規模出現小幅萎縮,2016年全球IC設計行業市場規模再次實現增長,2018年全球IC設計行業銷售額為1139億美元。


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我國半導體設計市場份額低,核心架構和EDA工具受制于人

從IC設計市場區域份額來看,美國集成電路設計行業處于全球領先地位,2017年行業銷售額占全球集成電路設計業的 53%;中國臺灣地區占16%,位居第二;中國大陸地區IC設計銷售額占比較低,原因之一在于類似海思半導體、中興微電子和大唐微電子等國內IC設計巨頭多數IC產品僅供自用,因此轉移它們自用的IC產品之外,中國大陸直接向市場供應的IC產品銷售額僅占11%。


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從IC設計企業實力來看,我國大陸缺乏全球性的IC設計企業。根據拓墣產業研究院數據,2018年全球前十大IC設計企業中,美國擁有6個,中國臺灣擁有3個,德國有1個。而且前兩名博通和高通2018年營收分別為189和164億美元,兩者營收之和占據了全球前十大IC設計企業營收的50%。中國大陸目前還缺乏從營收體量上進入全球前十的IC設計巨頭。


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從研發支出角度來看,國內IC設計企業與國際大廠有很大差距。根據IC Insights數據,2017年全球投入研發資金最多的前10大半導體廠主要為英特爾、高通、博通、三星等全球半導體巨頭。除了高通和東芝的研發開支相比2016年出現了負增長,其他廠商均呈現同比提升態勢。國內IC設計廠商目前還沒有研發開支超過10億美元的,因此大陸IC設計產業的投資力度與其他大廠相比還存在一定差距。

從技術角度來看,我國IC設計的技術難題主要是核心架構與EDA工具受制于人。


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在核心架構方面,高度依賴海外公司的IP授權。當前國內主流IC設計商采用購買國外CPU的IP授權,并借助現有的生態系統開拓市場。例如華為海思從2009年的K3到2018年的麒麟980,在國產SoC芯片領域取得較大突破,但是,華為手機SoC的麒麟芯片和服務器的鯤鵬芯片的架構與指令集依然依賴ARM公司的授權,不僅許可費高昂,而且每次授權期限僅僅4-5年,還被限定使用范圍。


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ARM的授權模式分為三個等級:授權等級最低的是使用層級授權,擁有使用授權的用戶只能購買已經封裝好的ARM處理器核心,而如果想要實現更多功能和特性,則只能通過增加封裝之外的DSP核心的形式來實現。大多數缺乏研發設計能力的初創企業都選擇購買這種授權;授權等級較高的是內核層級授權,指可以一個內核為基礎然后在加上自己的外設形成MCU,例如三星、德州儀器(TI)、博通、飛思卡爾、富士通等等;授權等級最高的是架構/指令集層級授權,指可以對ARM架構進行大幅度改造,甚至可以對ARM指令集進行擴展或縮減,例如蘋果的A系列、高通的驍龍系列、華為的麒麟系列。

如今,我國80%的信息產業都是建立在他人的芯片平臺基礎上的。目前,國內僅有中科院的龍芯和總參謀部的申威擁有自主架構,前者用于北斗導航,后者用于神威超級計算機,民用領域基本是空白。從革命的角度看,申威比龍芯更具革命性,龍芯為了生態兼容了MIPS指令集,并在MIPS的基礎上擴展形成了LoongISA,而申威則獨立開發了SW64指令。申威432大約與龍芯3A4000同一時期完成,在主頻和工藝上比龍芯3A4000更強,但在微結構可能是龍芯的更好,兩者的性能可能會在伯仲之間。與申威432采用同一款內核的服務器CPU,申威3232,這款芯片可以達到英特爾主流服務器的60%—70%。

在芯片設計的EDA工具方面,我國芯片設計公司也離不開Cadence、Synopsys等海外EDA軟件公司的授權。

EDA工具是電子設計自動化(Electronic Design Automation)的簡稱,利用EDA工具,工程師將芯片的電路設計、性能分析、設計出IC版圖的整個過程交由計算機自動處理完成。在集成電路動輒需要上億晶體管的今天,手工布線已然不可為,因此EDA已經成為IC電子行業必備的設計工具軟件。到目前為止,全球EDA行業基本形成了三家鼎立的格局。這三家公司分別是,美國的新思科技(Synopsys)、同樣是來自美國的楷登電子科技(Cadence)、2016年被德國西門子收購的明導國際(Mentor Graphics)。僅2017年里,全球EDA行業的總收入中有70%被這三家公司瓜分。國內的EDA企業主要有華大九天、概倫電子、廣立微、芯禾科技等。雖然近年來發展迅速,但與國外巨頭的技術與投入差距仍然較大。


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我國半導體設計業發展迅速,有望在5G和ASIC芯片領域實現彎道超車

從產業結構來看,我國集成電路產業鏈結構正在不斷優化。2011年,我國主要以技術含量較低的封測業為主,封測占比高達50.46%,超過設計和制造占比之和。2018年,我國的設計業成為集成電路產業鏈中占比最大的分支,占比高達38.57%,超過封測業的33.59%。我國的半導體產業結構開始不斷優化,以設計和制造為主的技術密集型企業占比正不斷提升。


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從市場份額來看,我國半導體設計市場份額增速領先行業平均水平。自2010年以來,最大的無晶圓集成電路市場份額增長來自中國供應商,10家中國無晶圓廠公司被列入2017年的無晶圓IC供應商前50名名單,而2009年僅有一家。自2010年以來,最大的無晶圓集成電路市場份額增長來自中國供應商,2010年占據5%的份額,但占2017年無晶圓IC總銷售量的11%。Unigroup(紫光)是2017年中國最大的無晶圓IC供應商(也是全球第九大無晶圓供應商),銷售額達21億美元。


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從公司數量來看,我國IC設計企業數量增長迅速。自2012年以來,中國IC設計企業逐年增加,2015年底IC設計企業為736家,2016年實現脈沖式跳躍至1362家,增長率高達85%。2018年再次實現大幅增長,增加至1698家,增長率高達23%。


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在ASIC芯片領域,國內廠商已經取得了一定成績。以比特大陸、嘉楠耘智為代表的礦機廠商采用的ASIC芯片已經達到了7nm制程,在國際中處于較先進地位。寒武紀科技推出的寒武紀1A處理器(Cambricon-1A)是世界首款商用深度學習專用處理器,面向智能手機、安防監控、可穿戴設備、無人機和智能駕駛等各類終端設備,在運行主流智能算法時性能功耗比全面超越CPU和GPU。同時,國內各大科技互聯網巨頭都在投資布局ASIC芯片。2018年9月阿里巴巴成立平頭哥半導體芯片公司,其開發的自主嵌入式CPU在語音識別、機器視覺、無線連接、工業控制和汽車電子等領域已得到規模化的應用,終端產品累計應用已超10億顆。2019年4月,小米公司將旗下子公司重組,成立大魚半導體,專注于AI和IoT芯片與解決方案的技術研發。隨著未來人工智能與物聯網的潛能釋放, ASIC芯片將打開更大的市場空間。


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在5G技術方面,我國已經走在了世界前列。2019年1月華為發布了全球首款5G基站核心芯片“華為天罡”及5G多模終端芯片“Balong5000”。華為天罡可支持200M運營商頻譜帶寬,可實現基站尺寸縮小超50%、重量減輕23%、功耗節省達21%,安裝時間比標準的4G基站7.5小時的安裝時間節省一半,有效解決站點獲取難、成本高等挑戰。Balong5000則是全面開啟5G時代的鑰匙,可以支持多種豐富的產品形態,除了智能手機外,還包括家庭寬帶終端、車載終端和5G模組等,將在更多使用場景下為廣大消費者帶來不同以往的5G連接體驗。


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