华为海思能否让中国在芯片设计领域弯道超车成为可能?

2019-06-11 11:23:28     来源:半导体风向标

近年来我国设计产业发展迅猛,行业增速远超国际平均水平,华为海思已经达到7nm先进制程,在5G芯片技术上也走在世界前列。比特大陆、寒武纪科技等在ASIC芯片领域独树一帜,让中国在芯片设计领域弯道超车成为可能。

华为海思能否让中国在芯片设计领域弯道超车成为可能?

作为亚洲数字芯片设计业Fabless的旗舰,海思布局了:


麒麟980采用7纳米制程工艺、麒麟985将采用7nm+EUV工艺;


天罡芯片——业界首款5G基站核心芯片;


昇腾的“达芬奇架构”,是全球首个实现全栈全场景的AI芯片;


巴龙基带DSP芯片,吊打苹果Intel三星联发科;


除华为以外,以寒武纪、嘉楠耘智为首的AI独角兽也在ASIC芯片领域领先世界:


寒武纪——2016年就发布了世界首款商用深度学习专用处理器寒武纪1A;


嘉楠耘智——挖矿用的ASIC芯片已经达到全球领先的7nm制程。


百度、阿里、小米也加入了造芯队伍:


百度——发布了云端的昆仑芯片


阿里——成立了平头哥公司


小米——松果和大鱼布局IoT芯片


但是,看到辉煌的同时,也该看到我国芯片设计业的软肋:


(1)除海思外,缺乏稳定居于全球Top 10的芯片设计巨头


(2)芯片设计的生态需要完善,目前依赖海外ARM、MIPS等架构授权


(3)EDA设计软件被Cadence、Synopsys等世界巨头垄断


除海思这艘航空母舰外,fabless的突围需要国产舰队的支持:


韦尔股份:豪威科技是世界CIS巨头


汇顶科技:消费电子芯片设计领军


圣邦股份:模拟芯片设计稀缺标的


卓胜微:通信射频芯片自主可控


兆易、澜起、君正的存储芯片设计


另外,紫光微、景嘉微、复旦微、国科微、富瀚微、富满微的细分芯片设计也提供了强大的fabless自主可控生态。


芯片设计在产业链中占据重要位置,技术壁垒高,需要大量的人力、物力投入,需要较长时间的技术积累和经验沉淀。目前在全球集成电路设计市场中美国企业占据了半壁江山,中国设计产业在核心架构与EDA工具方面仍然依赖国外授权。但近年来我国设计产业发展迅猛,行业增速远超国际平均水平,华为海思已经达到7nm先进制程,在5G芯片技术上也走在世界前列。比特大陆、寒武纪科技等在ASIC芯片领域独树一帜,让中国在芯片设计领域弯道超车成为可能。

华为海思能否让中国在芯片设计领域弯道超车成为可能?

代工厂的出现大大促进了半导体设计行业的发展


芯片的设计过程主要分为四个步骤:一、根据所需功能选择相应的芯片架构与IP模块;二、编写出对应的HDL代码,并放到EDA tool中反复运行测试,直到功能正确为止;三、将测试成功的代码放入另一套EDA tool中进行电路布局与绕线并检测电路运行情况;四、自底层开始,逐层为设计好的电路图制作光罩,最终形成期望的芯片。


上世纪60年代,早期企业都是IDM运营模式(垂直整合),这种模式涵盖设计、制造、封测等整个芯片生产流程,这类企业一般具有规模庞大、技术全面、积累深厚的特点,如Intel、三星等。随着技术升级的成本越来越高以及对IC产业生产效率的要求提升,促使整个产业逐渐向设计、制造、封装、测试分离的垂直分工模式发展。这种垂直分工的模式首先大大提升了整个产业的运作效率;其次,将相对轻资产的设计和重资产的制造及封测分离有利于各个环节集中研发投入,加速技术发展,给新玩家一个进入行业的切入点,例如技术水平较低的封装检测、设计突出的Fabless等。


自代工模式出现之后,全球集成电路设计行业一直呈现持续增长的势头。从营收增速角度来看,IC设计市场出现过两次大规模增长。第一次是在2003-2004之间,主要由于Windows XP发布后带来的个人PC换机潮。其次是2010年智能手机渗透率的加速提升带来IC设计市场规模的大幅提升。虽然当下智能手机、笔记本电脑等终端产品进入成熟期,增量放缓,但是物联网、人工智能等新兴领域仍处于技术积累阶段,市场规模较为有限,因此在2015年左右全球IC设计行业市场规模出现小幅萎缩,2016年全球IC设计行业市场规模再次实现增长,2018年全球IC设计行业销售额为1139亿美元。


我国半导体设计市场份额低,核心架构和EDA工具受制于人


从IC设计市场区域份额来看,美国集成电路设计行业处于全球领先地位,2017年行业销售额占全球集成电路设计业的53%;中国台湾地区占16%,位居第二;中国大陆地区IC设计销售额占比较低,原因之一在于类似海思半导体、中兴微电子和大唐微电子等国内IC设计巨头多数IC产品仅供自用,因此转移它们自用的IC产品之外,中国大陆直接向市场供应的IC产品销售额仅占11%。


从IC设计企业实力来看,我国大陆缺乏全球性的IC设计企业。根据拓墣产业研究院数据,2018年全球前十大IC设计企业中,美国拥有6个,中国台湾拥有3个,德国有1个。而且前两名博通和高通2018年营收分别为189和164亿美元,两者营收之和占据了全球前十大IC设计企业营收的50%。中国大陆目前还缺乏从营收体量上进入全球前十的IC设计巨头。


从研发支出角度来看,国内IC设计企业与国际大厂有很大差距。根据IC Insights数据,2017年全球投入研发资金最多的前10大半导体厂主要为英特尔、高通、博通、三星等全球半导体巨头。除了高通和东芝的研发开支相比2016年出现了负增长,其他厂商均呈现同比提升态势。国内IC设计厂商目前还没有研发开支超过10亿美元的,因此大陆IC设计产业的投资力度与其他大厂相比还存在一定差距。


从技术角度来看,我国IC设计的技术难题主要是核心架构与EDA工具受制于人。


在核心架构方面,高度依赖海外公司的IP授权。当前国内主流IC设计商采用购买国外CPU的IP授权,并借助现有的生态系统开拓市场。例如华为海思从2009年的K3到2018年的麒麟980,在国产SoC芯片领域取得较大突破,但是,华为手机SoC的麒麟芯片和服务器的鲲鹏芯片的架构与指令集依然依赖ARM公司的授权,不仅许可费高昂,而且每次授权期限仅仅4-5年,还被限定使用范围。


ARM的授权模式分为三个等级:授权等级最低的是使用层级授权,拥有使用授权的用户只能购买已经封装好的ARM处理器核心,而如果想要实现更多功能和特性,则只能通过增加封装之外的DSP核心的形式来实现。大多数缺乏研发设计能力的初创企业都选择购买这种授权;授权等级较高的是内核层级授权,指可以一个内核为基础然后在加上自己的外设形成MCU,例如三星、德州仪器(TI)、博通、飞思卡尔、富士通等等;授权等级最高的是架构/指令集层级授权,指可以对ARM架构进行大幅度改造,甚至可以对ARM指令集进行扩展或缩减,例如苹果的A系列、高通的骁龙系列、华为的麒麟系列。


如今,我国80%的信息产业都是建立在他人的芯片平台基础上的。目前,国内仅有中科院的龙芯和总参谋部的申威拥有自主架构,前者用于北斗导航,后者用于神威超级计算机,民用领域基本是空白。从革命的角度看,申威比龙芯更具革命性,龙芯为了生态兼容了MIPS指令集,并在MIPS的基础上扩展形成了LoongISA,而申威则独立开发了SW64指令。申威432大约与龙芯3A4000同一时期完成,在主频和工艺上比龙芯3A4000更强,但在微结构可能是龙芯的更好,两者的性能可能会在伯仲之间。与申威432采用同一款内核的服务器CPU,申威3232,这款芯片可以达到英特尔主流服务器的60%—70%。


在芯片设计的EDA工具方面,我国芯片设计公司也离不开Cadence、Synopsys等海外EDA软件公司的授权。


EDA工具是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的简称,利用EDA工具,工程师将芯片的电路设计、性能分析、设计出IC版图的整个过程交由计算机自动处理完成。在集成电路动辄需要上亿晶体管的今天,手工布线已然不可为,因此EDA已经成为IC电子行业必备的设计工具软件。到目前为止,全球EDA行业基本形成了三家鼎立的格局。这三家公司分别是,美国的新思科技(Synopsys)、同样是来自美国的楷登电子科技(Cadence)、2016年被德国西门子收购的明导国际(Mentor Graphics)。仅2017年里,全球EDA行业的总收入中有70%被这三家公司瓜分。国内的EDA企业主要有华大九天、概伦电子、广立微、芯禾科技等。虽然近年来发展迅速,但与国外巨头的技术与投入差距仍然较大。

华为海思能否让中国在芯片设计领域弯道超车成为可能?

我国半导体设计业发展迅速,有望在5G和ASIC芯片领域实现弯道超车


从产业结构来看,我国集成电路产业链结构正在不断优化。2011年,我国主要以技术含量较低的封测业为主,封测占比高达50.46%,超过设计和制造占比之和。2018年,我国的设计业成为集成电路产业链中占比最大的分支,占比高达38.57%,超过封测业的33.59%。我国的半导体产业结构开始不断优化,以设计和制造为主的技术密集型企业占比正不断提升。


从市场份额来看,我国半导体设计市场份额增速领先行业平均水平。自2010年以来,最大的无晶圆集成电路市场份额增长来自中国供应商,10家中国无晶圆厂公司被列入2017年的无晶圆IC供应商前50名名单,而2009年仅有一家。自2010年以来,最大的无晶圆集成电路市场份额增长来自中国供应商,2010年占据5%的份额,但占2017年无晶圆IC总销售量的11%。Unigroup(紫光)是2017年中国最大的无晶圆IC供应商(也是全球第九大无晶圆供应商),销售额达21亿美元。


从公司数量来看,我国IC设计企业数量增长迅速。自2012年以来,中国IC设计企业逐年增加,2015年底IC设计企业为736家,2016年实现脉冲式跳跃至1362家,增长率高达85%。2018年再次实现大幅增长,增加至1698家,增长率高达23%。


在ASIC芯片领域,国内厂商已经取得了一定成绩。以比特大陆、嘉楠耘智为代表的矿机厂商采用的ASIC芯片已经达到了7nm制程,在国际中处于较先进地位。寒武纪科技推出的寒武纪1A处理器(Cambricon-1A)是世界首款商用深度学习专用处理器,面向智能手机、安防监控、可穿戴设备、无人机和智能驾驶等各类终端设备,在运行主流智能算法时性能功耗比全面超越CPU和GPU。同时,国内各大科技互联网巨头都在投资布局ASIC芯片。2018年9月阿里巴巴成立平头哥半导体芯片公司,其开发的自主嵌入式CPU在语音识别、机器视觉、无线连接、工业控制和汽车电子等领域已得到规模化的应用,终端产品累计应用已超10亿颗。2019年4月,小米公司将旗下子公司重组,成立大鱼半导体,专注于AI和IoT芯片与解决方案的技术研发。随着未来人工智能与物联网的潜能释放,ASIC芯片将打开更大的市场空间。


在5G技术方面,我国已经走在了世界前列。2019年1月华为发布了全球首款5G基站核心芯片“华为天罡”及5G多模终端芯片“Balong5000”。华为天罡可支持200M运营商频谱带宽,可实现基站尺寸缩小超50%、重量减轻23%、功耗节省达21%,安装时间比标准的4G基站7.5小时的安装时间节省一半,有效解决站点获取难、成本高等挑战。Balong5000则是全面开启5G时代的钥匙,可以支持多种丰富的产品形态,除了智能手机外,还包括家庭宽带终端、车载终端和5G模组等,将在更多使用场景下为广大消费者带来不同以往的5G连接体验。


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