我國高端芯片的發(fā)展機遇

作者/ 喬北 《電子產(chǎn)品世界》編輯

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

1 高端芯片的安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)展

1.1 CPU發(fā)展階段

　　就CPU的角度，一共有三個發(fā)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(yè)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(lián)網(wǎng)時代的機會，在這個移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域成為一代霸主，如今，手機越來越多的人將其當(dāng)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(zhàn)略需求，成就中國安全產(chǎn)業(yè)?

　　中國CPU有幾家技術(shù)很強的企業(yè)，國家支持了十幾年，卻一直沒有做起來，最難的在于生態(tài)。普京曾說過，只有中國才能造成安全的大企業(yè)，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(shù)的基礎(chǔ)核心。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)有一個三千萬用戶的時候，就可以培養(yǎng)一個生態(tài)系統(tǒng)。也就是說，如果一個新的生態(tài)系統(tǒng)要進(jìn)入一個良性循環(huán)是需要這樣一個大數(shù)據(jù)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(chǎn)CPU和國產(chǎn)芯片的用戶，在安全領(lǐng)域如果三千萬用戶可以培養(yǎng)一個市場，中國這個市場還是有能力去培養(yǎng)出生態(tài)系統(tǒng)，讓我們的CPU得以應(yīng)用。

1.2 安全是企業(yè)新的切入點

　　安全的信息產(chǎn)業(yè)市場有核心部件和軟硬件的生態(tài)，主要是軟件生態(tài)，軟件生態(tài)進(jìn)步了，硬件生態(tài)也就跟進(jìn)了。安全產(chǎn)業(yè)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(tǒng)在設(shè)計和制造過程中人為設(shè)計的特權(quán)指令，漏洞是軟硬件協(xié)議實現(xiàn)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(jìn)行主動防御，至于漏洞，我們要通過在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中通過大量的應(yīng)用逐步完善。

　　實際上，通信協(xié)議是指雙方實體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)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(nèi)核。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)最好要跟著世界主流走，如果自己做標(biāo)準(zhǔn)的話，既費錢，又累，還不好用，做出來的協(xié)議如果沒人用，也就談不上安全。

1.3 生態(tài)創(chuàng)建要靠“吸引”

　　在產(chǎn)業(yè)界，企業(yè)還是要遵循一些產(chǎn)業(yè)規(guī)律，要在兼容國際的產(chǎn)業(yè)界的基礎(chǔ)上，把安全做好，這是中國CPU產(chǎn)業(yè)界需要考慮的事情。你的生態(tài)如果和國際主流兼容，就會吸引更多的生態(tài)和產(chǎn)業(yè)。天津飛騰信息技術(shù)有限公司總經(jīng)理谷虹表示，針對生態(tài)的建設(shè)和吸引，我們認(rèn)為后者會對產(chǎn)業(yè)發(fā)展更加良性。因為你的生態(tài)環(huán)境好，一定會有更多的用戶跟著你一塊做生態(tài)，以CPU為例，CPU中OS是基礎(chǔ)的，圍繞它的外圍生態(tài)有軟件、網(wǎng)絡(luò)、安全認(rèn)證、整機、存儲等，再外圍還包括我們的開發(fā)者，有多少人愿意學(xué)你的這個系統(tǒng)，來幫助你未來往前開發(fā)，良性的東西能夠吸引生態(tài)，最終一起走。

　　中國安全產(chǎn)品已經(jīng)在路上了，產(chǎn)業(yè)環(huán)境也越來越好，現(xiàn)在通過飛騰的實用性芯片做的事務(wù)性處理服務(wù)器，配上四核芯片做的桌面終端，運行一般性的信息化應(yīng)用，例如office、郵件處理、上網(wǎng)、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(shù)與應(yīng)用

2.1 eFPGA的概念

　　英特爾巨資收購了ALTERA，F(xiàn)PGA也作為IP核進(jìn)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(zhuǎn)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(xué)術(shù)界還是在工業(yè)界，已經(jīng)有很多人開始探索。從學(xué)術(shù)界來看，主要做的工作是如何實現(xiàn)FPGA IP核自動化生產(chǎn)，例如，有些人做了一些軟核的IP核，這與工業(yè)無關(guān);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(gòu)設(shè)計空間的探索。從2000年開始，很多公司開始嘗試這一架構(gòu)。

　　FPGA IP就是將一個FPGA作為一個IP的形式放在SoC(片上系統(tǒng))中。如何將FPGA放進(jìn)去，這里也有一些不同的辦法，包括作為總線設(shè)備/協(xié)處理器的形式放到SoC中，也可以作為一個數(shù)據(jù)格式形式或IO連接的設(shè)備。

2.2 eFPGA的優(yōu)勢

　　FPGA IP核放入SoC中有以下幾個優(yōu)點：

　　1)提升接口帶寬的性能。一個eFPGA可以輕松地實現(xiàn)10000個以上的IO連接，我們看到商業(yè)上最大的芯片也是很難超過2000個IO數(shù)量級的，如果IO數(shù)量這個瓶頸破解后，在設(shè)計SoC的時候就會更加靈活;由于考慮連接問題，之前設(shè)計SoC時會有很多的折中，現(xiàn)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(nèi)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(dá)到2ns;可以做成一個同步的設(shè)計，省去外部做FPGA處理器，降低了設(shè)計難度。

　　2)大幅度降低系統(tǒng)功耗及成本。一個典型的FPGA應(yīng)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(shè)計也有很好的促進(jìn)，當(dāng)然最重要的是在做大批量應(yīng)用的時候，成本會有顯著的降低。另外，大規(guī)模FPGA的封裝很復(fù)雜，在做芯片的過程中，很多時候封裝的成本已經(jīng)超過了其中芯片，做成嵌入式則可以降低相關(guān)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(fā)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(shù);同時，IP技術(shù)發(fā)展比較快，更新?lián)Q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(shù)不夠成熟，造成這方面技術(shù)比較難做。

　　現(xiàn)在集成電路的工藝進(jìn)入到一個瓶頸期，發(fā)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(jìn)集成電路的發(fā)展;另外一方面是國內(nèi)半導(dǎo)體市場的崛起，包括國內(nèi)在eFPGA行業(yè)也有很多公司在做，這為行業(yè)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(xiàn)在做的產(chǎn)品越來越復(fù)雜，集成越來越多各種IP。像eFPGA這個概念已經(jīng)成為一個發(fā)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(yè)的一個發(fā)展目標(biāo)。

　　eFPGA應(yīng)用市場很廣闊，有FPGA應(yīng)用的系統(tǒng)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(chǎn)品的性能提升一個或兩個數(shù)量級，功耗也會降低很多，如果采用eFPGA，可能結(jié)構(gòu)會更好。在國防軍工領(lǐng)域，例如雷達(dá)處理、加解密等也需要eFPGA技術(shù);另外，人工智能、安防監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等都將可以用到eFPGA。

2.4 技術(shù)難點

　　1)產(chǎn)品的可靠性。之前已經(jīng)有eFPGA相關(guān)技術(shù)，之所以沒有做成功是因為產(chǎn)品無法實現(xiàn)量產(chǎn)。如果本身的FPGA都沒有量產(chǎn)的話，做成IP的可靠性是無法保障的。

　　2)軟件技術(shù)成熟程度。因為軟件技術(shù)是在最核心的位置，你怎么支持IP技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計，另外，IP核和IP芯片是不一樣的，它的規(guī)格需要與應(yīng)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(gòu)。

　　3)產(chǎn)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(fù)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(jìn)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(shù)應(yīng)用方面，在低/中/高端產(chǎn)品方面都有相關(guān)的布局，支持整套的FPGA IP核驗證技術(shù)。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(chǎn)業(yè)生態(tài)體系

3.1 龍芯的發(fā)展

　　龍芯從2001年開始作為一個科研性的隊伍發(fā)展到現(xiàn)在，一共經(jīng)歷了三個比較大的發(fā)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(shù)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(zhuǎn)型成立公司，與市場結(jié)合，形成大、中、小三大系列CPU產(chǎn)品，主要面向安全應(yīng)用、通用計算機、嵌入式應(yīng)用三大市場方向;從2014年開始，龍芯進(jìn)入了高速發(fā)展階段，下游客戶中基于龍芯CPU的軟硬件研發(fā)人員達(dá)到上萬人，龍芯的銷售收入也連續(xù)兩年增長50%。

　　龍芯的產(chǎn)品主要基于三個產(chǎn)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(yīng)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(yīng)用的“中CPU”系列芯片，龍芯3號則是面向桌面/服務(wù)器類應(yīng)用的“大CPU”系列芯片。

3.2 建立自主的IT生態(tài)體系

　　建立自主的IT生態(tài)體系至關(guān)重要。由整個世界市場來看，對于不關(guān)注生態(tài)建設(shè)的企業(yè)，公司發(fā)展都無法得到較大的突破。

　　建立生態(tài)系統(tǒng)其實沒有想象的那么難。ARM和谷歌的CPU和OS研發(fā)人員在數(shù)百人的量級上，在應(yīng)用中形成了對產(chǎn)業(yè)深刻的、正確的理解。我國自主基礎(chǔ)軟硬件在應(yīng)用磨合中逐漸形成了對CPU和OS產(chǎn)業(yè)的正確理解，并不斷深化，完全可以在方興未艾的自主化應(yīng)用中，通過打通技術(shù)鏈，實現(xiàn)在每個局部都不如國外系統(tǒng)的情況下，做到整體性能優(yōu)于國外系統(tǒng)，走出一條“應(yīng)用牽引、系統(tǒng)優(yōu)化、軟硬結(jié)合、規(guī)范適用”的自主化道路，形成自主生態(tài)。

　　針對生態(tài)建設(shè)可以分為三個層次，即生產(chǎn)力、生產(chǎn)關(guān)系和上層建筑。

　　1)生產(chǎn)力即為技術(shù)平臺。建設(shè)自主生態(tài)的關(guān)鍵在于API(應(yīng)用編程接口)，而不是ISA(指令集)，同時，基礎(chǔ)軟硬件核心技術(shù)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(shù)鏈，形成自主技術(shù)能力。

　　2)生產(chǎn)關(guān)系是指產(chǎn)業(yè)鏈。自然生態(tài)的核心是能量的傳遞，產(chǎn)業(yè)生態(tài)的核心是價值的傳遞，龍芯公司通過軟件解決方案和產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)環(huán)境。生態(tài)是在一定環(huán)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(tài)成長的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]王瑩.龍芯：安全芯片需要真正的自主可控[J].電子產(chǎn)品世界,2015(9):17-19.

　　[2]倪光南.發(fā)展自主可控的信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)[J].電子產(chǎn)品世界,2015(10):25-26.

　　[3]王金旺.“中國芯”穩(wěn)步發(fā)展，高端芯片仍待突破[J].電子產(chǎn)品世界,2016(1):25-26.

本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第15頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。