得芯片者得天下：中美貿(mào)易戰(zhàn)的“天王山之戰(zhàn)”

　　三、CPU——芯片之爭的勝負(fù)手

　　全球芯片基本上可以分為：通訊芯片、計算和控制芯片、存儲器芯片、音視頻處理芯片、電源管理芯片、傳感器芯片、驅(qū)動芯片、以及上述芯片組合的系統(tǒng)芯片(SoC：System on Chip)。其中計算和存儲芯片兩大類約為1000億美金的銷售額。存儲芯片本身不涉及信息安全，分別被美國、日本、韓國的三星、海力士、東芝、美光、英特爾等幾家巨頭企業(yè)控制。而中國最近在存儲領(lǐng)域投入了大量的資金，有多條生產(chǎn)線即將投入生產(chǎn)。計算芯片主要包括：被英特爾和Arm壟斷的CPU(Central Processor Unit，即中央處理器);被英偉達(dá)、AMD壟斷的GPU(Graphic Processor Unit，即圖像處理器)，被德州儀器壟斷的DSP(Digital Signal Processor，即數(shù)字信號處理器)。其中CPU計算芯片的核心，不僅操作系統(tǒng)運(yùn)行在上面，而且還肩負(fù)著整個計算體系的安全使命。過去30年，人類經(jīng)歷了由數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)所引發(fā)的三波顛覆性產(chǎn)業(yè)浪潮。依靠半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和架構(gòu)的創(chuàng)新，CPU處理器性能不斷飛躍并作為用戶最友好、最通用的計算平臺，承擔(dān)了以上應(yīng)用領(lǐng)域中的主要計算負(fù)載，由此成為每一波產(chǎn)業(yè)浪潮背后的關(guān)鍵推手。

　　圖4：過去30年CPU的發(fā)展趨勢

　　目前國產(chǎn)CPU的研發(fā)方式大致可劃分為三大類：購買授權(quán)、合資、自主研發(fā)。

　　第一類采用購買授權(quán)：技術(shù)引進(jìn)路線，購買國外CPU的IP授權(quán)，并借助現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)開拓市場。比如華為、展訊從Arm公司授權(quán)IP設(shè)計芯片。

　　華為海思基于Arm授權(quán)，從2009年的K3到2017年的麒麟970，取得了驕人業(yè)績。但是，華為獲得的Arm指令集授權(quán)模式，但并不具備自主創(chuàng)新的能力，不僅許可費(fèi)高昂，而且每次授權(quán)期限僅僅4-5年，還被限定使用范圍。最關(guān)鍵的是華為面臨中興通訊同樣的風(fēng)險，一旦美國或者日本政府提出制裁，Arm將不得不停止技術(shù)支持，而被授權(quán)企業(yè)馬上面臨滅頂之災(zāi)。

　　第二類采用合資/合作：10多年前中國就開始通過與國外公司成立合資公司方式實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)移，發(fā)展本國科技產(chǎn)業(yè)。通過合資/合作讓中國相繼獲得設(shè)計高端處理器的技術(shù)能力，同時培養(yǎng)了一批技術(shù)人才。上海兆芯、貴州華芯通、天津海光都是屬于這一模式。在當(dāng)時的歷史環(huán)境下，合資的確是有益的嘗試。不失為一個研發(fā)風(fēng)險小、市場推廣難度低的一時之選。但是，合資本身決定了中方難以無法外方技術(shù)的整體框架，難以形成自主創(chuàng)新的能力。

　　圖5：與境外公司合資/合作大致情況

　　第三類采用自主創(chuàng)新，即以龍芯、申威、華夏芯為代表，自主研發(fā)完全自主知識產(chǎn)權(quán)的指令集、工具鏈和微架構(gòu)。

　　圖6：國產(chǎn)芯片現(xiàn)狀

　　中國作為全球第二大的經(jīng)濟(jì)體，完全有必要立足自主可控的指令集和高可靠性的自主微架構(gòu)構(gòu)建中國計算芯片產(chǎn)業(yè)生態(tài)，逐步構(gòu)建安全可控的信息技術(shù)體系。2018年初暴露出來的Meltdown、Spectre等CPU設(shè)計缺陷影響之廣、程度之深給中國敲響了警鐘，不僅英特爾、AMD、Arm等巨頭全部中招，而且所有合資公司或者許可這些公司CPU技術(shù)的中國芯片公司同樣受到影響。因此，包括倪光南、魏少軍在內(nèi)的專家紛紛反思，指出中國需要實現(xiàn)CPU底層硬件安全的指令集和微架構(gòu)這兩大關(guān)鍵技術(shù)的自主可控，依靠底層硬件和體系架構(gòu)設(shè)計的自主改進(jìn)和自我完善，才能實現(xiàn)未來針對類似事件的主動防御體系。

　　目前英特爾和Arm 兩家家公司的指令集體系，基本壟斷了全世界幾乎所有的智能手機(jī)、電腦及服務(wù)器等設(shè)備。但是，PC、手機(jī)行業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)飽和，不再是集成電路行業(yè)的最大成長動能。而人工智能、智慧駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、區(qū)塊鏈等領(lǐng)域目前尚未出現(xiàn)壟斷巨頭，也完全沒有形成生態(tài)系統(tǒng)，在這些領(lǐng)域國產(chǎn)CPU大有可為。

　　隨著人工智能的興起，針對深度學(xué)習(xí)等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的新型計算單元，即AI專用處理器，得到快速發(fā)展。我國在這些領(lǐng)域完全與國外芯片廠商在同一起跑線上，多家國內(nèi)芯片開發(fā)商競相發(fā)布了自己的AI處理器芯片：

　　圖7：國內(nèi)已發(fā)布的AI專用處理器

　　但是，需要指出的是，這些深度學(xué)習(xí)的專用處理器，僅相當(dāng)于CPU的協(xié)處理器，就像現(xiàn)在的音視頻處理芯片一樣，作為某一個特定的功能單元，最終大部分會被集成進(jìn)CPU主導(dǎo)的SoC芯片中去。最近，英偉達(dá)公司免費(fèi)開源了其深度學(xué)習(xí)處理器的設(shè)計，并與Arm公司聯(lián)手建立CPU+AI的生態(tài)系統(tǒng)，對國內(nèi)的AI專用處理器公司造成了巨大的沖擊。因此，指望通過AI來打破中國計算芯片的整體落后局面并不可行。事實上，整個計算芯片進(jìn)入了CPU與GPU、專用處理器等其他計算單元進(jìn)行異構(gòu)融合的“CPU+”時代，谷歌新任董事長、計算機(jī)架構(gòu)大師Hennessy就曾表示CPU與多種計算單元融合的異構(gòu)計算架構(gòu)是AI芯片的設(shè)計趨勢。因此，谷歌、蘋果、三星等都在研究新一代的CPU架構(gòu)，以期更好的支持異構(gòu)計算。

　　相比之下，我國在新一代異構(gòu)計算領(lǐng)域卻沒有得到足夠的重視?？v觀集成電路發(fā)展史，后來者能夠居上，都是抓住技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新的機(jī)遇，才能最終成為偉大的公司。比方說Arm抓住移動終端爆發(fā)的新應(yīng)用，推出符合市場需求的低功耗處理器，擊敗了英特爾等競爭者，牢牢占據(jù)了移動處理器市場，在人工智能領(lǐng)域，英偉達(dá)利用其GPU的優(yōu)勢，在服務(wù)器側(cè)占據(jù)了大量的市場。在新一代CPU領(lǐng)域，RISC V的興起，在一定程度上已經(jīng)構(gòu)成了對Arm的威脅。因此，中國如果超前部署，完全有機(jī)會深度影響異構(gòu)計算相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，在處理器產(chǎn)業(yè)的下一輪的國際競爭中，參與制定新的游戲規(guī)則，在新的跑道上成為領(lǐng)跑者。反之，如果待國際巨頭們布局完畢，我們將只能被動接受新的游戲規(guī)則，不但有可能使得現(xiàn)有國產(chǎn)CPU處理器廠商的生存環(huán)境更加艱難，而且在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方面與國際先進(jìn)水平的差距也將越拉越大，重蹈上一代CPU處理器的覆轍。

　　之前很多次，不少有識之士呼吁中國應(yīng)該發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的CPU芯片。時至今日，從公開報道來看，無論是規(guī)模達(dá)1400億的國家集成電路投資基金、或者那些熱衷引進(jìn)國際巨頭的地方集成電路基金，沒有投資過任何一家自主知識產(chǎn)權(quán)的CPU芯片公司。相反，本來面臨新技術(shù)、新市場嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的ARM、AMD、IBM、高通等國際芯片巨頭，不斷通過合資、授權(quán)、提成、甚至組建合資基金等多種方式獲得高額天價的“補(bǔ)血”。不僅進(jìn)一步加強(qiáng)了在中國的市場拓展能力，而且使得那些立志自主創(chuàng)新研發(fā)的國產(chǎn)CPU廠商長期處于不公平的競爭環(huán)境。今天，狼已經(jīng)來了，中國如何應(yīng)對?至少國產(chǎn)CPU芯片企業(yè)當(dāng)繼續(xù)努力自強(qiáng)!