如何拯救中国通信行业“核心缺失”的痛苦?

美国商务部(Department of Commerce)已禁止美国公司在7年内向中兴销售组件、软件和技术,这让中国电信业首次感受到“核心短缺”的痛苦。

这不是唯一的坏消息。

消息人士称,英国政府建议其通信企业减少从中国企业购买通信设备。

在这种背景下,人们对中国芯片半导体产业的发展提出了许多意见。

人们对国内芯片产业目前的发展水平也有许多不同的看法。

本文将以系统介绍芯片类型、芯片设计的整个生命周期和芯片制造成本为出发点,结合物联网的发展,针对中兴通讯“核心”痛苦和通信芯片巨头高通公司计划收购恩智浦两大热点问题,提出对中国芯片产业的一些思考。

芯片型芯片是一个非常宽泛的概念,涉及不同的行业和应用。

为了让读者对中国芯片产业有一个大致的了解,这里首先向读者介绍芯片的类型。

有不同类型的芯片,大的和小的。

总而言之,它大致可以分为四种类型:1 .计算芯片的类型大致分为通用计算芯片中央处理器、信号处理芯片数字信号处理器、图形计算芯片图形处理器和其他专用计算加速芯片,如比特币王国的比特币矿山专用集成电路芯片(Bitcoin Mine ASIC chip)或人工智能加速芯片等。

通用处理器根据指令集分为三个分支:x86系列,即英特尔/AMD系列芯片,主要用于个人电脑和服务器。

ARM系列,主要用于嵌入式设备,如手机、智能终端等低功耗设备。

事实上,越来越多的嵌入式设备使用ARM架构。ARM系列芯片被认为是最适合物联网设备的芯片架构。

需要指出的是,ARM不销售芯片,但对外输出使用两种知识产权授权方法。例如,苹果、三星和高通的手机中央处理器都是与ARM指令集兼容的非公开版本,芯片本身完全独立开发。

据报道,华为麒麟970芯片的中央处理器核心采用了ARM的公共知识产权授权模式。这种知识产权授权选择更有利于时间市场,但在设计的各个方面没有针对非公开版本的全面设计。

MIPS系列,我国自主开发的中央处理器大多采用MIPS体系结构。

X86系列,即英特尔/AMD系列芯片,主要用于个人电脑和服务器。

ARM系列,主要用于嵌入式设备,如手机、智能终端等低功耗设备。

事实上,越来越多的嵌入式设备使用ARM架构。ARM系列芯片被认为是最适合物联网设备的芯片架构。

需要指出的是,ARM不销售芯片,但对外输出使用两种知识产权授权方法。例如,苹果、三星和高通的手机中央处理器都是与ARM指令集兼容的非公开版本,芯片本身完全独立开发。

据报道,华为麒麟970芯片的中央处理器核心采用了ARM的公共知识产权授权模式。这种知识产权授权选择更有利于时间市场,但在设计的各个方面没有针对非公开版本的全面设计。

MIPS系列,我国自主开发的中央处理器大多采用MIPS体系结构。

总体而言,我国在通用CPU和GPU以及最新的AI芯片上已有布局,并非一无所有。总的来说,我国已经有了通用处理器和图形处理器以及最新的人工智能芯片的布局,并非没有一切。

例如,通过收购英国著名无晶圆厂设计师ImaginationTechnology,中国获得了PowerVR系列、MIPS系列和communication Ensigma系列等多种知识产权核心。

不幸的是,MIPS体系结构缺乏软件生态,其应用领域相对狭窄。

在人工智能芯片上,中国许多集成电路设计制造商,如海斯和寒武纪,相继投资人工智能芯片设计,标志着基于物联网边缘计算的新一轮硬件研发在中国已经开始。

2.内存芯片有很多种。三星是设计和制造这种芯片的垂直行业的典型代表。

中国企业仍需要改进内存芯片。

3.在万物互联的大趋势下,传感器芯片负责将物理世界的所有状态连接到互联网电子信息系统,是物联网的入口。

传感器芯片根据感知类别大致可分为四类:运动传感组合传感器芯片、环境传感组合传感器芯片、光学传感组合传感器芯片等传感器(详见下图)。

在国外,集成传感器巨头供应商包括博世、意法半导体的意法半导体、恩智浦和霍尼韦尔,当然还有传统图像传感器巨头索尼。

根据市场数据,中国传感器市场估计2015年为106亿美元,2019年为137亿美元,其中国内传感器制造商的市场份额仅为13%,大部分是模块制造商。

目前,虽然中国的芯片公司涉足传感器领域,但规模都相对较小。只有戈尔在微机电麦克风领域的技术水平比较先进,已经成为苹果手机的供应商。

4.通信芯片在物联网场景中,通信芯片负责通过无线或有线方式将数据连接到互联网。

中兴通讯是一家通信设备公司,其主要业务是提供无线通信。

通信设备公司也因其业务而分为基站和终端。例如,高通的主要业务是终端,涉及的基站较少,而中兴华为则同时涉及基站和终端服务。

由于通信芯片涉及射频、中频中频、模数转换器、基带、电源管理等多个子行业的专业芯片类型,美国对中兴通讯的制裁已经有很多相关报道,所以笔者在此不再一一介绍。

需要指出的是,虽然某些类型芯片的供应由于产量、性能和特定本地环节的稳定性等各种原因依赖于国外供应商,但总体而言,中国企业在通信芯片领域已经达到国际领先水平,这可以从5G标准中得出结论——当企业深入参与顶级行业标准的制定时,其水平不会差。

另一个有趣的现象是,根据高德纳(Gartner)的统计,中兴通讯的芯片购买量不在2017年中国企业芯片购买量前十名之列,由此表明中兴通讯并不十分依赖进口。这也可能是为什么ADI、TI和美国股市的其他股票没有受到影响,并在中兴通讯4月16日宣布制裁消息的同一天大幅下跌的原因。例如,高通公司在4月16日仅关闭了1.72%。

那么中兴通讯为什么声称销售禁令还是对企业的冲击?这里需要关注的是禁令的具体内容:美国商务部宣布将禁止美国公司向中兴通讯出售任何零部件、商品、软件和技术。

作者认为,中兴通讯的弱点,甚至中国半导体行业的真正弱点,不是芯片组件本身,而是芯片设计和制造过程中的电子设计自动化软件授权。

以下是芯片整个生命周期过程的详细描述。

芯片设计的整个生命周期包括从设计到制造的极其复杂和专业的步骤。

其中,芯片的设计流程分为正向设计和逆向设计。

逆向设计过程的初衷是检查其他公司是否复制,但后来被小公司用作节省研发资金和快速复制其他芯片的方案。

由于这种设计过程违反了知识产权保护原则,本文只介绍了正向设计过程。

下面是一个通信芯片正向设计流程的例子。

由于通信芯片涉及混合信号设计,设计过程具有广泛的代表性。

从上图可以看出,通信芯片的设计流程主要包括以下四个主要步骤:1 .系统架构和算法设计。

系统架构设计主要决定了芯片的总体框架和结构。

这里使用的软件主要包括微软办公套件(如Word和Excel),以及一些绘图软件(如微软Visio)来描述系统架构设计思想。

软件系统架构设计还将涉及UML和其他专业图形表达语言。

应当注意,系统架构设计还包括系统级算法设计。

这里也分为软件设计和硬件设计,以上流程图重点介绍硬件设计。

2.系统行为模拟。

在硬件系统设计中,选择体系结构时,需要对其设计进行系统级仿真,以确保设计系统的性能达到产品规划中的KPM指标。

这里涉及的软件主要是Mathworks的Matlab和Simulink系列。Python语言因其开源和免费特性而变得越来越流行。

脚本语言(如Matlab和Python)通常只用于对以前的方案进行可行性分析,而性能模拟则使用构建在Linux上的C/C++语言和服务器集群。

3.规格配方。

系统仿真完成,系统性能指标达到预期后,芯片系统工程师起草一份规范文件,具体描述相关芯片模块的具体性能参数指标。

芯片模块分为模拟部分和数字部分。

根据不同类型的芯片,一些芯片只包含数字电路,而另一些芯片更喜欢模拟电路。

4.模拟电路和数字电路的设计。

在系统芯片设计(SystemOnChip design)的指导下,通信芯片包含模拟和数字电路设计两部分,英文技术术语称为集成电路设计(IntegratedCircuitDesign)(集成电路设计)。

从以上流程图可以看出,规范制定后的所有环节都属于集成电路设计的范畴。

在这个设计阶段使用的计算机辅助设计软件统称为电子设计自动化(EDA)。

从这个环节开始,芯片设计开始与电子设计自动化软件紧密结合。毫不夸张地说,没有电子设计自动化软件,芯片无法完成设计。

然而,电子设计自动化软件不同于互联网软件堆栈。所有软件都以封闭源代码模式部署在Linux服务器上。授权用户以远程登录模式在服务器上完成芯片设计过程。这种使用和部署环境使得很难找到盗版电子设计自动化软件的痕迹。

遗憾的是,芯片设计严重依赖电子设计自动化软件,而中国的电子设计自动化软件供应商极其匮乏。

从上图中HGData收集的数据中,我们可以看到全球EDA软件供应商名单中没有一家中国供应商。

假设上述EDA供应商终止软件授权和技术支持,任何国内芯片设计者都将停止。

在集成电路设计的实际使用中,EDA软件被Cadence、Synopsys和MentorGraphics垄断。这三家公司一直是电子设计自动化行业的前三名,占整个电子设计自动化行业总收入的70%。应该注意的是,上述三家公司都是美国公司(注:门拓已被西门子收购)。

因此,电子设计自动化软件是当前中国芯片产业的技术壁垒。

解构芯片的成本需要解释。从芯片制造成本也可以看出电子设计自动化软件在芯片设计中的重要性。让我们看看芯片的成本构成。

除硬件制造成本外,芯片还包括专利许可成本、开发工具成本和人工成本中的软成本。

软成本是芯片成本的主要来源,电子设计自动化软件成本是开发工具成本的主要组成部分。

然而,EDA软件收费模式不是一次性买断,而是软件即服务收费模式。

以下是一些典型的充电场景:1 .根据功能模块充电。

报价每年收取一次。每一个功能模块的报价都是几十万美元,费用是叠加在一起的。

参考上面显示的芯片设计流程图,芯片从数字/模拟电路模块的设计开始,使用几十或几百种EDA软件的功能,因此芯片设计者每年花费数百万甚至数千万美元购买软件许可费是正常的。

2、根据部署工具对计算机资源进行收费。

一些电子设计自动化工具根据部署工具的计算机资源收费,也就是说,他们使用的用户越多,他们收取的服务器集群就越多。

在许多情况下,为了降低成本,芯片设计者将专门为电子设计自动化工具(EDA tools)建立信息技术团队,在现有的电子设计自动化软件协议下,尽可能在企业内部动态分配登录帐户和计算资源。

3.技术支持。

EDA归根结底是一种计算机软件,但软件会有一系列问题,如需要维护的bug。

对于任何芯片企业来说,硬件错误的代价都是巨大的,但是EDA软件承载着芯片流传输前的仿真和验证等关键步骤。因此,由于EDA软件本身的缺陷,芯片硬件错误不能由企业承担。

为了防止此类事件的发生,芯片设计者通常愿意支付额外的技术支持费用,以确保问题得到及时有效的解决。

如上所述,电子设计自动化工具的购买和维护成本是芯片制造商不可避免的巨额费用,也是中国芯片制造商不可避免的瓶颈。

也许这才是中兴真正的“核心痛苦”。

思考中兴的“核心痛”如果中兴的“核心痛”不是成为整个中国芯片产业的长期痛,那么在物联网时代大力发展中国芯片半导体产业就显得尤为重要。

有两个原因:1 .在物联网时代,芯片市场拥有巨大的容量。

据国际数据中心称,到2020年,全球物联网市场的规模将从2014年的6558亿美元增至1.7万亿美元(CARG17%)。

中国物联网产业规模已从2009年的1700亿元跃升至2016年的9300亿元,预计2020年将超过1.5万亿元。

预计2022年全球物联网终端总数将达到193.1亿台。当物联网成熟时,其产业链中的硬件感知层将占整个物联网价值链的30%,芯片供应商和硬件模块供应商分别占10%和20%。

2.芯片产业涉及国家安全。

芯片行业对国家安全的重要性可以从该行业最近的并购中看出:2017年9月13日,美国总统特朗普以国家安全为由,禁止中资的加拿大半导体公司(CanyonBridgeCapitalPartnersLLC)收购美国FPGA芯片公司LatticeSemiconductorCorp。

2018年3月12日,美国总统特朗普以国家安全为由拒绝新加坡半导体巨头博通以1170亿美元收购高通。

2017年9月13日,美国总统特朗普以国家安全为由,禁止中国投资的剑桥资本伙伴有限责任公司(CanyonBridgeCapitalPartnersLLC)收购美国FPGA芯片公司LatticeSemiconductorCorp。

2018年3月12日,美国总统特朗普以国家安全为由拒绝新加坡半导体巨头博通以1170亿美元收购高通。

结合中兴事件,再次说明为了确保国家安全和全球芯片市场的竞争力,芯片行业必须立足于“自主知识产权”的发展道路,期望通过并购获得技术已不再可行。

除了大力推动中国芯片产业自身的有机发展,我们还应该密切关注全球芯片产业的竞争平衡,因为芯片产业是一个“赢家通吃”和“大鱼吃小鱼”的高科技壁垒产业。

这在物联网时代尤为明显。

物联网时代,节点设备的高集成度、高编码、高智能化将成为技术发展的总趋势。

具体分为:(1)多个传感器芯片的融合;(2)传感器芯片、计算处理芯片和人工智能芯片的融合;(3)传感器芯片和通信芯片的融合。

因此,作者认为高通公司最近在荷兰收购恩智浦的提议应该引起更多关注。

恩智浦在传感器芯片领域已经在消费电子、汽车电子、工业电子和医疗电子领域取得了成就。

同时,恩智浦在电源管理和射频业务方面拥有相当大的实力,尤其是在汽车电子领域,其60千兆赫雷达收发器系统是汽车自动数据采集系统的关键组成部分。

恩智浦还是金融集成电路芯片和NFC近场通信芯片的技术垄断者。

高通在通信芯片领域的技术实力不言而喻,“高通税”(Qualcomm Tax)一词的发明就足够了。

目前,高通已经拥有高度集成的SoC系统级解决方案。

高通公司于4月11日发布了新的10纳米SoC芯片QCS605系列。它实现了图形处理器、中央处理器、数字信号处理器、人工智能、无线网络、蓝牙、全球定位系统、互联网服务提供商、音频编解码器和快速充电技术中的所有一种。

不难预测高通和恩智浦的合并将会给高通在物联网时代带来巨大的技术优势,因为合并可以使高通实现上述物联网高度集成的SoC。

这会影响全球半导体芯片行业的竞争平衡吗?让我们拭目以待。

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