得芯片者得天下：中美貿易戰的“天王山之戰”

　　三、CPU——芯片之爭的勝負手

　　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、驅動(dòng)芯片、以及上述芯片組合的系統芯片(SoC：System on Chip)。其中計算和存儲芯片兩大類(lèi)約為1000億美金的銷(xiāo)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(xiàn)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、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，即數字信號處理器)。其中CPU計算芯片的核心，不僅操作系統運行在上面，而且還肩負著(zhù)整個(gè)計算體系的安全使命。過(guò)去30年，人類(lèi)經(jīng)歷了由數字化、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)所引發(fā)的三波顛覆性產(chǎn)業(yè)浪潮。依靠半導體工藝的進(jìn)步和架構的創(chuàng )新，CPU處理器性能不斷飛躍并作為用戶(hù)最友好、最通用的計算平臺，承擔了以上應用領(lǐng)域中的主要計算負載，由此成為每一波產(chǎn)業(yè)浪潮背后的關(guān)鍵推手。

　　圖4：過(guò)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(lèi)：購買(mǎi)授權、合資、自主研發(fā)。

　　第一類(lèi)采用購買(mǎi)授權：技術(shù)引進(jìn)路線(xiàn)，購買(mǎi)國外CPU的IP授權，并借助現有的生態(tài)系統開(kāi)拓市場(chǎng)。比如華為、展訊從Arm公司授權IP設計芯片。

　　華為海思基于A(yíng)rm授權，從2009年的K3到2017年的麒麟970，取得了驕人業(yè)績(jì)。但是，華為獲得的Arm指令集授權模式，但并不具備自主創(chuàng )新的能力，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。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，而被授權企業(yè)馬上面臨滅頂之災。

　　第二類(lèi)采用合資/合作：10多年前中國就開(kāi)始通過(guò)與國外公司成立合資公司方式實(shí)現技術(shù)轉移，發(fā)展本國科技產(chǎn)業(yè)。通過(guò)合資/合作讓中國相繼獲得設計高端處理器的技術(shù)能力，同時(shí)培養了一批技術(shù)人才。上海兆芯、貴州華芯通、天津海光都是屬于這一模式。在當時(shí)的歷史環(huán)境下，合資的確是有益的嘗試。不失為一個(gè)研發(fā)風(fēng)險小、市場(chǎng)推廣難度低的一時(shí)之選。但是，合資本身決定了中方難以無(wú)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(lèi)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)權的指令集、工具鏈和微架構。

　　圖6：國產(chǎn)芯片現狀

　　中國作為全球第二大的經(jīng)濟體，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構建中國計算芯片產(chǎn)業(yè)生態(tài)，逐步構建安全可控的信息技術(shù)體系。2018年初暴露出來(lái)的Meltdown、Spectre等CPU設計缺陷影響之廣、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、魏少軍在內的專(zhuān)家紛紛反思，指出中國需要實(shí)現CPU底層硬件安全的指令集和微架構這兩大關(guān)鍵技術(shù)的自主可控，依靠底層硬件和體系架構設計的自主改進(jìn)和自我完善，才能實(shí)現未來(lái)針對類(lèi)似事件的主動(dòng)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、電腦及服務(wù)器等設備。但是，PC、手機行業(yè)已經(jīng)出現飽和，不再是集成電路行業(yè)的最大成長(cháng)動(dòng)能。而人工智能、智慧駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、區塊鏈等領(lǐng)域目前尚未出現壟斷巨頭，也完全沒(méi)有形成生態(tài)系統，在這些領(lǐng)域國產(chǎn)CPU大有可為。

　　隨著(zhù)人工智能的興起，針對深度學(xué)習等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法的新型計算單元，即AI專(zhuān)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(chǎng)商在同一起跑線(xiàn)上，多家國內芯片開(kāi)發(fā)商競相發(fā)布了自己的AI處理器芯片：

　　圖7：國內已發(fā)布的AI專(zhuān)用處理器

　　但是，需要指出的是，這些深度學(xué)習的專(zhuān)用處理器，僅相當于CPU的協(xié)處理器，就像現在的音視頻處理芯片一樣，作為某一個(gè)特定的功能單元，最終大部分會(huì )被集成進(jìn)CPU主導的SoC芯片中去。最近，英偉達公司免費開(kāi)源了其深度學(xué)習處理器的設計，并與Arm公司聯(lián)手建立CPU+AI的生態(tài)系統，對國內的AI專(zhuān)用處理器公司造成了巨大的沖擊。因此，指望通過(guò)AI來(lái)打破中國計算芯片的整體落后局面并不可行。事實(shí)上，整個(gè)計算芯片進(jìn)入了CPU與GPU、專(zhuān)用處理器等其他計算單元進(jìn)行異構融合的“CPU+”時(shí)代，谷歌新任董事長(cháng)、計算機架構大師Hennessy就曾表示CPU與多種計算單元融合的異構計算架構是AI芯片的設計趨勢。因此，谷歌、蘋(píng)果、三星等都在研究新一代的CPU架構，以期更好的支持異構計算。

　　相比之下，我國在新一代異構計算領(lǐng)域卻沒(méi)有得到足夠的重視?？v觀(guān)集成電路發(fā)展史，后來(lái)者能夠居上，都是抓住技術(shù)創(chuàng )新和應用創(chuàng )新的機遇，才能最終成為偉大的公司。比方說(shuō)Arm抓住移動(dòng)終端爆發(fā)的新應用，推出符合市場(chǎng)需求的低功耗處理器，擊敗了英特爾等競爭者，牢牢占據了移動(dòng)處理器市場(chǎng)，在人工智能領(lǐng)域，英偉達利用其GPU的優(yōu)勢，在服務(wù)器側占據了大量的市場(chǎng)。在新一代CPU領(lǐng)域，RISC V的興起，在一定程度上已經(jīng)構成了對Arm的威脅。因此，中國如果超前部署，完全有機會(huì )深度影響異構計算相關(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(dòng)接受新的游戲規則，不但有可能使得現有國產(chǎn)CPU處理器廠(chǎng)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該發(fā)展自主知識產(chǎn)權的CPU芯片。時(shí)至今日，從公開(kāi)報道來(lái)看，無(wú)論是規模達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(méi)有投資過(guò)任何一家自主知識產(chǎn)權的CPU芯片公司。相反，本來(lái)面臨新技術(shù)、新市場(chǎng)嚴峻挑戰的ARM、AMD、IBM、高通等國際芯片巨頭，不斷通過(guò)合資、授權、提成、甚至組建合資基金等多種方式獲得高額天價(jià)的“補血”。不僅進(jìn)一步加強了在中國的市場(chǎng)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(chǎng)商長(cháng)期處于不公平的競爭環(huán)境。今天，狼已經(jīng)來(lái)了，中國如何應對?至少?lài)a(chǎn)CPU芯片企業(yè)當繼續努力自強!