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中国芯片突围战,是科技史上最悲壮的长征?

而据IC insights 2017年报告,全球营收前十的芯片Fabless(设计)公司中,中国占了三席:联发科、海思、紫光。其中,华为旗下的海思半导体,可谓风头最盛。当然,这份名单排除了欧美日韩那些既设计又生产的IDM企业。

终端的电脑和手机芯片,就这样对应着X86和ARM两种架构,分别诞生出Intel和高通两大芯片霸主。因为ARM的存在,高通在手机芯片领域达不到Intel在电脑芯片领域的成就,至少华为海思和台湾联发科,也都在手机芯片领域走出了自己的路。

幸好这一年,张汝京被台积电排挤到大陆,在上海张江办的中芯国际开始试产,到2003年冲到了全球第四大代工厂。

908工程尚未竣工验收,909立刻上马,国务院动用财政赤字成立了华虹。但华虹刚出点成绩,稍微有了丁点盈利时,就迎来了暴击。2001年,美国互联网泡沫破裂,芯片价格受波动暴跌,华虹巨亏。

硅提纯的时候,用的是中学生物课常用的提纯方法,旋转。成品自然是圆的,也叫“晶圆”。几何知识告诉我们,使用圆形的材料时,对材料利用率最高的做法,一定是正方形越小,边上浪费的材料就越少,这样就能降低成本。

在美国公布制裁华为消息后的5月17日凌晨,何庭波在发给海思员工的内部信里写到。这封内部信发出后,迅速引发了无数中国网友的热议。

近年来,芯片线路间距已经突破到了22nm、10nm或7nm(纳米),所以未来能缩小的空间有限。试想下1nm是什么概念,原子可以用它做单位,物理学界的名言说它是“命运”,一张纸的厚度也有100000nm。

由此可见,国内的芯片企业大多着眼于中低端产品,利润很低。尤其是近年来芯片产业迎来发展,不到十年间数量翻了三倍,可以想象有多少同质化的产品。就中低端市场而言,国内的芯片设计企业不但不缺,反而泛滥,销售难度甚于科研。

终端很好理解,比如手机里除了5G基带芯片,当然也需要一些跑AI算法的芯片当然也会需要一些:华为的AI芯片更多的是服务摄像头拍出更好的照片,苹果的AI是为了更好的图像处理效果。云端芯片也有依图、寒武纪、阿里、百度等等选手参与,一种商业模式是先找好架构,针对自身擅长的业务设计出契合的芯片,再自己使用加强自己的算法,然后对外直接输出服务而不是买芯片。

当然,赛道热领域多并不意味着谁都可以随意蹭热度。国内四大AI独角兽之一依图内部人士的看法是:算法即芯片的时代,相近的算法和应用的需求同样会导致产生相近的芯片设计。由此,也会产生竞争。

来看看芯片设计有多难。首先,企业要确定芯片种类和用途,在此基础上选用恰当的设计架构。架构这个词,非常关键,之后会大量提及;其次,要付出高昂的成本,来购买设计工具EDA软件,它可以辅助电路设计提高效率。遗憾的是,美国的三家EDA企业几乎垄断了全球EDA市场,据称华为海思每年为此付费在千万级别。

带给我们新机遇的,不单单是5G和AI时代的到来,还有摩尔定律。

AI企业在中国遍地开花。如果说AI领域要打仗,AI芯片就是军火。无数人盯上了这门生意,依图这样的AI独角兽打起了自建“军工厂”的念头,更有无数资本闻风而动想分一杯羹。值得反思的是,我们所熟悉的那套融资烧钱打消耗的互联网打法,是正确的吗,适用于芯片行业吗?

基础科学何时再次进步难以预测,但芯片性能并不仅仅取决于线路间距。以前有的选,产业界都在压缩间距,换个提升计算力的方向研究无疑是吃力不讨好。现在没得选了,间距压缩不了了,芯片性能想提升必须换方向。

中国芯片突围战,是科技史上最悲壮的长征

“我给你四亿美金每年的研发费用,给你两万人。一定要站立起来,适当减少对美国的依赖。“

2002年,风暴降临,传统介质的193光刻机走到了末路,几位继承者集体发难。光刻机生产商尼康和佳能终于烧出了一点成绩,做出了157nm干式光刻机。林本坚则出席了一场国际研讨会,抛出了自己的浸润式光刻机理论,业界一片哗然;一种13nm的紫外线光刻机EVU,也被人提出。

芯片制程曾在157nm处卡过壳,当时就有摩尔定律失效的说法。全球头部厂商砸进几十亿美金,技术提升却微乎其微。

193nm浸润式光刻机成品出现后,原先订购了157nm干式光刻机的IBM等十多个大厂纷纷退单,改旗易帜。

因此可以说,AI芯片几乎是一个另类的领域。不说是一片空白,但它至少很新,给了AI芯片从业者们“回到过去”重新竞争的机会。其中更有国家队的身影和为科技创新注入新活力的科创板问世,互联网已经诞生了无数的巨头独角兽,下一颗未来之星难保不会是芯片企业。

华为手机掌门人余承东在朋友圈转发评论说:“消费芯片一直就不是备胎,一直在做主胎使用,哪怕早期K3V2竞争力严重不足,早年华为消费者业务品牌和经营都最困难的时期,我们也始终坚持打造自己芯片的核心能力,坚持使用与培养自己的芯片。”

这两个不被看好理论,最后都和落后的ASML捆绑在一起。成品实现后,代表了其两个时期的最高水平。先做出产品的是林本坚设计出原型概念的193nm浸润式光刻机,EVU从193nm进步到13nm的步子太大,还要研究。

本来光刻机都是干式的,以空气为介质,产业界想在光刻机的“光”上做文章;林却想做浸润式的光刻机,在介质上下功夫,采用液体的水。芯片行业实行分工理念,有专门生产光刻机的企业,例如当时领先的尼康和佳能,还有落后的ASML。

早年,雷军也曾有过芯片梦,他的愿望是未来能按沙子的价格卖芯片,于是有了“澎湃芯片”系列。

等于说海思的K3V2芯片,成功拖死了华为的D系列手机,海思众人几乎心灰意冷,K3系列再无续章。

换言之,最严重的情况是,华为无法再向美国公司购买芯片等产品。

但之后这个差距被迅速拉大,并固化成了难以攻克的壁垒,原因实则很复杂:既有几段特殊的历史时期,造成的人才流失和科研阻力;也有企业界选择市场,弃研发而重进口重销售;更有学术造假和腐败问题对产业的致命打击。

不管是尝试新的线路架构,还是直接在晶体管上做文章,甚至换掉硅片的“底盘”角色,新的方向都代表着空白或浅薄,是没有技术壁垒的新机会。穷则变、变则通,况且我们一向擅长集中力量搞基建,很难想象芯片这种核心技术,我们还会再次走偏。

但这并不意味着ARM阵营的全面溃败,毕竟ARM早已被大范围授权,手机芯片不是高通一家的生意。华为,在2016年研发出了首款ARM服务器芯片;软银斥巨资收购ARM后,也表现出对中国市场和中国企业的期待,国内的芯片热潮未必不会波及服务器领域。

而这个庞大的电路,也随之被集成到了一块硅片上,它的名字叫芯片。

中兴事件和此次美国制裁华为给我们敲响的警钟,早已将芯片产业推至风口浪尖。命运的年轮带来了滔天巨浪,我们能做的,只有正视过去的长期落后和悲壮的前行之路,正视5G和AI时代下的新机遇,警钟长鸣、知耻而后勇。

直至移动互联网时代逼近,商务机和智能机横空出世,体积小巧又耗能低的ARM架构成为首选,几乎垄断了手机芯片。ARM公司并没有像Intel一样,借助架构成为垄断地位的行业霸主是因为,在上世纪末,ARM还没等到真正的春天时,为了继续活下去,决定不再自己做芯片,而是授权给其他公司,赚取授权费。

从算法步骤来看,AI芯片分为训练和推断两类。

当然,芯片除了设计、制造、还有地位略次的封装(刻蚀机)和测试两个环节。封测逐渐专业化,国内芯片企业倾向于选择大陆封测厂商,是如今的趋势。这两个环节大陆做的不错,在全球第一梯队,基本与台湾、美国三足鼎立。

但这只是硬币的A面,硬币的B 面是,落后就要挨打,而中国企业在硬件(芯片)和软件层面(操作系统)都受制于美国。

之后,两年时间海思没有再出新芯片。于是后来的D2手机也用了这款芯片,结局亦是惨淡,D3手机更是胎死腹中。

海思刚发出第一声啼哭,就被市场教育得体无完肤。

世界前十的IDM厂商中没有中国企业,因为我们基本采用着分工合作的Fabless+Foundry(设计+代工)模式。

再说点时髦的,最近AI热潮带火了AI芯片,也带火了几个比较相似的词。AI最重要的是算力,也就是处理数据的能力,早先用于AI运算的芯片一般为CPU(中央处理器)。后来人们发现GPU(图像处理器)适合并行计算,可以用来训练深度学习;再后来谷歌打造出了TPU,是一种专为机器学习量身定做的处理器;现在,又有了NPU(嵌入式神经网络处理器)这种加速AI落地的特殊芯片。

其实,中国芯并不是从一开始就远远落后的。1956年,周恩来总理亲自主持规划了四个急需发展的领域——半导体、计算机、自动化和电子学,在集体的力量下,科研成果遍地开花。1959年,世界上出现了第一块集成电路,此时中国已经弄出了晶体管,并于六年后也成功研制出了第一块集成电路。

即使EVU光刻机交付后,光刻机这样的遏住整个芯片行业喉咙的机器,也值得我们重视。没有制造生产设备和利用设备制造芯片的能力,除了烧得起钱的特殊领域,我们所探讨的一切种类的芯片设计的机会,都是无根之水。

传统的芯片企业们,强在这么多年积累下来的技术经验,强在他们设计出的芯片可以更好地找到性能、成本、功耗之间的平衡点。但这一切都基于我们前文强调的一个词,架构。

“如果他们突然断了我们的粮食,Android 系统不给我用了,芯片也不给我用了,我们是不是就傻了?”2012年,在华为“2012诺亚方舟实验室”专家座谈会上,任正非在回答时任终端OS开发部部长李金喜提问时说到。

华为海思芯片,再也不是华为手机嫌弃的对象,而是它的一张王牌。何庭波和她的海思,不仅是“工程师”,也是“攻城狮”。

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