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Mate40 成麒麟绝唱,光刻机进厂即遭抵押,北斗指路能否解除“芯痛”?

2020-08-30
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本文经授权转自公众号 CSDN(ID:CSDNnews)

据说mate40系列手机在华为内部所用的代号为“里程碑”,一方面这是华为对自身努力的肯定,另一方面也是Mate系列手机与海思麒麟的一次告别,从目前种种迹象来看,Mate40将是最后一款搭载麒麟高端芯片的手机了。

华为mate40系列将搭载麒麟1020处理器,这也是业内首款采用5nm工艺制程的芯片;不过遗憾的是,5nm制程的工艺目前全世界只有台积电有供货,其余厂商均没有7nm以下的成熟制造工艺,而且据悉在9月15日前的缓冲期内,台积电即使开足马力,也只能给华为供货一千万颗左右的麒麟1020芯片,用“登场即成绝唱”来形容Mate40与麒麟1020组合的悲壮一点也不为过。


而被我们寄予厚望的弘芯,最近也爆出项目停摆、资金链断裂,甚至光刻机刚一入厂即遭遇抵押的种种问题。这个总投资人民币1280亿元的芯片项目,在2018年和2019年,两度入选了湖北省重大项目,不过2020年弘芯从这个清单中被移出。


这样的现实也需要我们来好好反思,为什么在芯片领域我国的脖子被卡得如此之狠。在上世纪90年代我们的光刻机厂工程师几乎是团灭全员转型去卖早点了,因此我们在光刻领域直接消失了20年,可以说在这方面我们是自己伸脖子让别人来卡的。不过我们在EDA领域的传承一直都在,80年代末熊猫EDA的研发团队流失率其实不算高,这方面其实可以拿来好好分析一下我们到底是如何一步步落后的。而同时我们也要观察每颗螺丝钉都是自主打造的北斗导航方面,我们又做对了什么,今后又如何能在芯片方面闯出一条属于我们自己的道路呢?


信息网络的眼睛导航系统


如果说当下的世界没有了7nm芯片,那么我们将失去很多好用的手机;而如果没有了导航卫星,那我们几乎失去所有。从歼20、东风导弹到高铁、飞机乃至外卖滴滴、共享单车都离不开全球定位系统的支持。不过在北斗之前全球定位系统是一种被欧美所垄断的技术,而正是在GPS技术的加持下,美国可以随心所欲地对其他国家发起外科手术式的精确打击,而他的对手却只能如瞎子一样的乱冲乱撞。而如果没有北斗,在2008年汶川地震,所有通信、电力、交通全部切断的情况下,我们也就无从为救援队打开了生命通道。

 

不过北斗所处在的航空领域,对于40年前的中国来说,是一个比芯片还要更加艰难的方向,虽然早在1985年陈芳允院士就提出了基于两颗地球同步轨道卫星的双星定位的构想,奈何当时条件所限,没有办法验证陈院士的方案。直到4年后的1989年,双星系统模式才得到验证,理论上可以实现精度30米的定位,随着1994年北斗一号正式立项,2000年,北斗一号两颗卫星先后发射成功,主要在中国境内提供导航服务,校准精度虽然很低,但是也算是打破了美国GPS全球定位的垄断。后来为了提高精度,北斗二号正式于2004年才立项,不过根据国际电联的批复,北斗二号必须在2007年前就完成卫星发射,也就是,北斗二号的研发时间只有3年。


卫星所使用的频率段,是需要国际电联通信会议予以审核分配的,但是在电联成立之初人类发射卫星的能力还十分有限,也基本没考虑过日益增多的近地轨道卫星星座(NGSO)所可能带来的“抢频段”等资源分配问题,国际电联基本采取先到先得的方式按需分配资源,不过最近马斯克的SpaceX公司提出发射42000颗星链卫星后,近地轨道卫星的资源问题变得棘手起来。虽然在十几年前卫星频段资源没有现在这么紧迫,但是国际电联给出的最后期限也不是那么容易就能突破的。


不过就在2004年到2007年北斗二号最为关键三年中,我们也遇到了卡脖子的技术,这就是高精度原子钟。这项技术原本欧洲计划提供给我们的,最终却并未成行。不过实现了原子钟之后,北斗也成为了一个完完全全的自主制造的项目。


原子钟-全球卫星定位系统的核心


全球卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。早期,人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标,这种对卫星的几何观测能够解决用常规大地测量难以实现的远距离陆地海岛联测定位的问题。但是这种方法费时费力,不仅定位精度低,而且不能测得点位的地心坐标。


而现代全球定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR):当然由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。用户设备部分按照定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。完成精确定位。


可以看出,这一切的关键都在于卫星信号传播到用户所经历的时间的精确度,因此制造一个精确的原子钟是全球定位系统的核心技术所在,不过正如前文所讲,这项技术欧美没有向我们开放,我们只能在三年内自行研制出来一台原子钟,这个难度可想而知,不过从最终的结果来看,我们还是做到了。


2年干出来的原子钟


人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有1分钟的误差,这对日常生活是没有影响的,但是在完全依靠时间精度来进行距离定位的全球卫星定位领域这个精度就远远达不到要求了。从日轨到机械钟再到更为精确的石英钟、电子表,人类对于精确时间的追求可以说是贯穿于整个人类历史的。


而其中最为精确的原子钟的历史,可以回溯到一百年前的上世纪30年代,美国哥伦比亚大学实验室的拉比,在研究原子及其原子核的基本性质时获得了一定突破,在拉比设想的时钟里,处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场,场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近,原子从电磁场吸收的能量就会越多,并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。反馈回路可调节振动场的频率,直到所有原子均能跃迁。原子钟就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲,为此拉比获得了1944年的诺贝尔奖,后来拉比的学生拉姆齐还因大幅提高了原子钟的精度,也斩获了1989年的诺贝尔奖。不过原子钟又是一个横跨量子物理、电子电路、物理光学、几何光学等多个领域的结合体,比如这个NIST F-1原子钟,它由170个元器件组成,其中包括透镜,反射镜和激光器。位于中部的管子高1。70米,铯原子在其中上下移动,发出极为规则的时间“信号”。

想让我们在三年之内搞出这么一个高精尖的设备来,真的是不容易。


虽然在上世纪上世纪六七十年代,我国就开始了对原子钟的理论研究,但在北斗二号项目之前,还没有人真正把原子钟的理论落地到实践中。而我们在北斗的心脏模块原子钟方面被卡了脖子,也让经79岁的雷文琦和他的团队立志要自主完成原子钟的制造。不过时间的紧迫与经验的欠缺,始终是一个原子钟研发团队面前的巨大难题的难题。


不过经历了无数996乃至007的奋战之后的2006年,我国第一台星载铷原子钟一飞冲天,雷文琦团队的产品得到了实践的检测,不过整个团队来不及开个庆功宴,就全部投入到了北斗二号首发星的研发任务中了。

又经历了没白天没黑夜的8个月,2007年4月14日,首颗北斗导航卫星终于发射成功,并传回了时钟信号,北斗导航工程终于拥有了一颗完完全全的中国“心,同时也宣告我国的全球卫星定位系统,终于没有被卡脖子的地方了。也正是因为有了北斗,GPS芯片的价格才由之前的数千元,逐渐降低到现在的区几块钱,这也使导航系统得以真正的走进智能手机,走进人们的生活。


美国为何能在EDA领域全面领先


说过了北斗,我们再回过头来看看芯片,芯片产业链包括设计、制造、封装测试、组装等等方面,按照我们之前的认知,芯片领域的核心实力在于设计,因此我们在芯片设计方面投入很大,比如华为的海思、小米的澎湃。目前OPPO也有计划加入自主设计芯片的行列,可以说我国在芯片方面真的不弱,甚至海思推出的很多自主IP的芯片可能算得上是全球领先。


不过从最新披露的世界500强情况看,芯片代工厂台积电的利润率竟然达到了34%之巨,而笔者心中一直以为的奢侈品公司苹果的利润率也只有21%,其实利润率的高低,也从一个侧面说明了产业链中哪方更占优势,因此之前我们以芯片设计为切入点,其余几乎相关领域几近放弃的做法,并不算明治之举。因为我们可以从美国的做法中看到,在他们的规划中把芯片产业链看成一个整体,几乎不会割裂的去看待某一个环节。


而这点在EDA方面体现的尤为明显,EDA的产业规模并不大,2019年全世界的市场规模总计都没超过100亿美元,而在国内的规模最多也不超过20亿美元。可以说不会有哪个国内的IT巨头会看上这么一个小小的市场。不过美国对于EDA厂商的支持与倾斜可以用不遗余力来形容,而从这个点上以点带面,我们也可以看出自身的不足。


持续高额的研发投入:美国EDA的三巨头一直非常重视新技术的研发,公司成本的最大支出部分也用于产品的研发,而且光是Synopsys和Cadence这两家公司去年研发支出,加在一起都超过了20亿美元,也就是比国内整个EDA市场规模还大。 以美国公司如此巨大的研发支出规模,我国想在EDA方面实现反超其难度之大也就可想而之了。


不断推进的强强联合:EDA行业是一个典型的小而美的行业,可分为前端和后端,前端主要负责逻辑实现,后端跟工艺紧密结合,所以称EDA是芯片产业链上的皇冠,其实并不为过。

 


同时由于EDA市场容量不大,使得专注于同一方向的公司还不如合并在一起能够更加提升效率。比如Synopsys成立以来,就发起几十余项并购交易,不断寻找那些在EDA功能模块中做得比较有特色的成功企业,进行并购,从而使得自身能够覆盖整个设计流程。尤其是2002年Synopsys在美国商务部、司法部的牵线下,以8.3亿美元收购了Avanti公司,使得Synopsys成为EDA历史上第一家可以提供顶级前后端完整IC设计方案的领先EDA工具供应商,并在2008年超越Cadence成为全球最大的EDA工具厂商。而值得注意的是在此之前Avanti一直与Cadence公司深陷于专利官司之中,这场并购几乎由美国政府主导,也正是通过这样的并购,使得美国的EDA公司结束了专利内斗,迅速拓展并占领了海外市场。


持续的政策扶持与补贴:虽然美国总是指责其它国家对于国内产业进行补贴,但其实美国对自身半导体产业的扶植力度是一点也不小,先是在上世纪80年代直接出手,绞杀了日本半导体,而最近又一次将补贴投向了本国的半导体领域,推出了一项总值15亿美元的半导体(微电子)复兴计划(ERI),用以支持芯片技术的开发。


而且美国国会不但通过了ERI计划,还额外增加了投入,每年额外对ERI注资1.5亿美元。


Cadence的人工智能加EDA的项目,就是由ERI扶持而生的,据Cadence的报告称,AI在EDA的应用可以分为四个方面:数据快速提取模型;布局中的热点检测;布局和线路;仿真模型。Cadence致力于研究将机器学习应用在Virtuoso平台上,并参与了ERI中智能设计芯片项目。


自主芯片、路在何方?


其实看过了我国北斗的成功与美国芯片的成功,那么我国的自研芯片到底应该何去何从呢?


政策扶植,集中力量办大事:虽然笔者一直在金融机构工作,一直倾向于自由市场理论,不过此时我们也应该清楚的认识到美国对于我们高科技产业的限制,是一种彻头彻尾的政治干预,因此我国虽然在前一段时间出台政府对于芯片企业的税收给予了特别优惠,但是这种依靠市场自身能力的调节手段,恐怕对于目前外伤失血式的状况来讲作用有限,正是在这种特殊时期,才适合使用举国体制的打法,像造北斗那样来造芯,这才是解决问题的最佳途径。


而且值得我们注意的是,我们国内包括芯愿景、华大九天等等在内的EDA公司,其最大弱点在于没法提供芯片设计的全流程支持,究其原因还是在于研发力量的过于薄弱,因为我们国内的EDA企业全部研发人员加在一起充其量也就不到400人,连一个微信群都填不满。而三大EDA巨头光是在华的研发人员就不低于1000人,在研发实力对比悬殊的情况下,我们再让国内的EDA公司的研发力量各自为战,恐怕真的永无出头之日了,因此在这个前提下,由我国政府机构牵头将现有国内的EDA软件公司进行整合,集中力量办大事才是突破的关键。


加大开放力度,缩小技术代差:国内EDA企业还有一个问题就是与最新的工艺结合比较弱,当然在这方面三大EDA公司有天然优势,他们可以在刚刚研发5nm制程时,就与台积电达成全方位合作,方便拿到对最新工艺的全套素材,而国内EDA厂商只能在工艺开发完以后拿到部分数据,无法接触到先进工艺的核心部分,难以针对先进工艺设计改良EDA软件,这也造成与三巨头的差距越拉越大,所以我们一是要加强与台积电、三星等晶圆制造厂商的合作,紧跟最新工艺。另一方面,也要打通EDA企业与国内芯片制造厂的沟通渠道,保证整个产业链的技术水平不会落后太多。


提前布局物联网等新兴产业:根据目前最保守的估计物联网时代所带来的流量都会是互联网的30倍,其终端数量会达到互联网的100倍,如此海量的终端其实也给芯片产业带来新的机会,而且物联网终端一般对于性能要求不高,28nm甚至更低的制程也足可以满足需求,这对于我们已经停顿许久的光刻技术来说尤其是重大利好,因此针对这种新兴产业我们也要提前布局,尤其需要考虑与NB-IoT,LoRa等物联网通讯协议相结合,推出在物联网时代的爆款芯片。


步步常由逆境行,极知造物欲其成。北斗卫星这款可以实现分米、毫米级别的自主全球定位技术。让我们对于芯片产业也重能够重拾信心。相信只要给我国的芯片人以时间,那么必能补齐短板,终成大业。


本文转自公众号 CSDN(ID:CSDNnews)





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