中國通訊行業(yè)的“缺芯”之痛該如何拯救？如果不想讓中興“芯痛”成為整個中國芯片產(chǎn)業(yè)的長痛，在物聯(lián)網(wǎng)時代下，大力發(fā)展中國芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尤為重要。美國商務(wù)部禁止美國公司7年內(nèi)向中興通訊出售元器件、軟件和技術(shù)，讓中國通信行業(yè)首次感受到“缺芯”之痛。壞消息不止這一個。有消息稱，英國政府建議本國通訊企業(yè)減少向中國企業(yè)購買通訊設(shè)備。在此背景下，國內(nèi)圍繞芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多評論。人們對國內(nèi)芯片行業(yè)目前發(fā)展的程度也有很多不同角度的看法。本文將以系統(tǒng)介紹芯片種類、芯片設(shè)計的全生命周期以及芯片制造的成本為切入點(diǎn)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，針對目前中興“芯”痛、通信芯片巨頭高通擬收購恩智浦這兩個熱點(diǎn)事件，對中國芯片產(chǎn)業(yè)提出一些自己的思考。

芯片的種類

        芯片是一個很廣泛的概念，涉及到不同的行業(yè)和應(yīng)用。為了讓讀者對中國芯片產(chǎn)業(yè)有一個全局的認(rèn)知，這里先向讀者介紹芯片的種類。芯片分門別類，有大有小。歸納起來，大體可以分為4類：

        01、計算芯片

        計算芯片種類大致分為通用計算類芯片CPU，信號處理芯片DSP，圖形計算芯片GPU和其他特殊計算加速芯片，比如比特大陸的比特幣礦機(jī)ASIC芯片，又或者人工智能加速芯片等。通用CPU又根據(jù)指令集分為3個分支：

        x86系列，即Intel/AMD系列芯片，多用于個人電腦和服務(wù)器領(lǐng)域。

        ARM系列，多用于嵌入設(shè)備，如手機(jī)、智能終端等低功耗設(shè)備。實(shí)際上，越來越多的嵌入設(shè)備使用ARM架構(gòu)，ARM系列芯片被認(rèn)為是最適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的一種芯片架構(gòu)。需要指出的是，ARM公司本身不銷售芯片，而是采用2種IP授權(quán)的方式對外輸出，像蘋果、三星和高通的手機(jī)CPU都是兼容ARM指令集的非公版設(shè)計，其芯片本身結(jié)構(gòu)完全自主研發(fā)。據(jù)報道，華為麒麟970芯片的CPU核則是采用了ARM的公版IP授權(quán)模式，這樣的IP授權(quán)選擇更有利于time to market，不過在設(shè)計所有度上沒有非公版設(shè)計全面。

        MIPS系列，我國自主研發(fā)的CPU多采用MIPS架構(gòu)。

總體而言，我國在通用CPU和GPU以及最新的AI芯片上已有布局，并非一無所有。比如，通過對著名英國Fabless設(shè)計商 Imagination Technology的收購，中國已經(jīng)獲得PowerVR系列，MIPS系列以及通信Ensigma系列等多種IP內(nèi)核。遺憾在于，MIPS架構(gòu)由于缺乏軟件生態(tài)，其應(yīng)用領(lǐng)域較為狹窄。在AI芯片上，我國像海思、寒武紀(jì)等許多IC設(shè)計廠商相繼投入AI芯片設(shè)計，說明新一輪基于物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的硬件研發(fā)已經(jīng)在我國啟動。

        02、存儲芯片

        存儲芯片種類繁多，三星是此類芯片設(shè)計和制造垂直產(chǎn)業(yè)的一個典型代表。我國企業(yè)在存儲芯片上還有待提高。

        03、傳感器感知芯片

        在萬物互聯(lián)的大趨勢下，傳感器芯片負(fù)責(zé)把物理世界各態(tài)接入互聯(lián)網(wǎng)電子信息系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)的入口。傳感器芯片可以按照感知類別大致分為四類：運(yùn)動感測組合傳感器芯片、環(huán)境感測組合傳感器芯片、光學(xué)感測組合傳感器芯片、其他傳感器（詳見下圖）

        在國外，綜合傳感器巨頭供應(yīng)商有博世Bosch、意法半導(dǎo)體STMicroelectronics、恩智浦NXP和霍尼韋爾Honeywell，當(dāng)然還包括傳統(tǒng)圖像傳感器巨頭索尼Sony等。從市場數(shù)據(jù)來看，2015年中國傳感器市場約為106億美元，到2019年估計為137億美元，其中，國內(nèi)傳感器廠商市場占有率僅為13%，其中又多以模組廠商為主。

        就當(dāng)前來看，我國芯片企業(yè)在傳感器領(lǐng)域雖有涉及但都比較渺小，唯有MEMS麥克風(fēng)領(lǐng)域的歌爾股份技術(shù)水平較為領(lǐng)先，并以此成為蘋果iPhone的供應(yīng)商。

        04、通信芯片

        在物聯(lián)網(wǎng)場景下，通信芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過無線或有線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。中興就是以提供無線通信為主要業(yè)務(wù)的通信設(shè)備商企業(yè)。通信設(shè)備商企業(yè)又因業(yè)務(wù)分為基站方和終端方，比如高通主營業(yè)務(wù)在終端，基站涉及較少，而中興華為則是同時涉及基站和終端業(yè)務(wù)。由于通信芯片涉及RF射頻、IF中頻、ADC/DAC、基帶、電源管理等多個細(xì)分領(lǐng)域的專業(yè)芯片類型，而針對此次中興被美國制裁事件的相關(guān)報告已有很多，筆者在此就不一一展開介紹了。需要指出的是，雖然在特定的具體局部環(huán)節(jié)上，某類芯片的供給因?yàn)榱计仿省⑿阅?、穩(wěn)定性等多方面原因還依賴于外國供應(yīng)商，但從總體而言，我國企業(yè)在通信芯片領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，這可以從5G標(biāo)準(zhǔn)得出結(jié)論—— 當(dāng)企業(yè)已經(jīng)深入?yún)⑴c到頂級行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，那么它的水平不可能差。另一個有趣的現(xiàn)象是根據(jù)Gartner的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在我國企業(yè)2017年芯片采購中，中興公司的芯片采購量不在前十大排名中，由此可見并不十分依賴進(jìn)口，這也可能就是為什么在4月16日中興被制裁的消息傳出后，美國股市當(dāng)日的ADI、TI等股票并沒有受到影響而大幅下跌，以高通為例，4月16日美股收盤，高通股票僅下跌1.72%。

        那為什么中興稱此次禁售或使企業(yè)進(jìn)入休克狀態(tài)呢？這里需要注意的是禁售的具體內(nèi)容：美國商務(wù)部宣布將禁止美國公司向中興通訊銷售任何零部件、商品、軟件和技術(shù)。筆者認(rèn)為，中興的軟肋，乃至中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的真正軟肋不是芯片元器件本身，而是芯片設(shè)計制造過程中的EDA軟件授權(quán)。下面結(jié)合芯片的全生命周期流程來作個詳細(xì)闡述。

芯片設(shè)計

        芯片從設(shè)計到制造，涉及的步驟異常復(fù)雜而專業(yè)。其中，芯片的設(shè)計流程分為正向設(shè)計和反向設(shè)計2種流程。反向設(shè)計流程的初衷是用于檢查別家公司是否抄襲，但后來被小公司使用作為一種節(jié)省研發(fā)經(jīng)費(fèi)、快速復(fù)制別家芯片的一種方案。鑒于此設(shè)計流程違反知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)原則，本文只對正向設(shè)計流程予以介紹。

        下面以通信芯片的正向設(shè)計流程為例。因?yàn)橥ㄐ判酒婕盎旌闲盘栐O(shè)計，設(shè)計流程具有廣泛代表性。

芯片設(shè)計流程

        通信芯片的設(shè)計流程主要包括下述四個主要步驟：

        01、系統(tǒng)架構(gòu)和算法設(shè)計。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計主要確定芯片的整體框架和結(jié)構(gòu)。這里用到的軟件主要有微軟的Office套件如Word、Excel等，還有微軟Visio等一些畫圖軟件用來描述系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計思想。軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計還會涉及UML等專業(yè)圖形表述語言。需要說明的是，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計還包括系統(tǒng)級的算法設(shè)計。這里還分成軟件和硬件設(shè)計，以上流程圖重點(diǎn)針對硬件設(shè)計。

        02、系統(tǒng)行為仿真。在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，當(dāng)選定架構(gòu)以后，就需要對其設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)級仿真以確保所設(shè)計系統(tǒng)在性能上達(dá)到產(chǎn)品規(guī)劃中的KPM指標(biāo)。這里所涉及到的軟件主要是Mathworks的Matlab和Simulink系列，Python語言因?yàn)槠溟_源和免費(fèi)的特點(diǎn)也越來越受到歡迎。像Matlab和Python這樣的腳本語言往往只是用于前期的方案可行性分析，性能仿真則用到C/C++語言以及搭建在Linux上的服務(wù)器集群。

        03、規(guī)格制定。在系統(tǒng)仿真完成，其系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期之后，芯片系統(tǒng)工程師起草規(guī)格文檔用來具體描述相關(guān)芯片模塊的具體性能參數(shù)指標(biāo)。芯片模塊又細(xì)分為模擬和數(shù)字2個部分。根據(jù)芯片類別不同，有的芯片只含有數(shù)字電路部分，而有的芯片則更偏向于模擬電路。

        04、模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計。在片上系統(tǒng)（System On Chip）設(shè)計指導(dǎo)思想下，通信芯片同時含有模擬和數(shù)字電路設(shè)計部分，英文專業(yè)術(shù)語叫Integrated Circuit Design（IC電路設(shè)計）。從以上流程圖可以看到，規(guī)格制定以后的所有環(huán)節(jié)都屬于IC電路設(shè)計范疇。此設(shè)計環(huán)節(jié)用到的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件統(tǒng)稱為Electronics Design Automation(EDA)。從這個環(huán)節(jié)開始，芯片設(shè)計開始與EDA軟件強(qiáng)耦合，可以不夸張的說，沒有EDA軟件，芯片就無法完成設(shè)計。不過，EDA軟件不同于互聯(lián)網(wǎng)軟件棧，所有軟件都是以閉源形式在Linux服務(wù)器上部署，授權(quán)用戶以遠(yuǎn)程登陸的方式在服務(wù)器上完成芯片設(shè)計流程，這種使用和部署環(huán)境使得盜版EDA軟件都難尋蹤跡。讓人遺憾的是，芯片設(shè)計重度依賴EDA軟件，而中國的EDA軟件供應(yīng)商極度匱乏