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阻碍中国芯的成本墙有多可怕?高通差点资金链断裂,未来会低到数万元?

光纤在线编辑部  2020-01-16 09:32:27 综合整理 文章热度:

旧年将逝,总少不了对新年的展望。当然,我们指的不是新年聚会上的客套祝福语,而是科技发展趋势。这不,保持一年一预测的阿里巴巴达摩院又发布了2020年十大科技预测,其中一条格外引人注目:2020年,芯片敏捷设计成为后摩尔时代芯片开发新模式。

这条预测之所以引人注目,缘于这样一个事实:国产芯片公司,包括华为海思、中芯国际、紫光集团等头牌企业一年的营业收入顶不上一个英特尔。对中国芯来说,改变落后局面,不仅需要大笔真金白银投入,更需要商业模式创新,以推倒芯片设计“成本墙”。



现在,芯片设计“成本墙”,已经成为影响国产芯片未来发展的重要因素。而历史证明,唯有推倒“成本墙”才能迎来行业大变局,让后来者抢到迎头赶上的机会。

01高通差点一口气接不上

在大多数人看来,芯片设计行业的专利保护是一种令人望而生畏的存在。其实,比“专利墙”更可怕的,是“成本墙”。今天的许多芯片大佬,二十多年前,都曾饱尝过芯片设计“成本墙”的碰壁之苦。1990年2月,成立不到5年的高通在CDMA上押上大部分家当,开始端起芯片设计的饭碗,组建了一支大约30人的设计队伍,进行通信芯片所有的核心设计、开发以及测试工作。当时,芯片设计的技术门槛还不高,主流的芯片还是DRAM内存,英特尔刚刚将经营重心转向CPU,486芯片推出不到一年,它仅有120万个晶体管。

但是,芯片设计的成本墙却不低,有大概数千万美元,算不上天文数字,但也足以让创业公司高通难以负担。启动芯片设计项目前,由于有AT&T、NYNEX Mobile、Ameritech Mobile、摩托罗拉、OKI电子和Pactel等六家公司承担芯片初期开发成本,高通CEO欧文.雅各布才下了进军芯片设计的决心。不过,到1991年9月,高通还是撑不住了,现金流几近枯竭,账上现金只剩12.5万美元,都不够给员工发工资。幸运的是,当年12月高通IPO成功,顺利融资6800万美元,接上了那口气,完成CDMA试验和芯片设计。撑过艰难时期的高通,成长为移动SOC芯片设计领域的头牌企业,如果它晚几十年进入这一行业,面对高耸的“成本墙”,可能会知难而退。

02中国芯难以承受之重

二十多年后,芯片设计的成本墙呈指数级攀升,一款高端SOC芯片的设计成本需要数亿美元。华为fellow艾伟曾透露,采用7nm工艺的麒麟980的研发成本超过3亿美元。3亿美元的设计成本接近中芯国际2016年全年净利润,超过了目前上市的中国半导体50强中的30家利润的总和(2016年数据),这就意味着国产芯片企业很难涉足高端芯片设计。

这也是目前仅有华为海思一家公司迈入高端芯片设计领域的原因,因为翻不过“成本墙”。

高端SOC芯片玩不起,中低端的总可以玩吧?也不容易玩!

以偏中低端的28nm工艺的SOC芯片为例,完整的EDA工具版权费超500万元人民币,购买内存控制器等外围IP的费用也超过500万元,设计人力成本支出每年1000万元,流片和封装测试费用大约1500万元,设计总成本超过3500万元人民币。

3500万元人民币也超过中国目前多数芯片公司的利润。换句话说,设计一款低端SOC芯片,对多数国产芯片公司来说,也面临巨大的风险,因为搞不好,公司就会从盈利跌入亏损。

高耸的芯片设计成本墙,正成为中国芯难以承受之重。如何压低或推倒“成本墙”?太平洋对岸的美国或许可以给出启示,因为30多年前它也曾遭遇同样难题。

03美国借MOSIS压低成本墙,成功反击日本半导体产业

上世纪80年代,美国半导体行业面临芯片设计成本重压,逼得英特尔、德州仪器、摩托罗拉、IBM等头牌企业,不得不收缩专用芯片设计生产,转向通用芯片,以摊薄研发成本。

其中,英特尔将专用芯片Intel4004改造为通用芯片,推出Intel8008和Intel8080。Intel8080虽然是具有划时代意义的第一块8位CPU,背后却是英特尔满满的成本重压下的苦涩。由于通用芯片设计成本低于专用芯片,导致专用芯片发展裹足不前,没有成为一个独立分支,等于给日本人留下一个市场空挡。

这时候,雪上加霜的是,在DRAM芯片行业,美国已经被日本全面击溃。

芯片行业这一严重状况,引起了美国军方和工业界对微电子领域的高度重视。美国决心利用自己的芯片设计优势,推进专用芯片(ASIC)的发展,以弥补和日本竞争时的工艺技术短板。1980年美国国防部在南加州大学投资建立了MOSIS(MOS Implementation System),目的就是降低专用芯片设计成本。

MOSIS 采用多品种掩膜技术模式,将几十种乃至上百种不同设计,做到同一套掩膜版上,并放到同一块晶圆上流片,大幅降低了芯片设计与流片成本。仅掩膜版这一环节,就将成本从超过5万美元降到最低400美元,降幅最高达到99.2%。同时,MOSIS又开发出SCMOS(Scalablc CMOS)工艺,它可以让同一种芯片版图采用不同工艺,为用户节省了修改芯片设计版图的费用。

MOSIS整合了全美芯片设计资源,还整合了各半导体厂家的最新工艺技术(掩膜版和流片),近 40 年来 MOSIS 为大学和研究机构流了 60000 多款芯片。这一创新模式使芯片的整个研发成本降低到了原来1/50,使美国芯片设计迎来大爆发。

MOSIS还获得意外大礼包,直接催生了新的商业模式——无晶圆厂模式(Fabless)。由于MOSIS成功压低芯片设计“成本墙”,数百家芯片设计新兴创业公司如雨后春笋冒出,集中在1985年前后创立,其中的英伟达(NVIDIA)、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)和赛灵思(Xilinx)等成为各自细分行业的领头羊。

靠着MOSIS这一创新模式,美国牢牢掌控了芯片设计制高点,最终完成对日本芯片业的防守反击,成功卫冕全球高技术领域冠军地位。

那么,对处于追赶状态的中国芯来说,该如何创新地推倒芯片设计“成本墙”呢?

04中国芯未来:像做互联网那样做芯片设计?

中国目前做的最成功的行业当属互联网,电商、网络社交、共享打车、生活服务等领域,都分别孕育出全球级巨头。在关系未来发展的全球独角兽TOP10榜单上(2018),中国的互联网公司占了5席。

要知道,中国的互联网产业二十多年前完全是美国的舶来品,起步比美国慢了至少十年,最初的商业模式也是“山寨”硅谷互联网公司,为何却能蓬勃发展为全球一支重要的行业力量?答案是,除有10亿计的庞大市场哺育、创始人锐意进取外,还有开源的软件技术支持。淘宝购物、微信、QQ聊天等我们今天离不开的互联网服务,都运行在开源系统Linux之上。

如果没有Linux,BAT等中国今天的互联网巨头,初创时将不得不从零开始造“轮子”——写系统软件,对当时技术薄弱的中国创业公司来说,这是一个不可能完成的任务。但由于有比较成熟的开源软件库的存在,中国的互联网创业公司可以从中找到合适的模块,根据自己的需要做出修改后,最快可以在一个月里搭建出一个业务原型,所需要的开发人员最少只需要3到5人。然后辅以敏捷开发——根据市场需要快速迭代,不断贴近客户需求,最终占领市场。

可以说,开源软件降低了中国互联网创业的技术门槛和创新门槛,敏捷开发缩短了产品上市周期,这是国内互联网产业在显著落后欧美的情况下,还能迎头赶上的内在原因。

中国互联网的这一模式或可移植到芯片领域:以开源芯片设计资源降低设计成本,同时以敏捷开发缩短开发周期。

目前,在最低端的180nm工艺芯片上,已经有了比较丰富的开源芯片设计资源,包括开源的 Magic(包含 Xcircuit、IRSIM、NetGen、Qrouter 和 Qflow)EDA 工具链,兼容 WISHBONE 总线协议的开源 IP 模块,以及开源工艺库供选择,并且流片费用也并不高。

总之,研制一款 180nm 工艺的芯片只需要几千美元,门槛已经低到3至5个人规模的创业公司即可实现芯片设计。

目前的问题是,中高端芯片还缺乏完整的开源芯片设计 EDA 工具链与工艺库资源,这正是国产芯片业需要努力克服的地方。

倪光南院士任理事长的中国开放指令生态(RISC-V)联盟(简称“CRVA”),在相关报告中认为,国产芯片如能利用好RISC-V的开放资源,同时芯片设计也能像软件开发一样采用敏捷设计,3至5 人的小团队在 3至4 个月内, 只需几万元便能研制出一款有市场竞争力的芯片或IP核, 那么就可以大大降低芯片开发的成本和风险,在AIOT 智慧物联网时代芯片需求放量的情况下,必将吸引众多创业者进入芯片设计领域,形成国产芯片设计的繁荣局面,有望解决中国芯“被卡脖子”的难题。

目前,芯片设计已经位于行业大变革前夜,新的转机若隐若现,多种创新尝试成为可能,国产芯片设计如能从中发掘出创新模式压低乃至推倒“成本墙”,降低创业门槛,或可复制互联网产业奇迹。
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