来源:张通社 zhangtongshe.com

主笔:强亚娟

编辑:和潇然

Chiplet生逢其时,中国半导体企业如何借此破局?

“缺芯”无疑是近年来全球科技业最热的词汇。

 从去年到今年,全球汽车、智能手机、计算机、工业甚至家电行业的缺芯潮,让芯片,这个原本隐藏在手机、电脑、汽车等产品之下的部件走到了聚光灯下。

这其中,CPU作为最重要的数字芯片,被称为半导体芯片设计领域“塔尖”和“皇冠”产品,也是这场“缺芯潮”中的主角之一。

CPU即中央处理器,是计算机系统的核心和大脑。作为运算及控制中心,它向下调度硬件计算资源,向上承载软件操作系统,是信息产业和互联网的基石之一。

不过长期以来,全球CPU市场呈现寡头垄断格局,Intel和AMD几乎占据了所有市场份额,我国CPU高度依赖进口的局面至今未变。对国外处理器的过度依赖,成为我国集成电路产业发展的一大软肋,常被比拟为“缺芯少魂”。

芯片全面缺货的浪潮下,国产CPU产业是否迎来爆发机遇?又如何破解隐忧,走出一条自主可控之路?

01、史无前例的全球缺芯  国产CPU危中有机

前所未有的全球缺芯是多重因素叠加的结果。

首先是新冠疫情所导致的供需失衡。一方面,疫情期间,居家办公、在线学习、消费需求的宅经济,推动PC产业(包括台式机、笔记本电脑和平板电脑)发展。PC从CPU、内存、硬盘到电路板都对芯片存在极大需求。同时,5G和AI技术的发展,导致5G射频、PC端、指纹识别、汽车控制、传感器等各种芯片需求暴涨。由于美国制裁中国半导体公司,导致一些上游厂商赶紧向芯片厂商下订单,加大囤芯力度,以保证芯片库存,使芯片需求市场更加紧张。

另一方面是跟不上的芯片产能。制造芯片是一个涉及多工序,长耗时的复杂过程,很难在短时间内增加。而受疫情的影响,很多芯片供应商不得不降低产能或关停工厂,进一步加剧了芯片供需的失衡。

除了产能不足、上游原材料、供需两端失衡外,包括日本地震、美国德州寒潮导致工厂断电停工、印尼欧洲疫情反复、以及国际局势变化等离散因素,都使全球“缺芯潮”雪上加霜。

在这场全球“缺芯”困局背后,国产替代的呼声愈发高涨,而在缺“芯”问题中,CPU的研发成了最关键的门槛,被认为是集成电路产业中的“珠穆朗玛峰”。如果长期无法改变这种芯片依赖进口的局面,我国很难在国际竞争中取得领先地位。

随着市场需求的此消彼长,资本在集成电路产业的重心也逐渐有所转移。尤其在数字经济的大背景下,对计算性能提出爆发式需求,各种创新的计算架构层出不穷,CPU等传统芯片设计架构在应用对计算能力的需求时开始遭遇瓶颈,大量资本涌入AI芯片、GPU、NPU、DPU等高算力芯片领域,像地平线、黑芝麻、寒武纪等公司均得到了业内不少知名资本的支持。

算力架构方面,异构计算是2021年的热点赛道,在云计算、人工智能等典型应用中占比显著提高。基于GPU/FPGA/ASIC等芯片的加速平台提供了人工智能训练和推理需要的计算能力,云计算领域也尝试探索DPU的应用。

站在全球缺芯和大算力竞争的时代背景下,思考国产CPU企业是否还存在发展机遇,是关乎国产芯片生态发展的重要环节。

事实上,作为国家大宗战略产品,CPU应用面广,支撑作用强,是国家战略安全、产业安全的重要保障,也是近年来国家战略和产业政策一直聚焦的重点。“十五”期间,科技部信息产业部启动了发展国产 CPU 的“泰山计划”,为国产 CPU 的发展点燃了“星星之火”。

今年“东数西算”工程的全面启动,也带来了广阔的数据中心市场增长空间。从数据的产生到数据的传输、计算、处理,都离不开CPU处理器,为CPU的发展带来了重大的机遇。

行业数据显示,基于通用处理器的数据中心、云计算、边缘计算等新型算力网络体系,将以每年20%的速度快速增长,并覆盖金融、能源、网络通信等行业。加上国家对网络和信息安全的保障需求,我国高性能计算芯片将迎来爆发性的增长,尤其是服务处理器。

从市场端看,中国是目前全球最大CPU消费市场,计算机的用户基数十分庞大,迭代更新支撑起巨大的CPU需求。根据IDC数据,2021年中国服务器出货量为391.1万台,占全球出货量的28.9%,是全球主要的服务器市场,同比增长率达12%,超过全球增速。

在大国博弈和科技强国背景之下,自主可控已然形成共识,CPU作为数字化时代的基石,国产化之路就是自由之路。在多重因素交织下,国产CPU厂商或迎来重大发展机遇。

02、历经坎坷  国产CPU逐步走上正轨

尽管我国CPU市场主要为海外巨头占据,国内CPU厂商起步较晚且处于劣势。但十四五以来,国产CPU自主性的问题再度提上议程,产业政策不断加码。从泰山计划、863计划,到2006年“核高基”重大专项推出,加上国家集成电路产业政策和大基金投资等多重措施,国产CPU迎来了新一轮的国家支持。

经历数十年的艰辛探索后,目前国产CPU产业已初具规模,以龙芯、飞腾、鲲鹏、海光、兆芯、申威等为代表的国产CPU厂商崛起,征战四方。

龙芯中科是国内为数不多自研CPU及架构的公司。深耕CPU二十载,公司研发的“龙芯”芯片系列是我国最早研制的通用处理器系列之一,已推出龙芯1号、龙芯2号系列和龙芯3号系列产品。在产品迭代和升级层面,龙芯中科于2020年推出了自主指令系统 LoongArch(龙芯架构),发布了基于此架构的3A5000,性能大幅跨越,实现了从可用到好用。其新一代服务器处理器龙芯3C5000L3C5000系列处理器,其性能接近市场主流产品的水平。

飞腾是PK生态的主导者,由国防科技大学研究团队创造,是聚焦国家战略需求和重大项目的CPU国家队。飞腾曾先后尝试x86、Epic、SPARC、ARM四个指令集,并以SPARC开源代码为基础设计了FT-1000、FT-1000A、FT-1500等CPU。后出于生态考虑,飞腾获得了ARM指令集授权,集成全自主处理器内核,形成了覆盖桌面、服务器和嵌入式等领域的完整产品线。

海光信息是性能领先的实干者。2016年,海光信息同AMD达成合作,共同合资成立两家子公司,引入x86架构授权,转向CPU产品开发。目前海光技术已实现自主迭代, 其CPU 系列产品兼容 x86 指令集以及国际上主流操作系统和应用软件,性能优异,软硬件生态丰富,得到了国内用户的高度认可,已经广泛应用于电信、金融、互联网、交通等重要行业或领域。

兆芯是合资CPU的探路者,由上海市国资委下属企业和台湾威盛电子合资成立。公司基于x86架构,成功研发并量产多代通用CPU,形成“开先”、“开胜”两大产品系列,实现了“从双核心到八核心”、“从1.6GHz到3.0GHz”、“从处理器+芯片组方案到SoC单芯片方案”等多方面的发展与创新,具备自主演进发展的能力和条件。

鲲鹏则是快速崛起的领导者,是华为计算产业的主力芯片之一。鲲鹏CPU基于ARM V8架构,处理器核、微架构和芯片均由华为自主研发设计。市场上目前存在超过500万基于ARM指令集的安卓应用,与ARM服务器天然兼容,无需移植即可直接运行,且运行过程中无指令翻译环节,性能无损失,相比x86异构最高能够提升3倍性能。

CPU国产化大潮起,通过多年的耕耘,国产CPU厂商奋楫前行,在工艺、性能、生态建设等多个层面不断取得突破,为CPU的自主可控、安全可信构筑了堡垒。但在地缘政治及产业巨变之际,国内CPU发展的隐忧也浮出水面。

首先芯片设计上游的指令集架构、IP无疑是重中之重,是实现国产CPU自主可控的基石。目前,国内CPU厂商主要有三大路线,采用核心不同,却各有各的“难处”。一是IP内核授权,即以海光、兆芯为代表获得x86的授权。从x86内核授权来看,虽然生态完善,但存在安全可控和技术授权壁垒,比如中科天津海光自去年被美国列入实体清单后,AMD表示最新的架构将不再进行授权。二是以飞腾和华为鲲鹏为代表基于ARM指令集授权的架构,但同样存在潜在停止授权的威胁,去年ARM宣布停止向华为授权;三是以龙芯中科和申威为代表的指令集+自研的架构,自主可控程度最高,但构成生态极为困难。

其次是CPU应用中的一系列难题。无论是传统型封装、先进封装还是PCB板级,CPU在设计时都会存在信号完整性、电源完整性的问题。在CPU研发进程中,急需一种快速的方法,检查芯片设计和应用中的信号完整性、电源完整性问题,从而提高CPU芯片的设计迭代和投产效率。

此外还面临供应链安全上的挑战。CPU是美国打压中国科技发展的重点领域,目前兆芯、海光、飞腾、鲲鹏和申威五家国产CPU企业已被列入“实体清单”,在设计环节,芯片仿真设计软件的核心技术也被美国企业垄断。这对其与上游EDA厂商和下游芯片流片厂商的合作带来巨大障碍,更小线程和更先进水平的CPU设计将遇到工具瓶颈。

03、新架构“登堂入室”  国产CPU如何全方位进阶

一言以蔽之,当前国产CPU发展要并举兼顾自主可控的设计与生态的完善。

CPU作为一种特殊的芯片,要求指令集架构具有普世的通用性且能够共享生态系统。目前,国内CPU厂商已经投入在x86、ARM、POWER、MIPS等不同处理器架构的研发之中,但绝大多数指令集架构受制于国外公司,分散的态势严重制约了产业合力发展和软生态的标准化建设。

直到开放指令集架构RISC-V的出现,为我国CPU领域的技术创新带来了一个前所未有的机会。与当前市场上主流CPU架构相比,RISC-V的独特“魅力”在于它兼具开放性、先进性、简洁性、模块化、扩展性五大特点,完美契合DSA设计与应用定义芯片的要求,也没有历史包袱。任何硬件开发商或者相关组织都可以免费使用这套规范,构建 CPU 芯片产品。

其次,国产CPU IP在IP产业中超过57%,但国产率几乎为零。从市场趋势看,如今对IP的单一需求已经转换成对整体解决方案的需求,不同于传统指令集架构的高度中心化,RISC-V CPU调和了基础软件生态普世性和国产自主可控的宏观需求,足以填补CPU IP国产化的空白。

2018年7月,上海将 RISC-V 列入政府扶持对象,为国内首例。此后国内越来越多的企业用实际行动推动着RISC-V在国内的落地生根。例如芯来科技是国内首家专业RISC-V处理器IP和芯片解决方案公司,其自主研发的RISC-V处理器IP已经授权给多家知名芯片公司进行量产,实测结果更是达到了业界一流指标。

蓬勃兴起的开源RISC-V架构为我国发展主流CPU带来了机遇,但不能盲目乐观,开源芯片还处于起步阶段,仍然面临诸多难题。CPU要实现自主可控,必然会在多核设计、高速接口、先进制程与封装工艺方向演进,这其中离不开EDA(电子设计自动化)工具的辅助。

当下,国内EDA领先企业芯和半导体针对CPU应用中的封装以及PCB的SI/PI提供了完整的解决方案,其Hermes 3D、Hermes PSI可以进行信号完整性、电源完整性的分析;Metis工具可以帮助工程师进行先进封装的仿真。同时它们也都支持PCB板级的协同仿真,可以很好的从根本上解决CPU应用中的仿真难题。

瞬曜EDA作为国产EDA生力军之一,也在积极探索并攻克各类繁冗复杂的数字芯片验证挑战,加速大规模多核 CPU 设计验证。基于夯实的产品技术和客户服务经验,公司自主研发出了高速仿真器ShunSim,相较于市场主流传统仿真器,可以在RTL早期,实现高出10-100倍的仿真能力。

值得一提的是,ShunSim在最近的RISC-V实测用例中再次刷新记录,相较于传统主流软件仿真器高出近100倍仿真能力,非常适合CPU类型设计。

例如在中科院香山RISC-V项目中,ShunSim测试用例运行时间仅需要37秒,而传统仿真器则需要一小时;某头部IC设计公司的CPU测试用例运行时间更是从7天缩短到3小时。

除了速度之外,和工具配套使用的验证IP也要全面。瞬曜EDA技术团队很早就布局在AMBA、PClE及Memory等面向CPU系统通信接口协议的验证方案,亦支持包括ShunSim在内的多款软硬件仿真器之间实现跨平台复用。如此,瞬曜EDA构建整套芯片系统级验证解决方案,推动软件开发和验证的进一步左移,加速国产CPU的IP诞生。

国产CPU要填补“缺芯少魂”命门,最根本的就是走自主可控的发展道路,这不仅是CPU自身的事情,重要的是整个产业的“坚底强链”,即除了芯片设计、制造核心能力要不断加强之外,整机、软件、工具、设备、应用各个环节协同发展,持续深耕应用场景,才能形成一个产业发展的健康生态,国产CPU的成功才是水到渠成、可持续的。

破除中国“缺芯”之殇是一场漫长的持久战,如今我国芯片产业与世界一线水平仍存在着一定的差距,国内CPU厂商要在重围中杀出一条“芯”路,仍需坚持久久为功。期望在国际环境、产业政策、市场需求的联合驱动下,能看到一批走出国门、屹立世界的国产CPU企业。