从“芯”设计分析我国芯片产业发展面临的问题

胡春丽 新疆供销学校

2019 年5月16 日（美国当地时间2019 年5月15 日），美国总统特朗普签署行政命令宣布美国进入紧急状态，要求企业不得使用对国家安全构成风险的企业所生产的电信设备，并要求商务部与其他政府机构合作，在150 天内制定一份实施计划。行政命令引《国际紧急经济权力法》规定，赋予总统在紧急状态下实施商业管制权力。中美贸易摩擦和华为事件让半导体行业在国内得到了前所未有的审视和关注。

芯片不突破，人工智能发展就是空中楼阁，自主可控是人工智能唯一可行的路径。华为遭遇美国制裁加快推动中国芯片产业上游的设计、材料、设备的国产化进程。

芯片设计少数企业已经崭露头角，有望率先走向一线舞台。根据相关上市公司财报披露，按照营收排名，华为海思目前已在芯片设计领域排名第五，2018 年营收增速高达 34.2%，在同行中排名第一。但总体来看，设计行业的核心技术仍然在美国，2018 年美国占了全球芯片设计份额的 53%，中国占比为 11%。芯片设计有望率先突破，但未来发展面临的制约因素不可忽视。对于芯片设计来说，EDA 软件、底层架构、合作伙伴与客户是芯片设计的三大生态壁垒。

一、EDA 软件与设计制造绑定

EDA 放在最前面是因为国内无法替代，EDA 软件被禁后，设计寸步难行。EDA 软件是芯片设计最上游、最高端的产业。行业存在高度垄断，前3 家EDA 设计软件公司（Synopsys、Cadence、Mentor）为客户提供完整的前后端技术方案，垄断了全球 65%和国内 96%以上的市场份额。

EDA 软件是工业化软件，壁垒不在于软件算法、模型，而是需要与国际上的主流foundry 厂合作，让foundry 提供各种支持。这种合作的壁垒很高。因为对foundry 来说，培养新的EDA 合作伙伴，需要投入更多的资源和成本，但是更多和EDA 合作方并不能带来增量收入。另外，国内的EDA 软件研发人才少，软件开发人才大多数被互联网和金融行业吸引，导致EDA 软件研发人才严重不足。

从EDA 行业龙头发展历程看，EDA 行业是厚积薄发的生意，需要很长的前期积累。如果有新进入者首先需要经历无收入的巨额投入和有收入的亏损阶段，从企业经营的角度看，没有动力新进EDA行业，除非不能使用现有EDA 厂商的产品。

二、底层架构和操作系统绑定

处理器架构是CPU 厂商给属于同一系列的CPU 产品定的一个规范，用硬件电路实现指令集所规定的操作运算，处理器架构设计是目前芯片产业的最高层级和最重要的层级。

处理器底层架构的生态边界体现在两方面，一是技术难度高，新进入者很难做出来；二是做出来之后，没有匹配的操作系统和应用软件。因为不同的操作系统、应用软件都是建立在对应的底层处理器架构之上，现有的操作系统和应用都是建立在现有的底层架构之上。例如英特尔的CPU 和微软的windows，ARM 系列芯片和安卓系统及应用，苹果处理器与IOS 系统及应用。

底层架构方面目前主要分为两大阵营：一个是以 intel、AMD为首的复杂指令集（CISC）的架构 X86 架构， 在个人 PC 端占绝对主导；另一个是以 ARM 为首的ARM、MIPS、POWERPC、RISC-V 精简指令集 （RISC），在移动设备和物联网设备芯片中占绝对主导， 其中在手机、汽车电子及物联网等领域中具备绝对的话语权，ARM 架构芯片占手机市场份额约 90%。

现在主流处理器架构是个人PC 处理器x86 和手机处理器ARM，x86 架构被Intel 和AMD 垄断，ARM 架构被ARM 公司垄断。其他处理器设计公司想自主设计就要有授权。

假如ARM 以后不给中国华为授权IP 核，将会带来麻烦。一是当ARM 发布下一代IP 核（例如Cortex-A77、78、79）后，华为只能使用ARMV8 架构自主设计IP 核跟进，研发速度和资金投入是关键。而高通可以直接通过这个新IP 核定制高通855 之后的下一代芯片。二是当ARM 发布下一代指令集架构（例如ARMV9、V10）时，华为需要在ARMV8 的基础上自主开放出ARMV9 指令集架构，技术难度比IP 核大很多，同时华为自创的“ARMV9”生态系统需要和ARM 系统兼容。

三、需要合作伙伴生态的“陪练”

在芯片设计领域，“陪练”就是在芯片正式量产之前，有合作伙伴愿意合作，提供支持、试用，有客户愿意当芯片设计公司的“小白鼠”。

芯片的稳定性等参数需要在实际使用中检验，这一点类似动力电池，但是又比动力电池复杂，动力电池更换容易，芯片是系统的基础，更换芯片就要更换系统，推倒重来。

国产芯片之难，不仅是技术本身，更在于做出来之后，没有生态支持。首先，设计出的芯片没人敢用，这是现阶段国产芯片设计公司面临的最大问题，拥有“陪练”的生态是芯片设计公司的壁垒。因为很多问题是在应用过程中发现的，通过多次迭代才能“通畅”应用。最重要的是，现在的新进入者的第一代芯片就要与高级应用匹配、出现的问题多、难度大。其次，复杂的高等级芯片，除了终端应用客户当“小白鼠”之外，还需要中间方案解决商的支持。国产芯片缺乏工程板卡级的支持。

芯片设计在整个产业的最前端，攻克技术壁垒首当其冲，突破垄断、自主可控势在必行。国家的政策扶持、资源的合理配置、领军人物的选拔、高端人才的培养、企业的通力合作是实现《中国制造2025》目标的一剂良药。