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中国“芯”陷入困境,破局之法在哪里?

作者:如沐春风 发布时间:2019/3/13 来源:电子发烧友 浏览量:8586 相关关键词: 5G MCU 芯片 半导体 AI 物联网 电子发烧友

           如今中国的半导体产业要想改变现状,已经很难完全靠初创企业与风险资本来追赶了,必须通过必要的产业政策来引导。借鉴中国互联网产业的成功经验,降低芯片设计的创新门槛是关键,而开源则是降低门槛的一大利器。
                                      

 2018年,中国企业遭遇芯片禁售令而陷入困境,中国半导体产业的现状再次引起各界广泛关注。如何尽快找出一条破解之道,是大家都很关心的问题。

来自互联网产业的启发

2018年4月10日,美国国会听证会上,脸书创始人马克·扎克伯格与阿拉斯加共和党参议员苏利文有这样一段对话:

苏:你不可能在中国成功,是吧?或者,你无法在那里取得过去10年所取得的成就。

扎:参议员,中国有很多强大的互联网公司。

苏:好吧,但刚才那个问题你应该回答“是”。

显然,在扎克伯格看来,中国的互联网公司在国际上是具有竞争力的。中国占据世界十大互联网公司的四席,部分业务,如移动支付也处于世界领先地位。2016年中国的移动支付金额达到了5.5万亿美元,是美国的50倍。

中国互联网公司的成功离不开背后强大的技术支持,而开源软件就是背后强大的技术支撑之一,助力了中国互联网产业的成功。这些开源软件被企业普遍使用来构建其业务系统。

开源软件,是一种源代码可以自由获取并在遵循开源协议的规定下,开发者可进行自行修改的计算机软件。

对于互联网企业而言,开源软件为它们节省大量的时间与成本。据统计,常用的开源软件已经构成了一个价值超过150亿美元的开源软件生态,成为互联网公司(尤其是初创公司)构建其业务的标配,让其可以更专注于业务创新。

有了开源软件,当人们想创办新公司时,不再需要从零开始造“轮子”,而是可以在庞大的开源软件库中寻找到合适的模块并根据需要进行合适的修改,有时三五位开发人员在几个月时间里就可以快速搭建出一个业务原型。因此,开源软件很重要的意义在于大大降低了互联网创新的门槛。

另一方面,开源软件也可以让中国的互联网产业,在软件技术方面不再面临“卡脖子”问题,从而能与硅谷几乎在同一起跑线上竞争,甚至在移动支付等领域更具竞争力。

仔细观察,开源软件解决了中国互联网产业发展过程中的两大难题,一是降低了创新的门槛,二是摆脱了技术上的受制于人。而这两个难题正是当前中国半导体产业所面临的困境。我们是否可以从中国互联网产业拥抱开源的经验中获得启发呢?

我们认为,除了国家加大对卡脖子技术的重点扶持以正面应对之外,呼吁各界在芯片领域也积极拥抱开源、参与开源芯片行动,就像曾经的互联网产业拥抱开源一样,不失为一条新的道路。

芯片资金高门槛让人追赶无望

然而,与软件领域不同,目前芯片领域的创新门槛之高、投入之大是业内公认的。

设计与制造一款芯片涉及到多个环节,每个环节都需要相当的资金与人力投入。以28nm工艺研制一款系统芯片为例,比较完整的电子设计自动化工具使用版权费超过500万元,购买内存控制器等外围IP模块(指某一方提供的可重用的逻辑单元、集成线路布局设计、器件;IP核通常已经通过了设计验证,设计人员以IP核为基础进行设计,可以缩短设计所需的周期)费用往往达到500~1000万元,流片费用根据芯片面积大小而定,但一般也会达到1000万元,封装相对便宜,大约需要50万左右。简单估算,研制这款芯片所需要的资金投入便已经超过2000万元。

另一方面,芯片的研发往往需要数十位工程师,花上一年的时间来设计与验证,仅工资开销就需要上千万元。此外,芯片设计与验证时哪怕出现一个很小的错误,都有可能导致芯片最终无法工作。不光前期的投入打水漂,开发人员还不得不再花上千万元重新流片。

芯片领域的高门槛客观上严重阻碍了创新。在互联网领域,得益于开源软件,拥有创新想法的互联网初创公司,往往只需几十万元,便可以在几个月时间里推出原型产品进行迭代优化。相比而言,芯片领域的初创公司却需要数千万的资金,而且迭代优化还要很长的时间周期,所以很难想象风险投资人愿意把钱砸给这类初创公司。

事实上,半导体、大规模集成电路发展的黄金期是上世纪六七十年代,当时芯片规模都很小、成本较低,却又具有很高的收益,吸引了美国、日本、中国台湾等大量优秀的人才投入到半导体领域创办公司,也吸引了大量资本投入到这个领域,但中国大陆错过了那个黄金时代。

经过半个世纪的发展,少数发达国家和地区通过市场机制自然地形成了技术积累与产业优势,同时构建了极高的创新门槛,不仅让后来者追赶无望,也让芯片成为他们“卡别人脖子”的利器。

如今中国的半导体产业要想改变现状,已经很难完全靠初创企业与风险资本来追赶了,必须通过必要的产业政策来引导。我认为,借鉴中国互联网产业的成功经验,降低芯片设计的创新门槛是关键,而开源则是降低门槛的一大利器。

伯克利团队的礼物

近期受到普遍关注的开放指令集RISC-V,从生态构建角度为开源芯片设计作出了积极的工作。RISC-V是由美国加州大学伯克利分校的Krste Asanovic教授与图灵奖得主David Patterson教授带领团队设计的一套开放指令集。
                          

Krste Asanovic教授与David Patterson教授

伯克利团队推出RISC-V,正是受到了开源软件的启发,但开源软件生态和处理器芯片生态的情况却大不相同。

开源软件中的不同领域,都有一套开放的标准(Standard),在这套开放的标准之下,既有开放自由的实现,也有企业私有的实现。虽然总体上私有实现的效果更优,但开放自由的社区也非常活跃。

然而,处理器芯片领域,从指令集(处理器为软件开发提供的编程接口)到处理器实现全是IntelARM这样的私有企业掌控,甚至连开放的指令集标准都没有,更不用说开源的处理器芯片设计。如果有一款开放自由的指令集,大家都可以用它来做任何事情,会怎么样呢?借鉴软件领域的发展状况,伯克利研究团队认为,指令集体系结构作为软硬件接口的一种标准,不应该像x86和ARM等指令集那样需要授权才能使用,而应该开放(Open)出来让大家自由(Free)使用,这样才能塑造芯片领域的繁荣生态。

于是,他们启动了一个项目,从零开始设计一款新的指令集,将其命名为RISC-V(读作RISC-Five),并将其彻底开放。

伯克利团队希望全世界任何公司、大学、研究机构与个人都可以开发兼容RISC-V指令集的处理器,都可以融入到基于RISC-V构建的软硬件生态系统,而不需要为指令集付一分钱。

值得一提的是,RISC-V扮演的角色是指令集标准,就如同TCP/IP定义了网络包的标准、POSIX定义了操作系统的系统调用标准。基于标准可以有开源的实现,也可以有商业版的实现。

第一版RISC-V指令集于2011年发布,经过多年的发展,如今RISC-V社区已经度过了艰难的起步阶段,正进入快速发展期,前景乐观。全世界很多企业选择从ARM转向RISC-V,全球第一大硬盘公司西部数据已经宣布,未来产品将全面使用RISC-V处理器核心,每年将达到10亿颗!

美国的DARPA(美国国防高级研究计划局)也认为,降低芯片设计门槛将会为未来芯片创新创造巨大的机会。因此,在2017年启动“电子复兴计划”(Electronic Resurgence Initiative),DARPA将开源芯片设计作为核心目标之一,每年投入超过2亿美元的经费,研究如何降低芯片设计门槛,先后资助了5个开源硬件项目(PERFECT、CRAFT、SSITH、POSH、IDEA),部分项目明确指明需要基于RISC-V指令集。DARPA认为开源芯片设计将会为2025~2030年的美国,赋予在半导体电子领域更强大的创新能力。除此之外,其他一些国家政府部门的芯片研究项目也开始选择RISC-V,比如以色列国家创新局(Israel Innovation Authority)选择基于RISC-V研制为全国企业服务的处理平台。

印度政府更是将RISC-V视为一次发展处理器的机会。他们为处理器战略项目(SHAKTI)资助9000万美元,目标是研制6款基于RISC-V指令集的开源处理器核,涵盖了32位的单核微控制器、64核64位高性能处理器和安全处理器等多个应用领域。2016年1月,印度电子信息技术部又资助了4500万美元,研制一款基于RISC-V指令集的2GHz四核处理器。在印度政府支持的另一个关于神经形态加速器(neuromorphic accelerator)项目中,也将RISC-V作为计算主核心。过去几年,印度政府资助的处理器相关项目都开始向RISC-V靠拢。

纵观国际形势,我们可以发现,当前一些低端芯片已经有比较丰富的开源芯片设计资源。例如,假设使用180nm工艺研制一款芯片,那么电子设计自动化工具链可以使用开源的工具包,IP模块可以使用开源模块,180nm的器件库也有多种开源的选择。再加上流片的成本也很便宜,所以综合起来,研制一款180nm的芯片有可能做到只需要几千美元便可以实现,门槛已经很低了。

然而,对于中高端的芯片,还缺乏类似全套的开源芯片设计工具链与器件资源。让我们畅想一下,如果全世界也拥有了价值上百亿美元的开源芯片设计所需的电子设计自动化工具链、IP模块、工艺库等,中高端芯片研制成本降低两个数量级,从数千万元降至十万元级别,那么芯片领域的创新将会像今天的互联网那样层出不穷,中国半导体产业卡脖子的问题也将会迎刃而解。

发展生态中国成立RISC-V联盟

和开源软件对于中国互联网产业的作用类似,开源芯片生态若能形成气候,则会大幅降低芯片创新门槛,将会对中国乃至全世界半导体产业产生深远的、积极的影响。

构建开源芯片生态是伟大的理想。但是,只有RISC-V又是远远不够,还需要开源的电子设计自动化工具链、IP模块、工艺库等协同合作,才能实现真正的开源芯片生态。

RISC-V虽只是星星之火,但已展露出燎原的潜力。从当前发展势头来看,RISC-V很有可能成为主宰世界的开放指令集标准。
                          

中国开放指令生态(RISC-V)联盟成立

中国的学术界与企业界也已开始积极行动。历经九个月的研讨与筹备,在网信办、工信部、中科院等多个国家部委支持和指导下,计算所联合国内约20家单位组成的中国开放指令生态(RISC-V)联盟(以下简称联盟)于2018年11月8日,在浙江乌镇举行的第五届互联网大会上正式宣布成立。联盟由倪光南院士任理事长(笔者任秘书长),旨在以RISC-V指令集为抓手,联合学术及产业界推动开源开放指令芯片及生态的健康发展。

为此,联盟制定了一个“三步走”计划,希望用10年左右的时间,到2030年逐步完成开源芯片生态的建立:第一步,为开源社区提供经过流片验证的高质量开源RISC-V核、IP核及SoC(System-on-Chip,片上系统)芯片设计方案;第二步,逐步构建一套基于开源工具链、开源IP、开源工艺库的SoC芯片设计流程,为企业提供商业版工具与IP之外的开源方案;第三步,迭代优化形成自动化的开源工具,提高设计验证效率,为大批科研机构、中小企业提供定制芯片服务,降低芯片开发门槛。

敏捷开发开启开源芯片生态大门

在美好的愿景之下,我们也要清醒地认识到开源软件在协作开发、质量控制、商业模式、生态构建等方面都经历了很多次失败的尝试与探索,才沉淀出成熟的开源软件组合。

开源芯片生态仍处于襁褓阶段,未来的发展也必然会面临很多挑战。开源芯片最大的挑战之一在于芯片开发门槛高,如果能数量级降低开发门槛(成本与周期),那就可能吸引广大的芯片开发者。芯片敏捷开发,将会是降低芯片开发门槛的关键,将成为开启开源芯片生态的钥匙。

软件开发早已采用敏捷开发模式,通过不断迭代、循序渐进的开发方法快速发布软件产品,将以往数年的开发周期大幅缩减为几个月甚至几周。然而,如今芯片的开发周期仍然需要数年,往往设计和验证工作需要花费1~2年,投片需要花费约大半年。如果流片失败,投入的时间和精力将会付之东流,风险非常大。这也导致今天基于这种模式开发的IP模块价格非常高昂,进一步又推高了芯片设计成本。

开发成本与周期正是芯片设计门槛高的主要原因。因此,芯片敏捷开发是有可能撬动上述困境的支点——如果通过敏捷开发模式将芯片设计成本降低到几十万甚至几万、开发周期降低到几个月,那么用这种方式开发的IP模块成本也将大幅下降,开发人员将更愿意开源与共享IP模块。

当芯片开发周期也能从数年缩减为几个月,那将形成一种软硬件协同的敏捷开发模式,这将颠覆现在的IT产品开发模式。如今,互联网应用开发团队一般有负责手机APP的前端工程师,与负责服务器端的后端工程师配合起来一起开发。而在未来的软硬件协同敏捷开发模式下,开发团队将包括软件端工程师与硬件端工程师——软件端通过几个月开发出新的软件功能,硬件端则用几个月很快实现出相应的加速芯片。这正是两位图灵奖得主John Hennessy与David Patterson在图灵奖演讲中所推崇的领域专用体系结构DSA(Domain-Specific Architecture)的体现。

事实上,在推广RISC-V的同时,伯克利研究团队也开放了RISC-V的系统芯片实现Rocket Chip以及面向敏捷开发的硬件设计语言Chisel,期望通过“RISC-V+Rocket+Chisel”这三驾马车推动芯片设计领域迈进敏捷开发时代,降低芯片设计门槛。

我们团队也在基于新的硬件开发语言Chisel上开展了一系列芯片敏捷开发实践,并取得了令人欣喜的效率。一个本科生的Chisel新手,可以在更短的时间内编写更少的代码,代码质量就能达到和工程师相当的水平,甚至还可以超越工程师。即使代码质量与传统开发有20%的差距,敏捷开发仍然展现了其节省人力和时间的价值——能快速构建一个可以工作的原型,对项目开展来说是非常有意义的。从这点来看,敏捷开发确实大大降低了硬件开发的门槛。

作为全世界最大的芯片用户,中国一直希望能把国产芯片产业做大做强,各方也都在努力。借鉴开源软件对于中国互联网发展的作用,也许开源芯片设计是一条值得尝试的道路。

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