蘋果公司軟件工程高級副總裁克雷格·費代裏吉在美國加州丘珀蒂諾介紹蘋果自研M1 晶片

    “無論從國家競爭力、國家安全、經濟發展等哪一方面看，建立自主的行業標準和自主的強大生態都具有重大的戰略意義。”

《環球》雜志記者/胡艷芬

　　從市場規模來講，中國的確是晶片大國。美國積體電路研究公司（IC Insights）的數據顯示，2020年全球晶片市場規模為3957億美元，中國大陸市場佔36.24%，是全球最大的晶片市場。但作為晶片進口大國，中國還沒有自己的高端晶片生態係統。

　　“未來全球晶片行業的競爭，將主要圍繞生態係統展開，只有控制了生態，也才能有話語權和發展權。”中國工程院院士、微電子技術專家吳漢明如是説。

　　作為一個普通消費者，我們為什麼要關心“晶片生態係統”？手機控的你，是否能透過手機的外表看到它的內“芯”？比如你正在蘋果手機上瀏覽這篇文章，瀏覽軟件使用的是蘋果iOS作業系統，而iOS就運作在蘋果自研A係列晶片上。你不一定知道，無論晶片如何升級換代，其內核都是ARM的晶片架構，是基于ARM指令集研發的晶片。搭載安卓係統的手機也一樣，它們內“芯”的內核，都是ARM的指令集。

　　不光終端産品，從軟件設計公司、晶片測試封裝公司到晶片設計公司等等，都依附在ARM構建的生態係統上。指令集是一切晶片生態的核心，而中國的晶片行業很大程度上就建立在他國的“核心”之上，這就是中國晶片“缺芯少魂”、被“卡脖子”的主要原因。

　　中國正處在全面建設社會主義現代化國家的征程中。“無論從國家競爭力、國家安全、經濟發展等哪一方面看，建立自主的行業標準和自主的強大生態都具有重大的戰略意義。”吳漢明説。

壟斷世界的“晶片”生態

　　晶片的生態係統由晶片的底層架構提供者、晶片的設計者、晶片的應用開發者、晶片的周邊環境4個部分組成，其中晶片的底層架構（指令集、工具鏈和微架構）位于晶片“食物鏈”的最頂端。據統計，全球只有ARM等少數幾家底層架構供應商，它們的下遊是數千家晶片設計公司。

　　除英特爾等個別公司外，絕大部分晶片設計公司都要獲得上述幾家公司的授權進行底層架構設計來開發晶片；數量更多的軟件、硬體廠商基于不同晶片，開發軟件和硬體等終端應用；微軟、新思、臺積電等為晶片廠商提供設計、開發和代工生産的外部環境。

　　雖然晶片的種類非常多，但處于核心地位、被人們稱之為“大腦”晶片的CPU（中央處理器），卻由全球兩大生態係統，或者兩大指令集架構壟斷：一個是把持了桌面和伺服器市場的英特爾X86，另外一個就是雄霸手機市場的ARM。其他高端晶片，如GPU（圖形處理器）、DSP（數字信號處理器）等，也已經形成由英偉達、TI等少數巨頭把控的生態勢力范圍。

　　全球最大的晶片生態是ARM生態，據統計，僅在2020年第四季度，全球基于ARM底層架構的晶片出貨量就達到了創紀錄的67億顆，迄今累計出貨達1800億顆，比全球基于其他指令集架構的晶片之和還要多。全球基于ARM架構設計晶片的巨頭包括蘋果、高通、三星、華為、聯發科、德州儀器和恩智浦等。全球第一顆5奈米制程工藝的晶片是臺積電為華為代工生産的基于ARM架構的麒麟9000，當蘋果基于ARM設計Mac電腦晶片時，微軟主動為蘋果電腦適配作業系統。微軟、臺積電等為ARM生態的發展壯大提供了良好的外部環境。

　　如果説設計一個創新的高端晶片是“蜀道難”，那麼構建一個創新的生態就是“難于上青天”。

　　華夏芯（北京）通用處理器有限公司（以下簡稱華夏芯）董事長李科奕表示，設計一套創新的且有商業價值的指令集需要考慮前瞻性、完備性、相容性、擴展性，以及工具鏈支援，用戶的商業驅動性，等等。一般完成一個可商業化的指令集設計的投入在數十億元人民幣。但更大的挑戰在于構建生態，構建生態的投入通常是設計指令集的指數倍數，因為這其中包括了設計晶片、開發各種硬體和應用軟件的投入，以及移植作業系統和適配生産工藝的投入，這些投入要麼是由下遊廠商承擔要麼就是由自己承擔。

　　生態意味著要有數量龐大的“食物鏈”下遊依附者以及穩定的外部環境參與者。傳統構建生態的模式主要有兩種。

　　一種是以X86為代表的以自建為主的模式。英特爾包攬了從底層架構到設計，再到工具鏈的開發，甚至生産工藝，並通過與微軟的合作，鼓勵第三方硬體開發者（如聯想）在X86平臺上開發終端産品，以及軟件開發者在微軟的平臺上開發應用軟件。這種模式的缺點是自研投入巨大，優點是銷售規模很大，英特爾的年銷售規模高達700億美元。

　　另一種是以ARM為代表的合作共建模式。ARM只提供底層架構，收取授權和許可費用，其他全部由第三方開發。這種模式的優點是自研投入較小，缺點是銷售規模也小，ARM的年銷售規模不到20億美元。

中國走到機遇窗口

　　“過去很長一段時間，中國高端晶片廠商對于自主生態的構建基本上認為是可望不可即的。首先是指令集等底層架構領域的研發實力薄弱，人才儲備不夠；其次是傳統高端晶片領域的生態已經形成壟斷；另外，外部環境相對友好，大家對美國的‘尖牙利齒’體會不深。基于ARM的授權或者與X86廠商合資，也都可以順利開展自己的産業布局。”李科奕如此分析。該公司目前已擁有自研的統一指令集架構。

　　“AI（人工智慧）和5G時代開啟了新的生態或者説多生態並存的局面，這也是國産晶片廠商的發展機遇。”吳漢明告訴《環球》雜志記者，當市場沒有壟斷生態，技術、創新和應用成為決定因素的時候，其他企業就有了打破天花板的可能。今天，人工智慧、5G、邊緣計算等新興應用領域要求各種類型的處理器整合在一起並高效協同工作。這些應用領域，一方面對新的處理器架構提出了強烈的需求；另一方面，像物聯網、無人駕駛、機器視覺等應用場景還沒有出現壟斷者。機會面前人每人平均等，這些重大技術革新給國産晶片産業帶來絕佳機遇，有可能成功打造國産晶片的全新生態。

　　國家信息化專家咨詢委員會原常務副主任周宏仁表示，作為具有萬億級市場規模的物聯網行業上游，晶片産業的技術突破關係著眾多傳統産業的智能化革新之路，自主晶片面臨巨大的需求，前景廣闊，預計2026年中國物聯網晶片需求將達到1360億元。

　　一邊是巨頭繼續壟斷著全球高端晶片生態係統，一邊是中國市場對自主晶片的巨大渴求，那麼，中國晶片行業是否已經開始搭建自己的生態係統呢？

　　吳漢明説，就晶片設計領域而言，中國有望出現兩類生態係統。

　　一是接軌國際主流生態係統的國內子係統。譬如華為和飛騰接軌于ARM生態係統，北京君正和阿裏平頭哥等企業接軌了RISC-V生態係統。這些企業通過架構授權或利用開源架構，打造出了一係列的産品，並已形成一定規模的産業鏈。

　　二是完全獨立自主的生態係統。譬如龍芯和華夏芯正在努力通過自主設計的指令集，建立完善和強大的全自主生態。其中，華夏芯設計了一套自主的統一指令集，形成CPU、DSP、GPU和AI等異構計算平臺，正在為異構計算打造全自主的生態。

　　據了解，目前華夏芯在異構計算領域已走在了國際前緣，業界將華夏芯的指令集架構Unity與英特爾的OneAPI對標。“兩者都是為了簡化編程環境，但實現方式和代價有顯著的區別：OneAPI是面向不同體係架構的統一編程環境，Unity是面向不同微架構的統一體係架構和統一編程環境；OneAPI需要一個新的語言（Data Parallel C++）來編程，而且目前只支援這一種語言，Unity支援常用的編程語言；OneAPI在整合多個獨立工具鏈的基礎上加了一層，其開發投入巨大，而Unity本身是一個工具鏈，比OneAPI簡單很多，開發成本也相應低很多。”李科奕分析認為，華夏芯的技術路線還是有明顯優勢的。

“芯”聲，為生態而發

　　打造國産晶片生態係統是個異常龐大的工程，就像重建一個以“靈魂樹”為生態核心的潘多拉星球（源自科幻電影《阿凡達》），用統一的“語言”溝通生態鏈上的所有環節，可以提高運作效率，實現良性共生。而共建這個係統，也需要多方發聲，共同出力。

　　“建設自主生態係統，需要發揮舉國體制優勢，在新型社會主義市場環境下統一協調發展，研發出自主的核心技術，打造出完善的專利庫，開發出自己的IP（智慧財産權）。”吳漢明説，他已經看到了一個好的開端，今年1月28日，工信部發布公告稱，有關單位提出申請籌建一個全國積體電路標準化技術委員會，以建構一個明確的積體電路標準體係框架，以産業鏈為基礎，涵蓋産業上游的材料和設備，制造過程中的“設計、流片、封測”，以及産品配套應用等領域。

　　“在打造中國自主晶片生態係統上，政府需扮演教練員的角色，定政策、搭平臺、育人才、給市場。2020年8月4日，國務院發布《新時期促進積體電路産業和軟件産業高品質發展若幹政策》，給積體電路産業提供了全面的政策支援。另外，建議政府為自主晶片生態係統提供市場應用與試錯機會，在新基建領域優先支援和鼓勵採用基于自主架構的全國産晶片。”周宏仁説，自主晶片生態係統的打造必然要經歷一個從無到有、從弱到強的過程，即使政府提供了“試驗田”給自主晶片生態係統試錯應用，過程中也一定會出現各種問題，這就需要自主晶片廠商扮演好運動員的角色，勇于直面殘酷的競爭，抓創新、練內功，堅持自主創新提升産品性能，力爭在全面建設社會主義現代化國家征程中構建國産自主、面向全球市場的計算生態。

　　吳漢明總結道，“建設自主生態係統，既要有與國際生態接軌的係統（‘外迴圈’），更要有完全自主的生態係統（‘內迴圈’）。中國積體電路産業打造自主生態係統，面臨的挑戰極為嚴峻。但只要依循‘內迴圈’結合‘外迴圈’的發展路線，堅持全球化發展，‘卡脖子’的問題就都能得到解決。”

來源：2021年3月10日出版的《環球》雜志 第5期

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