阻礙中國芯的成本墻有多可怕?高通差點資金鏈斷裂,未來會低到數萬元?

光纖在線編輯部  2020-01-16 09:32:27  文章來源:綜合整理  版權所有,未經許可嚴禁轉載.

導讀:保持一年一預測的阿里巴巴達摩院又發布了2020年十大科技預測,其中一條格外引人注目:2020年,芯片敏捷設計成為后摩爾時代芯片開發新模式。

舊年將逝,總少不了對新年的展望。當然,我們指的不是新年聚會上的客套祝福語,而是科技發展趨勢。這不,保持一年一預測的阿里巴巴達摩院又發布了2020年十大科技預測,其中一條格外引人注目:2020年,芯片敏捷設計成為后摩爾時代芯片開發新模式。

這條預測之所以引人注目,緣于這樣一個事實:國產芯片公司,包括華為海思、中芯國際、紫光集團等頭牌企業一年的營業收入頂不上一個英特爾。對中國芯來說,改變落后局面,不僅需要大筆真金白銀投入,更需要商業模式創新,以推倒芯片設計“成本墻”。



現在,芯片設計“成本墻”,已經成為影響國產芯片未來發展的重要因素。而歷史證明,唯有推倒“成本墻”才能迎來行業大變局,讓后來者搶到迎頭趕上的機會。

01高通差點一口氣接不上

在大多數人看來,芯片設計行業的專利保護是一種令人望而生畏的存在。其實,比“專利墻”更可怕的,是“成本墻”。今天的許多芯片大佬,二十多年前,都曾飽嘗過芯片設計“成本墻”的碰壁之苦。1990年2月,成立不到5年的高通在CDMA上押上大部分家當,開始端起芯片設計的飯碗,組建了一支大約30人的設計隊伍,進行通信芯片所有的核心設計、開發以及測試工作。當時,芯片設計的技術門檻還不高,主流的芯片還是DRAM內存,英特爾剛剛將經營重心轉向CPU,486芯片推出不到一年,它僅有120萬個晶體管。

但是,芯片設計的成本墻卻不低,有大概數千萬美元,算不上天文數字,但也足以讓創業公司高通難以負擔。啟動芯片設計項目前,由于有AT&T、NYNEX Mobile、Ameritech Mobile、摩托羅拉、OKI電子和Pactel等六家公司承擔芯片初期開發成本,高通CEO歐文.雅各布才下了進軍芯片設計的決心。不過,到1991年9月,高通還是撐不住了,現金流幾近枯竭,賬上現金只剩12.5萬美元,都不夠給員工發工資。幸運的是,當年12月高通IPO成功,順利融資6800萬美元,接上了那口氣,完成CDMA試驗和芯片設計。撐過艱難時期的高通,成長為移動SOC芯片設計領域的頭牌企業,如果它晚幾十年進入這一行業,面對高聳的“成本墻”,可能會知難而退。

02中國芯難以承受之重

二十多年后,芯片設計的成本墻呈指數級攀升,一款高端SOC芯片的設計成本需要數億美元。華為fellow艾偉曾透露,采用7nm工藝的麒麟980的研發成本超過3億美元。3億美元的設計成本接近中芯國際2016年全年凈利潤,超過了目前上市的中國半導體50強中的30家利潤的總和(2016年數據),這就意味著國產芯片企業很難涉足高端芯片設計。

這也是目前僅有華為海思一家公司邁入高端芯片設計領域的原因,因為翻不過“成本墻”。

高端SOC芯片玩不起,中低端的總可以玩吧?也不容易玩!

以偏中低端的28nm工藝的SOC芯片為例,完整的EDA工具版權費超500萬元人民幣,購買內存控制器等外圍IP的費用也超過500萬元,設計人力成本支出每年1000萬元,流片和封裝測試費用大約1500萬元,設計總成本超過3500萬元人民幣。

3500萬元人民幣也超過中國目前多數芯片公司的利潤。換句話說,設計一款低端SOC芯片,對多數國產芯片公司來說,也面臨巨大的風險,因為搞不好,公司就會從盈利跌入虧損。

高聳的芯片設計成本墻,正成為中國芯難以承受之重。如何壓低或推倒“成本墻”?太平洋對岸的美國或許可以給出啟示,因為30多年前它也曾遭遇同樣難題。

03美國借MOSIS壓低成本墻,成功反擊日本半導體產業

上世紀80年代,美國半導體行業面臨芯片設計成本重壓,逼得英特爾、德州儀器、摩托羅拉、IBM等頭牌企業,不得不收縮專用芯片設計生產,轉向通用芯片,以攤薄研發成本。

其中,英特爾將專用芯片Intel4004改造為通用芯片,推出Intel8008和Intel8080。Intel8080雖然是具有劃時代意義的第一塊8位CPU,背后卻是英特爾滿滿的成本重壓下的苦澀。由于通用芯片設計成本低于專用芯片,導致專用芯片發展裹足不前,沒有成為一個獨立分支,等于給日本人留下一個市場空擋。

這時候,雪上加霜的是,在DRAM芯片行業,美國已經被日本全面擊潰。

芯片行業這一嚴重狀況,引起了美國軍方和工業界對微電子領域的高度重視。美國決心利用自己的芯片設計優勢,推進專用芯片(ASIC)的發展,以彌補和日本競爭時的工藝技術短板。1980年美國國防部在南加州大學投資建立了MOSIS(MOS Implementation System),目的就是降低專用芯片設計成本。

MOSIS 采用多品種掩膜技術模式,將幾十種乃至上百種不同設計,做到同一套掩膜版上,并放到同一塊晶圓上流片,大幅降低了芯片設計與流片成本。僅掩膜版這一環節,就將成本從超過5萬美元降到最低400美元,降幅最高達到99.2%。同時,MOSIS又開發出SCMOS(Scalablc CMOS)工藝,它可以讓同一種芯片版圖采用不同工藝,為用戶節省了修改芯片設計版圖的費用。

MOSIS整合了全美芯片設計資源,還整合了各半導體廠家的最新工藝技術(掩膜版和流片),近 40 年來 MOSIS 為大學和研究機構流了 60000 多款芯片。這一創新模式使芯片的整個研發成本降低到了原來1/50,使美國芯片設計迎來大爆發。

MOSIS還獲得意外大禮包,直接催生了新的商業模式——無晶圓廠模式(Fabless)。由于MOSIS成功壓低芯片設計“成本墻”,數百家芯片設計新興創業公司如雨后春筍冒出,集中在1985年前后創立,其中的英偉達(NVIDIA)、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)和賽靈思(Xilinx)等成為各自細分行業的領頭羊。

靠著MOSIS這一創新模式,美國牢牢掌控了芯片設計制高點,最終完成對日本芯片業的防守反擊,成功衛冕全球高技術領域冠軍地位。

那么,對處于追趕狀態的中國芯來說,該如何創新地推倒芯片設計“成本墻”呢?

04中國芯未來:像做互聯網那樣做芯片設計?

中國目前做的最成功的行業當屬互聯網,電商、網絡社交、共享打車、生活服務等領域,都分別孕育出全球級巨頭。在關系未來發展的全球獨角獸TOP10榜單上(2018),中國的互聯網公司占了5席。

要知道,中國的互聯網產業二十多年前完全是美國的舶來品,起步比美國慢了至少十年,最初的商業模式也是“山寨”硅谷互聯網公司,為何卻能蓬勃發展為全球一支重要的行業力量?答案是,除有10億計的龐大市場哺育、創始人銳意進取外,還有開源的軟件技術支持。淘寶購物、微信、QQ聊天等我們今天離不開的互聯網服務,都運行在開源系統Linux之上。

如果沒有Linux,BAT等中國今天的互聯網巨頭,初創時將不得不從零開始造“輪子”——寫系統軟件,對當時技術薄弱的中國創業公司來說,這是一個不可能完成的任務。但由于有比較成熟的開源軟件庫的存在,中國的互聯網創業公司可以從中找到合適的模塊,根據自己的需要做出修改后,最快可以在一個月里搭建出一個業務原型,所需要的開發人員最少只需要3到5人。然后輔以敏捷開發——根據市場需要快速迭代,不斷貼近客戶需求,最終占領市場。

可以說,開源軟件降低了中國互聯網創業的技術門檻和創新門檻,敏捷開發縮短了產品上市周期,這是國內互聯網產業在顯著落后歐美的情況下,還能迎頭趕上的內在原因。

中國互聯網的這一模式或可移植到芯片領域:以開源芯片設計資源降低設計成本,同時以敏捷開發縮短開發周期。

目前,在最低端的180nm工藝芯片上,已經有了比較豐富的開源芯片設計資源,包括開源的 Magic(包含 Xcircuit、IRSIM、NetGen、Qrouter 和 Qflow)EDA 工具鏈,兼容 WISHBONE 總線協議的開源 IP 模塊,以及開源工藝庫供選擇,并且流片費用也并不高。

總之,研制一款 180nm 工藝的芯片只需要幾千美元,門檻已經低到3至5個人規模的創業公司即可實現芯片設計。

目前的問題是,中高端芯片還缺乏完整的開源芯片設計 EDA 工具鏈與工藝庫資源,這正是國產芯片業需要努力克服的地方。

倪光南院士任理事長的中國開放指令生態(RISC-V)聯盟(簡稱“CRVA”),在相關報告中認為,國產芯片如能利用好RISC-V的開放資源,同時芯片設計也能像軟件開發一樣采用敏捷設計,3至5 人的小團隊在 3至4 個月內, 只需幾萬元便能研制出一款有市場競爭力的芯片或IP核, 那么就可以大大降低芯片開發的成本和風險,在AIOT 智慧物聯網時代芯片需求放量的情況下,必將吸引眾多創業者進入芯片設計領域,形成國產芯片設計的繁榮局面,有望解決中國芯“被卡脖子”的難題。

目前,芯片設計已經位于行業大變革前夜,新的轉機若隱若現,多種創新嘗試成為可能,國產芯片設計如能從中發掘出創新模式壓低乃至推倒“成本墻”,降低創業門檻,或可復制互聯網產業奇跡。
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