从【中兴事件】看我国芯片设计的现状

4月16日美国宣布制裁制裁我国中兴通讯公司,引发全社会的关注,网友们展开了激烈的讨论:

  1. 【阴谋论主义观点】美帝亡我之心不死,不管中兴做了什么,美帝就是坏。
  2. 【乐观主义观点】美国的制裁会促进我国芯片事业的发展。制裁让我强大,应该早就制裁,那样我国早就可以达到先进水平了。
  3. 【悲观主义观点】中兴确实违规了,面临巨额罚款以及禁售,即使中兴是美国本土企业,大概也会破产。

不管怎样,这个事情让广大人民群众关注了芯片产业,这一点是好事。

我国芯片产业确实比美国落后不少,有人把这归罪于房地产,有人怪投资环境恶劣,投资人只想赚快钱投资外卖,共享单车、外卖等,甚至还被拿来讽刺茅台。这把问题简单化了,事实上芯片的落后是由多种原因造成,另外芯片本身有不同种类,不能一概而论。

IC是个庞大的产业,公司分为几大类:设计公司(设计芯片)如:高通,英特尔,三星,联发科,展讯,比特大陆等,代工厂(为设计公司加工芯片)如:英特尔,三星,台积电,中芯国际等,封装厂(提高芯片封装)如:日月光,长电科技等。还有依附于这三大类公司的无数细分企业,比如为设计公司提供EDA软件的软件公司,为代工厂提供晶圆材料、各种化学试剂的化工公司等等。本文主要讨论芯片设计公司的现状和困难。

以模拟电路为例。模拟电路的设计,是一个非常工程性的工作。这意味着刚毕业的学生需要连滚带爬积累多年经验才行。有人说模拟电路工程师需要二十年才入门。笔者采访了两位清华大学科班出身又多年从事模拟电路设计的同学,下面听听他们的说法。

  • 模拟电路的困局

LJH:“我的主要工作是PLL(锁相环)的设计,PLL是为数字或者射频前端电路提供高速时钟的(后面以LC振荡器为例介绍),是相对独立的一个模块,也是一个系统。设计时需要根据整个电路的大系统来确定自己的小系统指标,最重要的有功耗,相位噪声,面积。PLL主要由PFD,CP,LPF,VCO,DIV,LOGEN组成!其中大功耗的模块主要是VCO,DIV,LOGEN。占面积大的是CP,LPF,VCO,LOGEN!PLL的设计就是在功耗和面积上进行折衷。

CP:这个模块的指标要跟LPF一起先通过系统确定,在保证系统稳定,面积近量小的情况下确定电流值,但是为了保证该模块噪声,管子尺寸需要比较大,导致面积大,同时PVT要满足的话也是需要花很多时间去设计!

VCO:最影响性能的模块,因为频率高,要用到电感,面积自然不会小,同时功耗也不低!在满足PVT正常起振,并不是说功耗越大噪声越好,而是有个比较合理的空间,当然对于不了解设计的人可能凑合就行,那就是差距所在了!同时电感的大小又影响着面积和Q值,最终又影响着相位噪声,据我了解国内很多人都没把这些之间的关系弄明白,所以性能自然是上不去的!

LOGEN:因为不同频率有不同结构需求,面积上会差别很大,比如需要倍频就要电感面积就达很多,不过因为工作在高频,频率就自然不会少,所以需要合理值才能让功耗低!

DIV:因为要把高频分下来,所以功耗也不会低,需要低功耗结构,相对简单!”

XZK:“我负责设计射频收发机IC模块(Transceiver),就是用在手机上的发送机和接收机。射频收发机主要实现移动通信的空中接口功能,其中接收机可以将天线接收的电磁波信号经过一系列信号处理过程转变为数字信号,送给DSP或者CPU来进一步处理;而发射机可以将携带有用信息的数字信号经过一系列处理过程转变为载波信号,然后通过天线以电磁波的能量形式发送到空间中。当前高集成度收发机芯片设计面临的难点问题主要有几个方面:

一、提高集成度,尽可能多地集成片外分立元器件,同时要求集成方案要保持现有分立器件方案的性能指标,这对降低芯片模组成本有非常大的意义。举例来说,设计2G、3G或者LTE Cellular收发机,之前的模组方案都会在每个接收频段的射频输入端口加入高选择性的频带滤波器,即SAW滤波器,对于现在的多模多带收发机,一个模组就需要若干个片外SAW滤波器和Duplexer,这部分占了很大成本。而目前有SAW-less的接收机设计技术,但国内公司成熟的SAW-less收发机芯片方案很少见。

二、低功耗低成本(面积),这个问题本身可以通过工艺迭代来同步实现,利用更先进的工艺,如40nm、28nm来实现射频收发机,在有源面积和功耗方面都会更加有优势,但是先进工艺意味着更高的流片成本和失败风险,这对于国内创业型的IC设计公司来说是无力承担的,因为创业型IC公司先做出自己的产品养活自己,以及用廉价的成熟旧工艺来降低自己产品成本,这对于市场竞争来说是更有优势的,所以国内IC公司用新工艺做高端芯片的驱动力是缺乏的。

三、提高接收机的线性度(抗干扰性能),例如在LTE多模式多频带集成收发机中,发射机和接收机是同时工作的,发射机发出的载波信号会经过Duplexer或者芯片衬底耦合泄露到接收端,这个信号功率一般有-26dBm大小,这对于接收灵敏度在-100dBm左右的接收机来说是一个非常强的干扰(Blocking),会引起接收机减敏或者阻塞的发生,这就需要更先进的电路设计技术来提高接收机线性度来减小干扰的影响。高通的主要技术有Frequency Translation Impedance来实现高Q值的带通滤波功能。而这在国内成熟产品中是很少见的。

四、高质量的片上无源器件建模和定制化,对于目前应用于移动通信的收发机芯片,工作频段主要集中在4GHz以下 ,其中射频前端电路中会用到一些电感、变压器巴伦。而PDK的Foundary厂商虽然提供了一些特定的电感模型,但无法满足设计要求,这就需要设计者来用电磁场仿真软件来根据工艺自己设计和优化无源器件的特性,电磁场知识和仿真软件应用对射频芯片设计工程师来说非常重要,如何获取准确的器件模型也带来了芯片设计的难度。

五、CMOS工艺的衬底噪声耦合,对于高集成度的射频芯片,处理不同信号水平的电路模块集成到一起,而由于CMOS工艺固有的低阻抗衬底,使得片上集成的PA、PLL和数字电路等大信号或者时钟对模拟和射频接收机造成严重的衬底耦合噪声干扰。这需要射频设计工程师和版图工程师细心的处理芯片版图的布局、隔离和屏蔽等,这些都需要较长时间的经验积累。

六、有些高性能模块目前仍然无法用CMOS工艺来实现集成,而必须用GaAs、SiGe等工艺。掺杂的多少对性能有很大的影响,这就不是电路设计者一个人,甚至设计公司一家就可以搞定的了。而且这种涉及到材料的,很难从公式上推导,只能靠积累。

七、射频芯片的系统设计,这个问题主要是对射频芯片的系统设计工程师提出的。现在的射频芯片都是和数字电路、存储器、软件协议栈等集成到一起构成SOC,射频收发机本身也会有许多数字校准功能,这就要求系统设计者不光要设计收发机架构还要熟悉相关数字算法和验证的流程,对系统工程师的知识结构提出很高的要求。而这些内容在国内实验室是很难完整的学习到的。射频芯片工程师在工作也需要一直不断的学习和积累,来完整自己的知识结构和设计经验。总之芯片设计之所以难,不光有芯片系统本身的技术难点,同时对芯片工程师提出了非常高的知识结构和经验的要求,而且芯片从规划到设计验证再到流片测试,直到最终的产品量产需要非常长的周期来反馈,对工程师来说是很苦逼的一件事情。”

看到这里可能有些迷糊,也有些不以为然,芯片设计不就是PPA(功耗power,性能performance,面积area)的折中嘛!

但产品在于精益求精。北斗芯片,联发科的整个芯片功耗比国内某厂的PLL模块的功耗都低。如果你是做PLL的,要在保证性能面积的情况下把功耗降低几倍,是不是很绝望?如果你的产品功耗是别人的两倍,意味着电池寿命大大缩减,在市场上毫无竞争力。Tranceiver呢,别人把2G,3G,4G,5G不同频段的尽量共用集成到很小的面积上,而你要独立的放置面积会是别人的好几倍,在市场上是否还有竞争力?这个行业有以下特点:

  1. 工程性强,做出合格的产品需要不断地积累经验;
  2. 对工程师素质要求高,工程师要参与:产品规划确定性能指标,设计电路(模型,调参,电路图,版图,各种仿真),等待流片样品,测试样品。
  3. 产品周期长,从第2条可以看出,这个周期甚至要几年时间。
  4. 人多并不能提高生产力。一个模块一般让一个工程师负责。因为一个模块是一个完整的小系统需要通盘考虑,即使有多个工程师合作也不能明显提高生产力。

门槛高和工程性强:导致模拟电路这个行业缺乏“群众基础”。中国足球群众基础远不如乒乓球,成绩自然也是一塌糊涂。模拟芯片一个模块真正的从业者非常非常少。不像理论性强的行业,比如互联网、软件、人工智能类,看看几本编程书,阅读几个工程源码就可以去忽悠面试。谭浩强没做过项目,没写过几行代码,不是也写了《C程序设计》教材嘛。模拟芯片设计的工程性,决定了从业者真的需要做过几款产品才能入门。注意,只是入门。

人才流动性差:科班的学生以清华为例,一届学生中据说转行者一大半。没转行的一些去了甲方国企,去工业界的再有一大半搞数字电路,剩下做模拟的就更少了。模拟芯片又有很多不同模块,一个模块真正新来的接手人寥寥无几。这又导致了行业人才的流动性差,流动性差意味着僵化和待遇低估,进一步降低了吸引力。

  • 数字电路的困局

模拟电路是比较棘手,数字电路呢?

除了CPU,GPU这种高度复杂的芯片,普通的专用集成电路(ASIC)可以用EDA软件把硬件语言(Verilog/VHDL),甚至C语言直接综合出来。不就是写代码嘛,这个我们和国外应该没有劣势吧?

拿笔者熟悉的基带芯片为例,基带芯片的设计主要需要三个部门的合作:算法,ASIC,DSP。算法部门提供设计图纸,ASIC负责硬化成高效执行的电路,DSP负责完成控制芯片的软件。算法工程师需要:学习通信协议,浮点算法实现并仿真,定点化,提交算法代码和文档给ASIC和DSP的同事。ASIC部门分为设计和验证两个部分。设计者负责把算法文档用硬件语言实现。这不是简单地翻译,他们要考虑用什么架构最优,各个模块交互的接口是什么,相互依赖的模块怎么安排流水线……验证人员负责写验证平台对模块/系统进行功能验证,会不断地反馈问题给算法和ASIC设计工程师去解决。

总之,一个芯片需要多个部门的工程师通力合作,对公司管理水平要求极高。流水线上的工人容易管理,但是要提高工程师的生产效率就难多了,因为创造性的工作不是压榨劳动力就能提高生产力的!生产率的提高不但对应着芯片成本的降低,还意味着能尽快上市抢占市场。这也能解释芯片行业国企化的管理很难成功……

模拟电路对工程师个体要求高,数字电路对管理水平要求高。其实这都不是事,毕竟我们是勤劳勇敢的中国人……关键的问题还是在于市场!

  1. 先发优势明显。一款芯片,美国人垄断时卖高价,你不得不买。别人积累了高额利润搞研发。等你设计出来了,别人立刻把同款芯片价格降低到你的成本之下,同时开始卖性能更好的一款,怎么办?
  2. 下游整机厂商的不信任。工业芯片,汽车电子芯片,成本5块钱美国人卖50。你想进入这个市场,搞出来同样性能的想卖汽车厂10块钱也不可能。相对汽车整车成本,50块钱芯片的开销可以忽略不计。实践已经验证过人家的芯片20年没有问题,你一个新企业怎么保证?出现了事故或召回怎么办?国产龙芯据说最终没有被用在北斗上,万一有了问题航天系统领导可不想背锅……
  3. 一些芯片涉及到整个多个产业,是一个生态系统。比如即使你开发出来一套CPU系统,没有公司帮你开发编译器,操作系统,应用软件,就不会有消费者去用。不能指望一个IC公司,去开发操作系统、应用软件、娱乐游戏吧!生态是很难打破的,强如Intel,也没有能吃下ARM。
  • 任重而道远的“中国芯”

必须面向市场回答了为什么我们能两弹一星,搞不好芯片。低成本量产,提高良品率是世界性难题。马克斯把Xspace送上天,但解决不了特斯拉量产问题。

来做一道简单的数学题,已知一个系统价值5000元,需要用到一个元件。A工厂良品率99%卖5块钱,B工厂良品率95%卖1块钱。如果一旦这元件坏了整机报废, 整机厂会选择选择谁的芯片才能最大利益化?简单计算得到残酷的现实,B工厂哪怕免费,整机厂都不会用……这也解释了为什么我国军用芯片还可以而民用不行?军用芯片可以不计成本,可以生产100个测试选出来一个良品来使用。而民用消费电子的,良品率稍低的可能就是死亡。而且工程师绞尽脑汁做小芯片面积省下来的钱,大部分将变成了销售代理的利润……也就是上面例子中的B工厂产品经过代理卖给整机厂可能要4块钱,价格优势荡然无存……芯片代理是个医药代理一样的存在,水深得很……

国家早就意识到了芯片的重要性,进行了大量的投资。不过政府主导的往往达不到目的。一方面,IC涉及到的东西几乎方方面面,政府投入可能只及一点不计其余。另一方面,拿政府支持资金的不会有压力挖空心思提高生产率,没有市场竞争力。伟大的企业都是残酷的竞争中活下来的,一将成名万骨枯,Intel的X86几乎一统CPU的天下是市场竞争的结果。现代通信企业霸主的背后也有无数押注Wimax企业的死去。大跃进只会造成浪费,不妨踏踏实实慢慢来。摩尔定律总有尽头,而我们追赶的脚步一刻不停。

对于中兴,个人认为既然是全球化的受益者,应该合规合法遵守规矩。如果参与全球化贸易中不遵守契约精神,试问这样的企业是否值得尊重?中兴被美帝调查是从2012开始的,2016年提出和解目前仍在缓刑中……内部管理如此混乱,高管应该对此负责而不是绑架全国人民。政府要救助不妨先想想那些拿到中兴订单躺枪的中小供应商,原料已经买来了又无法继续供货可能承受很大的资金压力。

诚挚感谢LJH,XZK,LH,ZXJ等同学。

原文发布于微信公众号 - AI启蒙研究院(AIEvolve)

原文发表时间:2018-04-24

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