芯片设计和设备才是半导体产业短板

原创 铁君 2022-12-01 07:03


一直以来,网络上有一种声音,认为中国芯片设计能力可以与欧美比肩,但制造能力不行,所以被卡脖子。把当下某些品牌芯片“绝版”的责任推给芯片制造企业。

事实上,中国芯片制造能力在全球来看属于较强水平,从市场份额来看,中芯国际的市场份额已经可以和联电扳扳手腕,中芯国际与华力微电子的市场份额之和与三星相当,超过了GF。

就技术水平而言,中芯国际的12/14nm工艺已经成熟,N+2工艺(相当于台积电7nm)在2021年就曾经给矿机芯片代工,现在主要的问题是良品率偏低和成本偏高,相信通过几年的产能爬坡和良率提升,良率和成本将不在是问题。

从技术水平和市场份额上看,中国芯片制造能力不仅不弱,反而挺强,除了台积电高高在上,在技术上与三星有一定距离,从技术上和市场份额上超越垂暮的GF只是时间问题。即便是现在的水平,中芯国际也是全球名列第五。

相比之下,中国IC设计公司则缺乏像中芯国际、华力微电子这样的龙头企业。

以在中美贸易摩擦前常年位居中国大陆IC设计企业排行榜榜首的H为例,虽然在商业上非常成功,但在设计上依赖ARM授权,在制造上依赖台积电工艺。

由于其CPU核、GPU核高度依赖ARM授权,H从K3到QL990,在十多年里,QL芯片的CPU核、GPU核全部从ARM等外商购买,属于重复引进,反复引进,其手机芯片基本不具备独立实现CPU、GPU技术迭代的能力。H做的事情是把买来的GPU、GPU核“组装起来”,类似于搭建乐高积木。在遭遇制裁之后,既失去了ARM授权,又失去了台积电工艺,QL芯片随即“绝版”。

2022年,H推出了桌面级ARM CPU盘古900。由于只能基于ARM已经授权,且在市场中缺乏竞争力的老旧CPU核设计SoC,加上只能使用境内12/14nm工艺,盘古900的单核性能是QL9006C的50%左右(QL9006C的指令集、微结构均从ARM购买),单核性能倒退到2015年的QL950水平。

有人说,性能倒退是工艺问题。但事实上,根本原因还是H设计能力不行。

举例来说,龙芯3A5000使用与盘古900同等级的工艺,但龙芯的IPC比盘古900高了50%,主频高了35%,龙芯采用自主指令集,自主设计CPU,而盘古900则依赖ARM授权。

请注意,从今往后,在CPU领域,自主技术性能优于ARM这种引进技术会成为常态,千万不要有奴才心态,先入为主的认为自主技术不行。

龙芯3A6000则在使用与3A5000同等工艺的情况下,把CPU性能提升40%至60%。

这并非孤立,在3A3000与3A4000时代,两款同样采用28nm工艺,3A4000的性能相对于3A3000提升了80%。

更有趣的是,龙芯3B1500采用32nm,龙芯3A2000采用40nm,在工艺倒退的情况下,龙芯对CPU核进行了升级,CPU性能反而提升了50%。

这才是真正掌握了核心技术,具备CPU核心设计能力。

相比之下,那些离开了ARM最新IP授权,离开了台积电尖端工艺,性能就大幅下滑的CPU,其设计团队到底掌握了多少能力,是值得商榷的。

也许这时候有人会那厂商自我标榜的kp920,鼓吹H具备类似苹果的独立设计能力。

事实上,一款CPU横空出世是违背事物发展规律的,苹果公司也是一开始在ARM公版上改了好几代,多代迭代之后,才走上自主设计道路,英特尔、AMD、IBM、ARM都是如此。最近几年RISC-V兴起,各家的RISC-V处理器也不存在一步登天的情况,也是多代演进。

至于kp920这种横空出世的CPU(之前的1610/1612/1616是a57,a72,是arm在迭代),其CPU核到底是100%自己写,还是站在巨人肩膀上,就是一个迷了。

另外,如果真正吃透了KP920的源代码,在川普下令制裁台积电断供后,H完全可以换套工艺到境内流片。

在台积电断供的时候,H依然可以在境内晶圆厂流片,虽然采用5/7nm工艺芯片渠道破灭,但成熟工艺流片渠道并不受影响。

时至今日28nm工艺依然不受限,在美国2022年10月修改出口管制规定前,14nm也不受限制,只卡台积电5/7nm,10月美国修订规定后,美国只限制14nm以下工艺,20/22/28nm工艺根本不受限制。

换工艺对于任何一家有能力的IC设计公司而已,并非难事。IBM的Power8最早是SOI工艺的,国内引进的Poewr8就是基于SOI工艺,但IBM把工艺切换到Finfet工艺并没费多少力气。

类似的,龙芯3A2000用的是境内40nm工艺,3A3000用的是ST 28nm工艺,龙芯切换工艺只用了1年。

从3A4000到3A5000,龙芯指令集和制造工艺都换了,CPU核也进行了改动,也就用了2年时间。

就3A5000而言,有两个流片渠道,A渠道主频是2.3G至2.5G,B渠道是2.5G至2.7G,龙芯从A渠道切到B渠道,也只用了不到1年。

在2020年,中芯国际就为H代工14nm的QL710A,这说明14nm工艺流片渠道在2020年是没有问题的。

如果H真正吃透了核心技术,或者有忧患意识做境内工艺备份,切换到境内工艺,至少2年前就可以量产境内工艺版本的KP920,无非是工艺从7nm倒退到14nm,主频会低一些,IPC不会损失多少。这个性能比2022年才问世的盘古900强太多。

再退一步说,即便14nm工艺受限,但28nm工艺未受美国限制,一直可以正常流片,完全可以把工艺切换到28nm。

别抨击28nm工艺不行,7nm的KP920,单核性能与英特尔32nm的SNB都有差距,只要自己能力过硬,完全可以用28nm工艺达到英特尔SNB的水平。

如果真正掌握核心技术,H完全可以学龙芯,彻底抛弃ARM指令集,直接更换自主指令集,改KP920的CPU核,用境内工艺,H的人力资源是龙芯的数倍,龙芯只用了2年时间,以狼性著称的H,拥有数十倍的资金和人力,1年多时间足够干成了。

对于这种现象,合理的解释是国产ARM芯片,很多东西是ARM已经帮国内厂商做好了的,由于长期都是ARM做的,国内企业没有这方面的经验和能力,因而当国际形式风云突变后,自己单干顶不上去。

具体来说,7nm 和 16nm 有很多不一样的地方,不能把 7nm 的设计直接放到16nm 里面去用,从架构到设计都不一样,唯有重新优化。而这就是国内ARM CPU公司在换工艺时踌躇不前的原因。

从实践上看,国内一些ARM CPU失去了台积电工艺后,一方面能够用境内工艺量产D2000、盘古900这样IPC与A72相当的CPU(A72就是ARM针对14/16nm工艺设计的),但却无法用境内14nm工艺量产那些ARM针对5/7nm工艺设计的CPU,大概率是因为改不动。

因而苦等境内工艺突破5/7nm,否则只会在PPT上迭代CPU,而且某司是用PPT迭代了3代CPU,或者用自媒体小道消息鼓吹下一代产品如何牛逼,这种现象非常耐人寻味。

可以说,制造被卡是表象,根子是国产arm设计能力不行,高度依赖arm授权和制造工艺提升性能,脱离了arm和台积电,就原形毕露了。

另外,不仅仅是CPU,即便是不依赖尖端工艺的芯片,国内企业同样被外商压着打。

德州仪器、ADI、Skywoks、Qorvo、博通、英飞凌、恩智浦、ST等公司的模拟芯片制造工艺大部分都在14nm以上,从工艺上看,是不存在卡脖子的。国内市场被外商垄断,根本还是国内的IC设计公司水平不行。

半导体设备也是不亚于设计的短板行业,中国半导体设备厂商在国内市场仅占17.2%的市场,近83%左右的市场,全部被国外的设备所占据,这还是这几年因中美贸易摩擦下对本土厂商有一定政策倾斜的结果。

放眼全球,中国半导体设备厂商的市场份额仅为5.2%。就技术水平来说,中国设备商与国外寡头差距明显,上海微电子商业量产的光刻机只能加工90nm芯片,与ASML差距在10年以上。在刻蚀设备、离子注入设备、薄膜设备等方面,国内企业与应用材料、泛林、东京电子等国际大厂均存在一定差距。

总之,当下中国半导体产业最大的短板是设计和设备,然后是原材料,芯片制造反而是发展的比较好的。

至于某大佬说“我们能设计,但造不出来”,这纯粹是文过饰非了,无非是以前沸腾体调子太高,现在被揭穿皇帝新衣,不好下台,找个借口把责任归咎于芯片制造企业,保持企业的光环和形象而已。

企业为了营造品牌形象信口雌黄也就罢了,麻烦的是很多不明真相的网友还真信了,以为中国芯片设计能力已经很美国差不多了......这就夜郎自大了。

伟人说,战略上藐视,战术上重视。

如今,一些公司是反着来的,一方面各种叫嚣,不惧制裁,另一方面,在核心技术上不愿意另起炉灶,独立自主,始终站在洋人地基上造房子,ARM遵守美国禁令制裁后,依然死抱ARM大腿。这种做法最终只会自食恶果。

铁流断言,中国CPU的未来属于最红最革命的团队,那些跟在洋人身后吃土,在洋人地基上造房子的团队虽然前期可以靠“洋爹”逞凶,但最终会沦落到只能靠政商关系混饭吃,被人民群众和市场抛弃。


铁君 集成电路 人工智能
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