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中美芯片之争的胜负手——CPU

2018年04月20日 18:41:33 中国传动网

美国商务部在 4 月 16 日宣布,将禁止美国公司向中兴通讯销售零部件、商品、软件和技术 7 年,直到 2025年3月13日。中兴通讯从美国进口的关键零配件将就是半导体芯片。中美贸易战正酣,而美国政府在这个时候以极其荒谬的借口,对中兴通讯发出出口限制禁止令,很难不让人怀疑这是美国政府在向中方施压。

一、半导体——对华贸易战中的下一张牌

长期以来,美国一直对中国半导体产业的发展十分警惕。美国商务部对中国有严格的芯片及相关技术的出口禁令。2017年1月6日,时任美国总统奥巴马的“科技顾问委员会”在白宫网站上发布了题为《确保美国半导体长期领导地位》的报告(以下简称《报告》):“本报告的核心在于,只有通过在尖端科技的持续创新,才能减缓中国半导体带来的威胁并能促进美国经济的发展。报告中的《影响中国行为》的部分,明确提出要联合其盟友,加强全球出口控制和内部投资安全。

此次“301调查”中主要指控中国的四项问题:强制性的技术转移、歧视性的许可要求、国家资金扶持海外并购和非法商业黑客行为,第一、二、三项中美方所举的案例也主要涉及中国半导体行业。而且特朗普要求美国有关部门加强对中国在美国投资高科技企业的限制,亲自阻止了与中国相关的基金公司收购美国FPGA公司莱迪思(Lattice),基本上关闭了中国收购任何美国半导体企业的大门。最近欧、美、日联手组成的“新贸易联盟”所提出的中国“不公平贸易”的两大借口:一是国家补贴和政府资助,二是要求外国公司转让关键技术,其所针对的目标也主要是中国的半导体行业。

2017年全球集成电路市场规模达3400亿美元,其中54%的芯片都出口到中国。商务部2017年5月发布的《关于中美经贸关系的研究报告》显示,美国出口的芯片有15%销往中国。根据Statista的统计数据,2017年美国向中国出口了价值60亿美金的芯片,排在飞机、大豆和汽车之后,位列第四。但是,美国还有相当一部分的半导体芯片是通过美国公司的海外分支机构(在新加坡、香港等地注册的公司、甚至是其在中国的合资或者生子公司)向中国销售的。根据芯谋研究统计,基于美国十三家半导体领军企业公开的年报,其在中国的销售额之和达709.7 亿美元。由此可见,芯片是美国对华贸易的隐形冠军。即使这样,特朗普仍在施压要求中国购买美国更多的芯片。同时通过各种政策红利加强美国的半导体产业的优势,并取得了不错的成效,例如最近促使博通回流美国、台积电在美国设立全球最先进的半导体代工厂。

由此可见,这场由美国挑起的对华贸易战,半导体产业必将是交战双方博弈的重头戏。一方面,美、日、欧的半导体企业在中国拥有巨大的投资和市场利益,另一方面中国面临沉重的芯片进口压力,一直想摆脱脖子上被套着的绳索。因此,半导体芯片既是双方的博弈的重要筹码,但也是一把双刃剑。冲突各方何时打、如何打芯片这张牌值得关注。美国对中兴通讯的禁令很可能打响了对华芯片攻防战的第一枪。

在北京时间3月23日,美国总统特朗普宣布,拟对中国价值高达500亿美元的商品征收惩罚性关税的同日,日本政府在内阁会议上也决定,对中国的部分钢铁产品征收反倾销关税。紧接着,日本和欧盟在4月3日、4日分别向世界贸易组织(WTO)递交文件,要求与美国一道,向WTO投诉中国“涉嫌歧视性的专利技术许可规定”。因此,中国应该清醒的认识到,美国、欧盟和日本之间尽管并非铁板一块,但很可能联手针对中国; 此次对华贸易战完全有可能由“中美冲突”演变为中国与“八国联军”之战。因此,中国需要做好美、欧、日联手向中国集成电路施压的准备。之前德国政府就曾在奥巴马的要求下,撤回了已经颁发给中国公司的收购德国半导体设备企业爱思强的许可。被日本软银收购的英国企业Arm在2016年3月也按照美国商务部的要求,第一时间切断了对中兴通讯的支持。

二、得芯片者得天下——对华贸易战的“天王山之战“

中国半导体行业协会(CSIA)的统计数据显示,2017年我国半导体芯片的市场规模达到1.40万亿元,保持常年在两位数以上的规模增速。中国半导体芯片市场在全球份额中的占比从2000年的7%到2020年预计将达到的46%(2017年约为43%)。

图1:中国历年半导体进出口额

作为全球最大的半导体芯片消费国家,我国半导体芯片市场严重依赖进口。过去几年中国的芯片进口额维持在2000亿美金左右,自给率不足20%。。

图2:我国集成电路自给率不足两成

虽然中国半导体产业近年来取得了长足进步,但在全球芯片产业格局中仍处于中低端领域。以CPU为代表的高端处理器芯片的自给率均为个位数,存储等芯片的自给率接近零。即使华为海思在通讯基带芯片和应用处理器器芯片取得了不错的成绩,但是其中的核心处理器IP仍然是来自于Arm、Cadence等公司。

图3:国内主流芯片的自给率

2013年以来,伴随着国家上千亿规模的集成电路产业基金的设立和地方政府对集成电路产业的大力支持,中国半导体芯片销售额一直保持15%以上的较高的增速水平,与之对应的是全球半导体芯片销售额增速在2013-2016年期间平均年化不到5%。面对高速成长的中国半导体产业,美、欧、日很可能希望通过此次贸易战,迫使中国放弃对半导体行业的国家投入、政府补贴等扶持政策。同时为其本国半导体企业争取更多、更为有利的中国市场准入条件,比方说在政府采购、中外合资比例中清除对国外芯片厂商的限制性条款,从而抑制或者减缓中国芯片产业的崛起势头。而中国挟其市场优势,一定希望进一步优化半导体产业政策,改善中国本土的半导体芯片企业的商业环境,最重要的是在芯片设计领域催生革命性的创新,从根本上缩短中国在半导体产业领域与世界先进水平之间的差距。鉴于芯片对于下游5G通讯、人工智能、大数据、云计算、机器人、无人驾驶等所谓“新经济”所起的先导性、引领性作用,可谓得芯片者得天下,国家崛起中首先要保障芯片行业的崛起。因此,中、美之间的半导体芯片的攻防战将是此次贸易冲突中的“天王山之战”,中国宁可对其他的局部利益之争做出“牺牲”,也要确保在半导体芯片领域的战略定力。

三、CPU——芯片之争的胜负手

全球芯片基本上可以分为:通讯芯片、计算和控制芯片、存储器芯片、音视频处理芯片、电源管理芯片、传感器芯片、驱动芯片、以及上述芯片组合的系统芯片(SoC:System on Chip)。其中计算和存储芯片两大类约为1000亿美金的销售额。存储芯片本身不涉及信息安全,分别被美国、日本、韩国的三星、海力士、东芝、美光、英特尔等几家巨头企业控制。而中国最近在存储领域投入了大量的资金,有多条生产线即将投入生产。计算芯片主要包括:被英特尔和Arm垄断的CPU(Central Processor Unit,即中央处理器);被英伟达、AMD垄断的GPU(Graphic Processor Unit,即图像处理器),被德州仪器垄断的DSP(Digital Signal Processor,即数字信号处理器)。其中CPU计算芯片的核心,不仅操作系统运行在上面,而且还肩负着整个计算体系的安全使命。过去30年,人类经历了由数字化、互联网、移动互联网所引发的三波颠覆性产业浪潮。依靠半导体工艺的进步和架构的创新,CPU处理器性能不断飞跃并作为用户最友好、最通用的计算平台,承担了以上应用领域中的主要计算负载,由此成为每一波产业浪潮背后的关键推手。

图4:过去30年CPU的发展趋势

目前国产CPU的研发方式大致可划分为三大类:购买授权、合资、自主研发。

第一类采用购买授权:技术引进路线,购买国外CPU的IP授权,并借助现有的生态系统开拓市场。比如华为、展讯从Arm公司授权IP设计芯片。

华为海思基于Arm授权,从2009年的K3到2017年的麒麟970,取得了骄人业绩。但是,华为获得的Arm指令集授权模式,但并不具备自主创新的能力,不仅许可费高昂,而且每次授权期限仅仅4-5年,还被限定使用范围。最关键的是华为面临中兴通讯同样的风险,一旦美国或者日本政府提出制裁,Arm将不得不停止技术支持,而被授权企业马上面临灭顶之灾。

第二类采用合资/合作:10多年前中国就开始通过与国外公司成立合资公司方式实现技术转移,发展本国科技产业。通过合资/合作让中国相继获得设计高端处理器的技术能力,同时培养了一批技术人才。上海兆芯、贵州华芯通、天津海光都是属于这一模式。在当时的历史环境下,合资的确是有益的尝试。不失为一个研发风险小、市场推广难度低的一时之选。但是,合资本身决定了中方难以无法外方技术的整体框架,难以形成自主创新的能力。

图5:与境外公司合资/合作大致情况

第三类采用自主创新,即以龙芯、申威、华夏芯为代表,自主研发完全自主知识产权的指令集、工具链和微架构。

图6:国产芯片现状

中国作为全球第二大的经济体,完全有必要立足自主可控的指令集和高可靠性的自主微架构构建中国计算芯片产业生态,逐步构建安全可控的信息技术体系。2018年初暴露出来的Meltdown、Spectre等CPU设计缺陷影响之广、程度之深给中国敲响了警钟,不仅英特尔、AMD、Arm等巨头全部中招,而且所有合资公司或者许可这些公司CPU技术的中国芯片公司同样受到影响。因此,包括倪光南、魏少军在内的专家纷纷反思,指出中国需要实现CPU底层硬件安全的指令集和微架构这两大关键技术的自主可控,依靠底层硬件和体系架构设计的自主改进和自我完善,才能实现未来针对类似事件的主动防御体系。

目前英特尔和Arm 两家家公司的指令集体系,基本垄断了全世界几乎所有的智能手机、电脑及服务器等设备。但是,PC、手机行业已经出现饱和,不再是集成电路行业的最大成长动能。而人工智能、智慧驾驶、物联网、AR/VR、区块链等领域目前尚未出现垄断巨头,也完全没有形成生态系统,在这些领域国产CPU大有可为。

随着人工智能的兴起,针对深度学习等神经网络算法的新型计算单元,即AI专用处理器,得到快速发展。我国在这些领域完全与国外芯片厂商在同一起跑线上,多家国内芯片开发商竞相发布了自己的AI处理器芯片:

图7:国内已发布的AI专用处理器

但是,需要指出的是,这些深度学习的专用处理器,仅相当于CPU的协处理器,就像现在的音视频处理芯片一样,作为某一个特定的功能单元,最终大部分会被集成进CPU主导的SoC芯片中去。最近,英伟达公司免费开源了其深度学习处理器的设计,并与Arm公司联手建立CPU+AI的生态系统,对国内的AI专用处理器公司造成了巨大的冲击。因此,指望通过AI来打破中国计算芯片的整体落后局面并不可行。事实上,整个计算芯片进入了CPU与GPU、专用处理器等其他计算单元进行异构融合的“CPU+”时代,谷歌新任董事长、计算机架构大师Hennessy就曾表示CPU与多种计算单元融合的异构计算架构是AI芯片的设计趋势。因此,谷歌、苹果、三星等都在研究新一代的CPU架构,以期更好的支持异构计算。

相比之下,我国在新一代异构计算领域却没有得到足够的重视。纵观集成电路发展史,后来者能够居上,都是抓住技术创新和应用创新的机遇,才能最终成为伟大的公司。比方说Arm抓住移动终端爆发的新应用,推出符合市场需求的低功耗处理器,击败了英特尔等竞争者,牢牢占据了移动处理器市场,在人工智能领域,英伟达利用其GPU的优势,在服务器侧占据了大量的市场。在新一代CPU领域,RISC V的兴起,在一定程度上已经构成了对Arm的威胁。因此,中国如果超前部署,完全有机会深度影响异构计算相关产业的发展方向,在处理器产业的下一轮的国际竞争中,参与制定新的游戏规则,在新的跑道上成为领跑者。反之,如果待国际巨头们布局完毕,我们将只能被动接受新的游戏规则,不但有可能使得现有国产CPU处理器厂商的生存环境更加艰难,而且在技术和产业方面与国际先进水平的差距也将越拉越大,重蹈上一代CPU处理器的覆辙。

之前很多次,不少有识之士呼吁中国应该发展自主知识产权的CPU芯片。时至今日,从公开报道来看,无论是规模达1400亿的国家集成电路投资基金、或者那些热衷引进国际巨头的地方集成电路基金,没有投资过任何一家自主知识产权的CPU芯片公司。相反,本来面临新技术、新市场严峻挑战的ARM、AMD、IBM、高通等国际芯片巨头,不断通过合资、授权、提成、甚至组建合资基金等多种方式获得高额天价的“补血”。不仅进一步加强了在中国的市场拓展能力,而且使得那些立志自主创新研发的国产CPU厂商长期处于不公平的竞争环境。今天,狼已经来了,中国如何应对?至少国产CPU芯片企业当继续努力自强!

供稿:网络转载

本文链接:http://www.chuandong.com/news/news.aspx?id=212574

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