观点丨半导体,一万年也要搞出来–中国的芯片设计国产化


中国的经济升级,最大的两个领域是汽车制造工业集成电路工业。反过来说,我们要实现最终打垮西方列强,也就是要在这两个超级产业完成逆袭。未来的十年,我们要做好长期战斗的准备, 如果我们成功了,那中国就是真正的超级大国。如果这两个领域我们失败了,中华民族复兴就不能称之为成功。

这个地球上最强大的国家美国,它有哪些百亿美元利润级别的公司?除开能源和金融行业以外,有大约17家左右。Facebook,通用电气,IBM,思科,英特尔,宝洁,强生,微软,苹果,沃尔玛,迪士尼,通用汽车,甲骨文,Alphabet(谷歌母公司),Verizon,AT&T,Comcast,再具体一点,零售业1家,日化业2家,娱乐业1家,汽车业1家,其他制造业(通用电气)1家,总共6家。ICT领域呢,11家!17家百亿美元净利润公司有11家在ICT领域,因此可以说,ICT产业已经成了美国的立国之本了。谷歌,亚马逊,脸书,思科,IBM,英特尔,微软,甲骨文,Verizon,AT&T为美国贡献了巨大的利润。

美国的强大是什么撑起来的?是这些伟大的公司。反过来说,这些公司没有了,强大的美国也就不存在了。我们可以看到,在美帝立国之本的ICT领域,非常显然中国是美国的最大挑战者,中国移动,华为,中兴,阿里,百度,腾讯,网易,小米,浪潮,紫光等不仅在中国本土获得了优势,而且在对外扩张中,同时这些公司大多数净利润超过10亿美元,要知道全球净利润超过10亿美元的公司全部算在一起也就是三四百家。这也是为什么美国对中国集成电路产业如此关注的原因,集成电路是ICT领域的上游技术,是硬件的基石,如果中国集成电路产业也起来了,受到冲击最大的还是美国,而这是美国的核心领域之一。

中国目前每年进口的工业品,只有两个大类超过了500亿美元,一个是汽车及其零部件,我们每年进口746.1亿美元,另外一个超过500亿美元的进口工业品,就是大家熟知的集成电路了,中国每年进口的工业品,集成电路进口遥遥领先所有其他工业品,排在第一位,其进口金额2271亿美元,是第二名的汽车及其零部件746亿美元的三倍。

我们看看下面一组数字,在过去的七年,我们的进口替代进行的如何?答案是令人遗憾的。和其他行业我国制造能力逐渐上升,逆差逐渐减少不同,集成电路的逆差在过去七年处于不断上升的状态。从2010年的1277.4亿美元上升到了2016年的1657亿美元:

2010年集成电路进口1569.9亿美元,出口292.5亿美元,逆差1277.4亿美元

2011年集成电路进口1702亿美元,出口325.7亿美元,逆差1376.3亿美元

2012年集成电路进口1920.6亿美元,出口534.3亿美元,逆差1386.3亿美元

2013年集成电路进口2313.4亿美元,出口877亿美元,逆差1436.4亿美元

2014年集成电路进口2176.2亿美元,出口608.6亿美元,逆差1567.6亿美元

2015年集成电路进口2307亿美元,693.1亿美元,逆差1613.9亿美元,

2016年集成电路进口2271亿美元,出口613.8亿美元,逆差1657.2亿美元

到2017年,这个趋势仍然没有扭转,1-5月中国集成电路(芯片)进口额为954.8亿美元,同比上涨17.9%,出口256.6亿美元,同比增长11.3%,逆差继续拉大。

要看到差距,也要看到进步。

首先我们要知道集成电路这个产业,全球市场容量有多大?不同的机构有不同的数据,都稍微有误差,我们就以IHS的数据为例子,2016年全球半导体市场规模达到3389.3亿美元,同比小幅增长1.1%。当然,全球市场规模的数据各家机构不一样,有的是3300多亿美元,有的是3400多亿美元,不过基本是在这个区间。

我们把这个数字和我国每年进口2271亿美元集成电路的数字对比下,我国一年的进口额是全球市场的67%,这并不奇怪,因为全球90%的笔记本电脑,90%的智能手机,还有其他的大量电子设备,都是在中国制造,中国世界工厂的名称,不是吹出来的,而是实实在在的。因此,在我国集成电路产业世界份额达到全球70%之前,我们都是要进口集成电路的。我国进口集成电路多,并且还在不断增长,一方面固然是我国集成电路产业比起美国,欧洲,韩国,日本差距巨大,另一方面是因为我们下游的制造业和自主品牌发展太迅猛,世界市场份额不断向中国品牌集中所致。以2017年为例子,中国品牌智能手机已经占到世界份额50%左右,而苹果和三星手机也大多是在中国制造。

基于这个现实:中国不仅是世界制造中心,而且在下游的消费电子品牌的份额也在呈现向中国品牌集中的趋势,所以相当长一段时间内,我国还会维持集成电路高进口额的趋势。

所以中国国务院在2015年发布的《中国制造2025》的报告里面说,2020年中国芯片自给率要达到40%,2025年要达到50%,这其实是一个非常高的目标,因为这意味着2025中国集成电路产业规模占到全世界35%,也就是超过美国位列世界第一。当然这个是指总体产值,就产业结构而言,仍然是美国在高端,中国在中低端和部分高端。

如果按照工信部的规划更激进,2025年要达到70%芯片自主化,也就是中国集成电路产业规模要占到全球49%, 这意味着什么呢,2025年中国集成电路产业从产值来说将是世界最高的国家,不仅能够供给全中国的需要,而且还要抢占相当一部分的世界市场。

不过我们也要注意,不管是国务院还是工信部的规划,都是把在华外资企业算到国产里面的,也就是说,即使2025年完成了70%自主化这一目标,我们占到了世界的49%,其中仍然有一部分是在中国的外资企业完成的。

那么我们能不能达到这一目标呢?或者说,现在处于什么什么水平呢?下图是IC insight发布的2016年全球半导体20强,竟然前20位都没有中国公司,这是非常罕见的现象。在其他几乎任何一个地球上存在的大型产业,世界前20位都没有中国公司的,几乎找不到。有9家公司营收超过100亿美元,前20强的门槛是44.55亿美元。

不过大家也不要灰心,我国半导体产业销售额最大的公司是华为旗下的海思半导体,2016年销售额为303亿人民币,折合美元也是大约44.5亿美元,刚好和第20名的44.55亿美元几乎不相上下。所以不出意外,今年海思半导体将会中国第一家冲进全球20强的半导体公司。这将是历史性的突破。当然,这意味着会有一个倒霉蛋被挤出全球20强,没办法,人生就是这么的残酷。

2016年中国集成电路产业销售额达到4335.5亿元,同比增长20.1%,集成电路分成三个部分,设计、制造、封测三个产业销售额分别为1644.3亿、1126.9亿及1564.3亿,增长速度分别为24.1%、25.1%及13%。这里面有一个好消息和一个坏消息,好消息是增速20.1%,这是非常快的,四年翻一倍,8年后就是现在4倍的规模,这是非常惊人的。坏消息是什么呢,我国集成电路产业这个4335.5亿元销售额是包括了在华外资企业的。所以要摸清我国集成电路产业的真正实力,还是要看血统纯正的中国公司。

本文先从集成电路的设计部分看起。

首先是芯片设计,大家都知道,在PC机的时代,Intel和AMD垄断了电脑CPU市场,中国公司和他们的差距可以说隔着一个银河系,只能站在地球上仰望外星文明。在21世纪初,可以说中国唯一像样的芯片厂家是珠海炬力科技,做出了mp3芯片,成为世界最大的两家mp3 芯片供应商之一,我们看下当年新闻的原文:“2005年炬力的SoC芯片出货量达到了4980万片,比2004年的1220万片增长了308%。该公司的MP3播放器SoC芯片的销售额也从2004年的5410万美元增长到了1.479亿美元。”一家中国芯片公司,在十几年前能够做到这个水平是相当不容易的,然而炬力科技当然崛起的前提,也是国产MP3品牌在市场上占据了大量份额,那个时候mp3播放器非常昂贵。

在消费电子领域无法和美国竞争,中国芯片产业却意外的从电信产业发展中受益,由于巨大中华(巨龙,大唐,中兴,华为)在电信产业的崛起,中国逐渐开始实现了通讯设备制造的自主化,通信设备制造产业的崛起,却意外的给中国带来了一个没有料到的结局,那就是中国的芯片产业开始伴随着中国通信产业崛起开始萌芽。华为的海思,中兴微电子,大唐都成为中国最大的芯片厂家之一。到了手机和平板电脑时代,由于中国本土手机厂家和平板电脑厂家的崛起,中国的展讯,全志,瑞芯微等公司也获得了发展机会。

下图是IC insight的报告,全球纯芯片设计公司50强,2009年中国只有一家,也是中国第一家闯入世界50强的是华为旗下的海思公司,2016年增长到了11家,包括海思,展讯,中兴,大唐,南瑞,华大,锐迪科,ISSI,瑞芯微(Rockchip),全志(All winner),澜起科技(Montage)。

可以看到前面九名,海思,中兴,大唐都是电信产业出生,南瑞是为智能电网提供芯片,全志,瑞芯微,展讯等是为手机,平板电脑等提供芯片。可见中国在通信,电网,消费电子产业的发展对上游的带动作用。所以一个国家产业的发展,必然是整体性的,下游发展不起来,上游也一定发展不起来,中国芯片产业不可能脱离中国整体产业升级的大环境而独立发展。2016年,中国已经有了160家芯片设计企业销售额超过了1亿元人民币,可以说芯片设计正在中国全面开花。中国最大的两家芯片设计公司海思和紫光展锐都已经跻身世界前十,2015年海思是世界第六,紫光展锐是世界第十,而且在前十名里面,海思和紫光展锐增长速度最快。2017年第一季度,中国芯片设计产业整体增长高达23.8%,销售额达到351.6亿元,中国自主设计芯片全球市场占有率已经高达全球8%,中国市场占有率达到13%以上。

按照中国半导体行业协会的中国芯片前十名,和IC insight的排名有所不同,下图是2016年中国半导体行业协会公布的中国IC设计公司排名,可以看出,通过紫光集团对展讯和锐迪科的整合,中国已经出现了两家金额超过100亿人民币的本土IC设计巨头,海思和紫光展锐。

这10家公司里面真正算有前途的就五家:海思,紫光(包括展讯,锐迪科),汇顶,中兴,士兰微。例如杭州士兰微2017上半年财报。公司上半年实现营业收入12.98亿元,同比增长22.90%;实现净利润8442.55万元,同比增长243.77%。保持了高增长的势头,利润也开始逐渐恢复。其他五家:华大,大唐,智芯就是吃国家的饭。敦泰是台企,中星微主要做监控安防摄像头之类的图像芯片,技术水平一般,发展前景不明。

十强以外,还有一些很有意思的中国IC设计公司。首先是存储芯片领域,中国每年进口的集成电路之中,存储芯片和CPU占了大概75%. 可见存储芯片的地位。在存储芯片领域,有两家中国公司在试图进击,一个是兆易创新,一个是长江存储

未来的希望:寒武纪

为什么要特别提一下寒武纪,人工智能是人类所有产业发展的大势所趋,在这个领域,专用芯片将会成为未来的主流。几乎所有的ICT科技公司,不管是国内的百度,阿里,腾讯,华为,还是美国的谷歌,facebook,亚马逊,微软,都在朝人工智能方向发展。2017年8月,由中国科学院计算技术研究所(中科院计算所)陈云霁、陈天石两兄弟创立的寒武纪科技(Cambricon Technologies)宣布完成阿里巴巴领投的1亿美元A轮融资,此轮融资令寒武纪估值达到10亿美元。这也是中国第一家集成电路产业的独角兽公司(估值超过10亿美元),这可以算作一个里程碑。

值得一提的是,寒武纪团队成员的平均年龄只有25岁,很多骨干成员在校期间已开始从事相关领域的工作。创始人陈云霁和陈天石是兄弟俩,都是学霸。陈云霁14岁进入中科大少年班,在创立寒武纪前,陈云霁在大学的最后一年,就参与了中国第一块通用CPU芯片龙芯1号的研制项目,2002年,陈云霁来到了中科院计算所,跟随现在的龙芯公司董事长胡伟武研究员硕博连读,成为当时龙芯研发团队中最年轻的成员。博士毕业后,他留在了计算所。25岁时,陈云霁就已经成为8核龙芯3号的主架构师。他在2015年入选《麻省理工科技评论》35岁以下的全球最佳35名创新人士。

非常有意思,寒武纪推出的人工智能芯片型号名字叫DianNao,也即是中文电脑的拼音,目前DianNao已衍生出1A、1H等多个型号。DianNao这个型号名字来自寒武纪研发团队里一位法国人,这个法国人叫OlivierTemam,来自法国国家信息与自动化研究所(Inria),他建议说,与其取一个平淡的英文名字,还不如反其道而行用中文的拼音来命名,这样对外国人来说是“外语”,他们反而会觉得十分“洋气”。

最值得一提的是,DianNao芯片不仅是寒武纪的自主架构,而且是寒武纪自主开发的指令集,名字也很有意思,叫DianNaoYu(电脑语), 这是世界首个深度学习指令集,DianNaoYu指令集的论文在2016年的计算机体系结构领域顶级国际会议ISCA2016(International Symposium on Computer
Architecture)所接收,其评分排名所有近300篇投稿的第一名。具有突破性的意义。之前中国自主研发的龙芯芯片,也是使用的MIPS指令集免费授权的形式,虽然可以自主修改,也不会被限制,但是使用指令集还是来自国外。用中科院计算所的话来说意义是这样的“指令集是计算机软硬件生态体系的核心。Intel和ARM正是通过其指令集控制了PC和嵌入式生态体系。寒武纪在深度学习处理器指令集上的开创性进展,为我国占据智能产业生态的领导性地位提供了技术支撑。”

寒武纪人工智能芯片和传统的通用处理器如何比较?寒武纪是人工智能的专用芯片。请注意专用两个字,因此寒武纪的芯片和通用处理器并非替代关系。由于CPU和GPU基本框架结构都不是为人工智能设计,如果要用通用处理器搭建一个人脑规模突触的神经网络,可能需要建一个电站来给它供电。AlphaGo下一盘棋动用了1000个CPU和200个GPU,每分钟的电费就高达300美元,而网络规模只有人脑的千分之一。”寒武纪AI芯片恰恰解决了这一问题——它能在计算机中模拟神经元和突触的计算,对信息进行智能处理,还通过设计专门存储结构和指令集,每秒可以处理160亿个神经元和超过2万亿个突触,功耗却只有原来的十分之一,未来甚至有希望把整个AlphaGo的系统都装进手机。其他的FPGA方案虽然迭代快,但从计算速度和能耗比来说,和专用的人工智能芯片相比仍然有差距。因此除了寒武纪以外,其他国外公司也在跟踪寒武纪的研究成果,比如谷歌的TPU。

寒武纪的AI芯片在两个大型产业都可以有广泛的应用,一个是云端,一个是终端。在目前云计算蓬勃发展的情况下,云端服务器面临更大的大数据计算压力,AI芯片逐渐必不可少。另外终端的智能化程度和计算要求不断提升,也需要使用AI芯片。2017年9月2日,华为在德国IFA展上发布麒麟970处理器,首先用于华为Mate10智能手机上,虽然没有公开宣布,但其背后的AI芯片就是来自寒武纪,麒麟970整合的人工智能芯片,华为称之为NPU(NeuralProcessingUnit,神经处理单元)。搭上了华为这条大船,寒武纪的销售额将会迅速增加,目前猜测,华为和寒武纪采取的是IP授权的形式,寒武纪作为全球第一家人工智能芯片独角兽公司,也是全球第一家大规模量产人工智能芯片的公司,同时芯片架构和指令集完全自主,在未来大有可为。

半导体行业,美国超级强势,韩国在存储领域优势大,欧洲有三家一流的半导体公司,NXP,英飞凌和意法半导体,其中NXP在和高通谈并购,如果高通并购NXP并购成功,那么欧洲只剩下两家了。日本之前有三家一流半导体公司,瑞萨电子,索尼的CMOS图像芯片和东芝半导体。这其中索尼的CMOS图像处理芯片是近年来日本公司几乎仅有的实现大逆转的产业,索尼凭借图像处理芯片大大提升了市场份额,获得了大量利润。东芝目前已被海信并购了,那么日本也只剩2家半导体公司。我们可以看到,美国超级强势,中国,韩国都在上升,欧洲和日本在小幅衰退,除此之外,另外一个衰退比较严重的是台湾了,台湾半导体协会预估2017年台湾半导体产业整体产值较2016年小幅成长1%,而2017年全球半导体市场规模将较2016年成长9.8%,也就是台湾“生命线”半导体产业世界份额在不断下降。

另外网友比较关注的我国超级计算机上用的国产芯片,例如全球速度最快的神威太湖之光超级计算机,芯片就是国产化的申威,指令集和架构都是在美国DEC公司的Alpha架构下扩展而来,但是这款芯片只适用于超算领域,在民用市场由于生态问题和性能问题,不会有竞争力。因此也是小众芯片。

另外就是龙芯了,胡伟武博士是个坚持自主研发的人,他也培养出了寒武纪创始人陈云霁,培养出了一批自主研发芯片的人才,我觉得这才是龙芯的最大贡献。至于在商业化上面,龙芯几乎没有什么希望,建立生态必须要有强大的商业实力和地位,目前龙芯芯片只能在一些专业领域,例如北斗卫星上用的防辐射芯片,或者一些专用领域比如服务器,工控,嵌入式控制等等。龙芯能在这些领域占据较大市场份额,就是一种成功了。龙芯2015年销售首次过亿元人民币,是一家非常弱小的公司,2016年相信销售额也是1亿元多点的规模,而2016年中国销售额过1亿人民币的芯片设计公司有160家,龙芯在里面毫不起眼。 胡伟武是个技术人才,龙芯现在的待遇,以及类似科研院所和国企的运行体制,也暂时无法获得优秀的高端商业人才。龙芯在未来十年能够做到10亿人民币,20亿人民币就很不错了。即使到2027年能做到100亿人民币的规模,10年增长100倍,到那个时候龙芯也进不了中国芯片的第一集团。

中国芯片产业的未来必须要走商业化可盈利的路,从这条路来看,只有以海思,紫光,寒武纪为首的国产芯片公司,以及华大,大唐,士兰微,汇顶科技等第二梯队,以及未来可能成长起来的第三梯队才是中国芯片设计产业的未来。

而芯片设计这个产业,从中国,美国,欧洲,韩国,日本,中国台湾六强的发展趋势来看,中国保持现状20%的发展速度,每四年翻一倍,到2025年将是现在的4倍,是未来美国最大的挑战者,韩国依靠对存储芯片的高强度投资,将保持世界列强地位。中国紫光的存储芯片2019年才能够量产64层的NAND Flash,那个时候距离三星和海力士还是有技术差距,所以短期内韩国存储芯片产业是打不垮的。DRAM目前还不知道什么时候能量产。而欧洲,日本,中国台湾,由于其下游消费电子品牌的衰落,不可避免会影响到上游芯片的产值,这其中最危险的是台湾,因为欧洲和日本还有蓬勃发展的汽车电子产业,消费电子这边衰落了,还可以从汽车那边来弥补。例如日本,虽然东芝在衰落,但是瑞萨电子的汽车业务发展就挺好。台湾就比较危险了,芯片设计业不断下滑是大趋势,因为消费电子品牌不断往中国大陆集中,而大陆的自产芯片占有率在不断提高,而台湾又没有汽车品牌产业来弥补损失,设计业下去了,保住台积电的制造业是台湾面临的首要问题,从这个意义上来讲,发展中芯国际抵消台积电的发展,就是促进两岸统一。

本文转载自知乎作者宁南山,链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/29407726

材料牛石小梅编辑整理。

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