芯片是什么？芯片的种类与芯片设计流程

        中国通讯行业的“缺芯”之痛该如何拯救？如果不想让中兴“芯痛”成为整个中国芯片产业的长痛，在物联网时代下，大力发展中国芯片半导体产业尤为重要。美国商务部禁止美国公司7年内向中兴通讯出售元器件、软件和技术，让中国通信行业首次感受到“缺芯”之痛。坏消息不止这一个。有消息称，英国政府建议本国通讯企业减少向中国企业购买通讯设备。在此背景下，国内围绕芯片半导体产业的发展，出现了很多评论。人们对国内芯片行业目前发展的程度也有很多不同角度的看法。本文将以系统介绍芯片种类、芯片设计的全生命周期以及芯片制造的成本为切入点，结合物联网发展，针对目前中兴“芯”痛、通信芯片巨头高通拟收购恩智浦这两个热点事件，对中国芯片产业提出一些自己的思考。

芯片的种类

        芯片是一个很广泛的概念，涉及到不同的行业和应用。为了让读者对中国芯片产业有一个全局的认知，这里先向读者介绍芯片的种类。芯片分门别类，有大有小。归纳起来，大体可以分为4类：

        01、计算芯片

        计算芯片种类大致分为通用计算类芯片CPU，信号处理芯片DSP，图形计算芯片GPU和其他特殊计算加速芯片，比如比特大陆的比特币矿机ASIC芯片，又或者人工智能加速芯片等。通用CPU又根据指令集分为3个分支：

        x86系列，即Intel/AMD系列芯片，多用于个人电脑和服务器领域。

        ARM系列，多用于嵌入设备，如手机、智能终端等低功耗设备。实际上，越来越多的嵌入设备使用ARM架构，ARM系列芯片被认为是最适合物联网设备的一种芯片架构。需要指出的是，ARM公司本身不销售芯片，而是采用2种IP授权的方式对外输出，像苹果、三星和高通的手机CPU都是兼容ARM指令集的非公版设计，其芯片本身结构完全自主研发。据报道，华为麒麟970芯片的CPU核则是采用了ARM的公版IP授权模式，这样的IP授权选择更有利于time to market，不过在设计所有度上没有非公版设计全面。

        MIPS系列，我国自主研发的CPU多采用MIPS架构。

总体而言，我国在通用CPU和GPU以及最新的AI芯片上已有布局，并非一无所有。比如，通过对著名英国Fabless设计商 Imagination Technology的收购，中国已经获得PowerVR系列，MIPS系列以及通信Ensigma系列等多种IP内核。遗憾在于，MIPS架构由于缺乏软件生态，其应用领域较为狭窄。在AI芯片上，我国像海思、寒武纪等许多IC设计厂商相继投入AI芯片设计，说明新一轮基于物联网边缘计算的硬件研发已经在我国启动。

        02、存储芯片

        存储芯片种类繁多，三星是此类芯片设计和制造垂直产业的一个典型代表。我国企业在存储芯片上还有待提高。

        03、传感器感知芯片

        在万物互联的大趋势下，传感器芯片负责把物理世界各态接入互联网电子信息系统，是物联网的入口。传感器芯片可以按照感知类别大致分为四类：运动感测组合传感器芯片、环境感测组合传感器芯片、光学感测组合传感器芯片、其他传感器（详见下图）

        在国外，综合传感器巨头供应商有博世Bosch、意法半导体STMicroelectronics、恩智浦NXP和霍尼韦尔Honeywell，当然还包括传统图像传感器巨头索尼Sony等。从市场数据来看，2015年中国传感器市场约为106亿美元，到2019年估计为137亿美元，其中，国内传感器厂商市场占有率仅为13%，其中又多以模组厂商为主。

        就当前来看，我国芯片企业在传感器领域虽有涉及但都比较渺小，唯有MEMS麦克风领域的歌尔股份技术水平较为领先，并以此成为苹果iPhone的供应商。

        04、通信芯片

        在物联网场景下，通信芯片负责将数据通过无线或有线的方式接入互联网。中兴就是以提供无线通信为主要业务的通信设备商企业。通信设备商企业又因业务分为基站方和终端方，比如高通主营业务在终端，基站涉及较少，而中兴华为则是同时涉及基站和终端业务。由于通信芯片涉及RF射频、IF中频、ADC/DAC、基带、电源管理等多个细分领域的专业芯片类型，而针对此次中兴被美国制裁事件的相关报告已有很多，笔者在此就不一一展开介绍了。需要指出的是，虽然在特定的具体局部环节上，某类芯片的供给因为良品率、性能、稳定性等多方面原因还依赖于外国供应商，但从总体而言，我国企业在通信芯片领域已经达到国际领先水平，这可以从5G标准得出结论—— 当企业已经深入参与到顶级行业标准制定，那么它的水平不可能差。另一个有趣的现象是根据Gartner的统计数据，在我国企业2017年芯片采购中，中兴公司的芯片采购量不在前十大排名中，由此可见并不十分依赖进口，这也可能就是为什么在4月16日中兴被制裁的消息传出后，美国股市当日的ADI、TI等股票并没有受到影响而大幅下跌，以高通为例，4月16日美股收盘，高通股票仅下跌1.72%。

        那为什么中兴称此次禁售或使企业进入休克状态呢？这里需要注意的是禁售的具体内容：美国商务部宣布将禁止美国公司向中兴通讯销售任何零部件、商品、软件和技术。笔者认为，中兴的软肋，乃至中国半导体产业的真正软肋不是芯片元器件本身，而是芯片设计制造过程中的EDA软件授权。下面结合芯片的全生命周期流程来作个详细阐述。

芯片设计

        芯片从设计到制造，涉及的步骤异常复杂而专业。其中，芯片的设计流程分为正向设计和反向设计2种流程。反向设计流程的初衷是用于检查别家公司是否抄袭，但后来被小公司使用作为一种节省研发经费、快速复制别家芯片的一种方案。鉴于此设计流程违反知识产权保护原则，本文只对正向设计流程予以介绍。

        下面以通信芯片的正向设计流程为例。因为通信芯片涉及混合信号设计，设计流程具有广泛代表性。

芯片设计流程

        通信芯片的设计流程主要包括下述四个主要步骤：

        01、系统架构和算法设计。系统架构设计主要确定芯片的整体框架和结构。这里用到的软件主要有微软的Office套件如Word、Excel等，还有微软Visio等一些画图软件用来描述系统架构设计思想。软件系统架构设计还会涉及UML等专业图形表述语言。需要说明的是，系统架构设计还包括系统级的算法设计。这里还分成软件和硬件设计，以上流程图重点针对硬件设计。

        02、系统行为仿真。在硬件系统设计中，当选定架构以后，就需要对其设计进行系统级仿真以确保所设计系统在性能上达到产品规划中的KPM指标。这里所涉及到的软件主要是Mathworks的Matlab和Simulink系列，Python语言因为其开源和免费的特点也越来越受到欢迎。像Matlab和Python这样的脚本语言往往只是用于前期的方案可行性分析，性能仿真则用到C/C++语言以及搭建在Linux上的服务器集群。

        03、规格制定。在系统仿真完成，其系统性能指标达到预期之后，芯片系统工程师起草规格文档用来具体描述相关芯片模块的具体性能参数指标。芯片模块又细分为模拟和数字2个部分。根据芯片类别不同，有的芯片只含有数字电路部分，而有的芯片则更偏向于模拟电路。

        04、模拟电路和数字电路设计。在片上系统（System On Chip）设计指导思想下，通信芯片同时含有模拟和数字电路设计部分，英文专业术语叫Integrated Circuit Design（IC电路设计）。从以上流程图可以看到，规格制定以后的所有环节都属于IC电路设计范畴。此设计环节用到的计算机辅助设计软件统称为Electronics Design Automation(EDA)。从这个环节开始，芯片设计开始与EDA软件强耦合，可以不夸张的说，没有EDA软件，芯片就无法完成设计。不过，EDA软件不同于互联网软件栈，所有软件都是以闭源形式在Linux服务器上部署，授权用户以远程登陆的方式在服务器上完成芯片设计流程，这种使用和部署环境使得盗版EDA软件都难寻踪迹。让人遗憾的是，芯片设计重度依赖EDA软件，而中国的EDA软件供应商极度匮乏