大国“芯”生态亟待构建，华夏芯建立独立自主生态系统

　　“未来全球芯片行业的竞争，将主要围绕生态系统展开，只有控制了生态，也才能有话语权和发展权。”中国工程院院士、微电子技术专家吴汉明如是说。

　　苹果公司软件工程高级副总裁克雷格·费代里吉在美国加州丘珀蒂诺介绍苹果自研M1芯片

　　作为一个普通消费者，我们为什么要关心“芯片生态系统”？手机控的你，是否能透过手机的外表看到它的内“芯”？比如你正在苹果手机上浏览这篇文章，浏览软件使用的是苹果iOS操作系统，而iOS就运行在苹果自研A系列芯片上。你不一定知道，无论芯片如何升级换代，其内核都是ARM的芯片架构，是基于ARM指令集研发的芯片。搭载安卓系统的手机也一样，它们内“芯”的内核，都是ARM的指令集。

　　不光终端产品，从软件设计公司、芯片测试封装公司到芯片设计公司等等，都依附在ARM构建的生态系统上。指令集是一切芯片生态的核心，而中国的芯片行业很大程度上就建立在他国的“核心”之上，这就是中国芯片“缺芯少魂”、被“卡脖子”的主要原因。

　　中国正处在全面建设社会主义现代化国家的征程中。“无论从国家竞争力、国家安全、经济发展等哪一方面看，建立自主的行业标准和自主的强大生态都具有重大的战略意义。”吴汉明说。

　　垄断世界的“芯片”生态

　　芯片的生态系统由芯片的底层架构提供者、芯片的设计者、芯片的应用开发者、芯片的周边环境4个部分组成，其中芯片的底层架构（指令集、工具链和微架构）位于芯片“食物链”的最顶端。据统计，全球只有ARM等少数几家底层架构供应商，它们的下游是数千家芯片设计公司。

　　除英特尔等个别公司外，绝大部分芯片设计公司都要获得上述几家公司的授权进行底层架构设计来开发芯片；数量更多的软件、硬件厂商基于不同芯片，开发软件和硬件等终端应用；微软、新思、台积电等为芯片厂商提供设计、开发和代工生产的外部环境。

　　虽然芯片的种类非常多，但处于核心地位、被人们称之为“大脑”芯片的CPU（中央处理器），却由全球两大生态系统，或者两大指令集架构垄断：一个是把持了桌面和服务器市场的英特尔X86，另外一个就是雄霸手机市场的ARM。其他高端芯片，如GPU（图形处理器）、DSP（数字信号处理器）等，也已经形成由英伟达、TI等少数巨头把控的生态势力范围。

　　全球最大的芯片生态是ARM生态，据统计，仅在2020年第四季度，全球基于ARM底层架构的芯片出货量就达到了创纪录的67亿颗，迄今累计出货达1800亿颗，比全球基于其他指令集架构的芯片之和还要多。全球基于ARM架构设计芯片的巨头包括苹果、高通、三星、华为、联发科、德州仪器和恩智浦等。全球第一颗5纳米制程工艺的芯片是台积电为华为代工生产的基于ARM架构的麒麟9000，当苹果基于ARM设计Mac电脑芯片时，微软主动为苹果电脑适配操作系统。微软、台积电等为ARM生态的发展壮大提供了良好的外部环境。

　　如果说设计一个创新的高端芯片是“蜀道难”，那么构建一个创新的生态就是“难于上青天”。

　　华夏芯（北京）通用处理器有限公司（以下简称华夏芯）董事长李科奕表示，设计一套创新的且有商业价值的指令集需要考虑前瞻性、完备性、兼容性、扩展性，以及工具链支持，用户的商业驱动性，等等。一般完成一个可商业化的指令集设计的投入在数十亿元人民币。但更大的挑战在于构建生态，构建生态的投入通常是设计指令集的指数倍数，因为这其中包括了设计芯片、开发各种硬件和应用软件的投入，以及移植操作系统和适配生产工艺的投入，这些投入要么是由下游厂商承担要么就是由自己承担。

　　生态意味着要有数量庞大的“食物链”下游依附者以及稳定的外部环境参与者。传统构建生态的模式主要有两种。

　　一种是以X86为代表的以自建为主的模式。英特尔包揽了从底层架构到设计，再到工具链的开发，甚至生产工艺，并通过与微软的合作，鼓励第三方硬件开发者（如联想）在X86平台上开发终端产品，以及软件开发者在微软的平台上开发应用软件。这种模式的缺点是自研投入巨大，优点是销售规模很大，英特尔的年销售规模高达700亿美元。

　　另一种是以ARM为代表的合作共建模式。ARM只提供底层架构，收取授权和许可费用，其他全部由第三方开发。这种模式的优点是自研投入较小，缺点是销售规模也小，ARM的年销售规模不到20亿美元。

　　中国走到机遇窗口

　　“过去很长一段时间，中国高端芯片厂商对于自主生态的构建基本上认为是可望不可即的。首先是指令集等底层架构领域的研发实力薄弱，人才储备不够；其次是传统高端芯片领域的生态已经形成垄断；另外，外部环境相对友好，大家对美国的‘尖牙利齿’体会不深。基于ARM的授权或者与X86厂商合资，也都可以顺利开展自己的产业布局。”李科奕如此分析。该公司目前已拥有自研的统一指令集架构。

　　“AI（人工智能）和5G时代开启了新的生态或者说多生态并存的局面，这也是国产芯片厂商的发展机遇。”吴汉明告诉《环球》杂志记者，当市场没有垄断生态，技术、创新和应用成为决定因素的时候，其他企业就有了打破天花板的可能。今天，人工智能、5G、边缘计算等新兴应用领域要求各种类型的处理器集成在一起并高效协同工作。这些应用领域，一方面对新的处理器架构提出了强烈的需求；另一方面，像物联网、无人驾驶、机器视觉等应用场景还没有出现垄断者。机会面前人人均等，这些重大技术革新给国产芯片产业带来绝佳机遇，有可能成功打造国产芯片的全新生态。

　　国家信息化专家咨询委员会原常务副主任周宏仁表示，作为具有万亿级市场规模的物联网行业上游，芯片产业的技术突破关系着众多传统产业的智能化革新之路，自主芯片面临巨大的需求，前景广阔，预计2026年中国物联网芯片需求将达到1360亿元。

　　一边是巨头继续垄断着全球高端芯片生态系统，一边是中国市场对自主芯片的巨大渴求，那么，中国芯片行业是否已经开始搭建自己的生态系统呢？

　　吴汉明说，就芯片设计领域而言，中国有望出现两类生态系统。

　　一是接轨国际主流生态系统的国内子系统。譬如华为和飞腾接轨于ARM生态系统，北京君正和阿里平头哥等企业接轨了RISC-V生态系统。这些企业通过架构授权或利用开源架构，打造出了一系列的产品，并已形成一定规模的产业链。

　　二是完全独立自主的生态系统。譬如龙芯和华夏芯正在努力通过自主设计的指令集，建立完善和强大的全自主生态。其中，华夏芯设计了一套自主的统一指令集，形成CPU、DSP、GPU和AI等异构计算平台，正在为异构计算打造全自主的生态。

　　据了解，目前华夏芯在异构计算领域已走在了国际前缘，业界将华夏芯的指令集架构Unity与英特尔的OneAPI对标。“两者都是为了简化编程环境，但实现方式和代价有显著的区别：OneAPI是面向不同体系架构的统一编程环境，Unity是面向不同微架构的统一体系架构和统一编程环境；OneAPI需要一个新的语言（Data Parallel C++）来编程，而且目前只支持这一种语言，Unity支持常用的编程语言；OneAPI在整合多个独立工具链的基础上加了一层，其开发投入巨大，而Unity本身是一个工具链，比OneAPI简单很多，开发成本也相应低很多。”李科奕分析认为，华夏芯的技术路线还是有明显优势的。

　　“芯”声，为生态而发

　　打造国产芯片生态系统是个异常庞大的工程，就像重建一个以“灵魂树”为生态核心的潘多拉星球（源自科幻电影《阿凡达》），用统一的“语言”沟通生态链上的所有环节，可以提高运行效率，实现良性共生。而共建这个系统，也需要多方发声，共同出力。

　　“建设自主生态系统，需要发挥举国体制优势，在新型社会主义市场环境下统一协调发展，研发出自主的核心技术，打造出完善的专利库，开发出自己的IP（知识产权）。”吴汉明说，他已经看到了一个好的开端，今年1月28日，工信部发布公告称，有关单位提出申请筹建一个全国集成电路标准化技术委员会，以建构一个明确的集成电路标准体系框架，以产业链为基础，涵盖产业上游的材料和设备，制造过程中的“设计、流片、封测”，以及产品配套应用等领域。

　　“在打造中国自主芯片生态系统上，政府需扮演教练员的角色，定政策、搭平台、育人才、给市场。2020年8月4日，国务院发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策》，给集成电路产业提供了全面的政策支持。另外，建议政府为自主芯片生态系统提供市场应用与试错机会，在新基建领域优先支持和鼓励采用基于自主架构的全国产芯片。”周宏仁说，自主芯片生态系统的打造必然要经历一个从无到有、从弱到强的过程，即使政府提供了“试验田”给自主芯片生态系统试错应用，过程中也一定会出现各种问题，这就需要自主芯片厂商扮演好运动员的角色，勇于直面残酷的竞争，抓创新、练内功，坚持自主创新提升产品性能，力争在全面建设社会主义现代化国家征程中构建国产自主、面向全球市场的计算生态。

　　吴汉明总结道，“建设自主生态系统，既要有与国际生态接轨的系统（‘外循环’），更要有完全自主的生态系统（‘内循环’）。中国集成电路产业打造自主生态系统，面临的挑战极为严峻。但只要依循‘内循环’结合‘外循环’的发展路线，坚持全球化发展，‘卡脖子’的问题就都能得到解决。”

　　来源：2021年3月10日出版的《环球》杂志 第5期