全球互聯(lián)網(wǎng)巨頭紛紛高調(diào)宣布進入半導(dǎo)體行業(yè)

近些日子，全球互聯(lián)網(wǎng)巨頭紛紛高調(diào)宣布進入半導(dǎo)體行業(yè)。阿里、微軟、Google、Facebook等都宣布在芯片領(lǐng)域的動作，那么互聯(lián)網(wǎng)巨頭的這些動作又會對芯片行業(yè)造成什么影響？本文為您帶來詳細分析。

阿里、微軟、Google、Facebook互聯(lián)網(wǎng)巨頭紛紛入局芯片

我們首先盤點一下互聯(lián)網(wǎng)巨頭近幾年來在芯片領(lǐng)域的動作。

Google可謂是互聯(lián)網(wǎng)公司在芯片領(lǐng)域走得最遠的公司。2015年Google就開始在其數(shù)據(jù)中心中部署自己設(shè)計的深度學(xué)習(xí)加速芯片TPU負責(zé)推理，在去年則是推出了第二代TPU可以兼顧深度學(xué)習(xí)推理和訓(xùn)練，并且還在手機Pixel 2中也部署了自己設(shè)計的IPU用以加速圖像處理相關(guān)應(yīng)用。此外，Google還把處理器架構(gòu)領(lǐng)域的兩大宗師David Patterson和John Hennessy招入麾下，未來可望在芯片領(lǐng)域有更多產(chǎn)出。

微軟也不甘落后，2014年在ISSCC上發(fā)表了自己設(shè)計的使用在Xbox Kinect 2中的ToF傳感器芯片，之后在2016年又發(fā)布了自己設(shè)計的用在HoloLens中的HPU協(xié)處理器芯片，而在近日更是發(fā)布了Azure Sphere 物聯(lián)網(wǎng)平臺，其中包含了使用在MCU芯片中的Microsoft Pluton安全模塊以保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全。第一款A(yù)zure Sphere芯片將會是聯(lián)發(fā)科和微軟合作推出的MT3620，其中就包含了Microsoft Pluton。

除了Google和微軟外，F(xiàn)acebook也開始在芯片領(lǐng)域有所動作，在網(wǎng)站上貼出了ASIC和FPGA設(shè)計的相關(guān)職位招聘啟事。Facebook AI研究負責(zé)人Yann LeCun也在twitter上跟帖表示這將會是一個和深度學(xué)習(xí)相關(guān)的芯片設(shè)計崗位，據(jù)業(yè)界預(yù)測Facebook正在招募工程師開發(fā)和TPU類似的芯片以加速服務(wù)器端深度學(xué)習(xí)應(yīng)用。

Yann LeCun對于Facebook招募ASIC工程師的tweet

在中國，互聯(lián)網(wǎng)巨頭阿里先是宣布開始研發(fā)人工智能加速芯片Ali-NPU，其性能將是目前市面上主流CPU、GPU架構(gòu)AI芯片的10倍，而制造成本和功耗僅為一半，可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)GPU高40倍以上的性價比。之后，阿里高調(diào)宣布全資收購中天微系統(tǒng)，而該系統(tǒng)目前擁有中國獨立知識產(chǎn)權(quán)的指令集，阿里此舉據(jù)信是為了加強自己在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的布局。

啟示一：摩爾定律的盡頭是異構(gòu)計算時代，互聯(lián)網(wǎng)巨頭要自己定制芯片

互聯(lián)網(wǎng)巨頭紛紛布局芯片，意味著原有的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)局面正在發(fā)生重大改變。最初，半導(dǎo)體行業(yè)作為高科技行業(yè)，其發(fā)展遵循摩爾定律的方式，每18個月工藝特征尺寸縮小，隨著工藝制程的進化，同樣的芯片的制造成本會更低，因為單位面積晶體管數(shù)量提升導(dǎo)致相同的芯片所需要的面積縮小，另外芯片性能會隨著工藝特征尺寸縮小而上升，于是半導(dǎo)體行業(yè)走在摩爾定律指導(dǎo)下的周期性性能提升成本降低的高速發(fā)展模式。由于其高技術(shù)高附加值的特點，芯片的毛利率很高，因此芯片設(shè)計公司可以通過把芯片出售給下游企業(yè)，就能活得很滋潤。

在半導(dǎo)體設(shè)計的黃金年代，“芯片設(shè)計”這四個字就意味著高技術(shù)和高利潤率，芯片的原材料是砂子，卻能賣出幾十甚至上百美金的單價，因此成功的芯片一旦量產(chǎn)就像是開動了印鈔機一樣。為了增加出貨量改善設(shè)計復(fù)用性，半導(dǎo)體公司往往青睞通用平臺式芯片，例如Intel的處理器以及Qualcomm的SoC。

然而，隨著摩爾定律越來越接近物理極限，再繼續(xù)縮小特征尺寸需要的資本量越來越大，換句話說隨著特征尺寸縮小，芯片的成本上升很快。芯片的成本包括NRE成本（Non-Recurring Engineering，指芯片設(shè)計和掩膜制作成本，對于一塊芯片而言這些成本是一次性的）和制造成本（即每塊芯片制造的成本）。在先進工藝制程，由于工藝的復(fù)雜性，NRE成本非常高。例如FinFET工藝往往需要使用double patterning技術(shù)，而且金屬層數(shù)可達15層之多，導(dǎo)致掩膜制作非常昂貴。

另外，復(fù)雜工藝的設(shè)計規(guī)則也非常復(fù)雜，工程師需要許多時間去學(xué)習(xí)，這也增加了NRE成本。對于由先進制程制造的芯片，每塊芯片的毛利率較使用落后制程制造的芯片要高，但是高昂的NRE成本意味著由先進制程制作的芯片需要更多的銷量才能實現(xiàn)真正盈利。

隨著摩爾定律遇到瓶頸，靠工藝制程提升來增進性能的成本實在太高，因此需要更多根據(jù)應(yīng)用做專用設(shè)計，靠架構(gòu)設(shè)計來進一步提升性能，這也是“異構(gòu)計算”的思路。在過去，半導(dǎo)體公司通常傾向于推出平臺式的產(chǎn)品，例如Intel的CPU，Qualcomm的Snapdragon等等，但是這樣的通用平臺在今天已經(jīng)無法滿足移動設(shè)備對于性能和能效比的需求，尤其是在AR／VR、終端人工智能等新興應(yīng)用中。

就在同時，我們看到了Facebook、Google、阿里等互聯(lián)網(wǎng)巨頭向硬件領(lǐng)域的進軍。事實上，這也是互聯(lián)網(wǎng)公司生態(tài)化發(fā)展到今天的必然：互聯(lián)網(wǎng)公司之前一直在搭建生態(tài)搶奪流量入口，讓用戶可以更方便地使用自己的服務(wù)；這個入口過去是從PC，手機，到了今天PC、手機等傳統(tǒng)入口已經(jīng)沒法滿足高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)巨頭的胃口，因此巨頭們都想到了搭建自己的硬件平臺作為自己服務(wù)的入口。這樣的硬件可以是AR／VR設(shè)備（如微軟的HoloLens，F(xiàn)acebook的Oculus），可以是新型消費電子設(shè)備（如Google的Clip自動攝像機），也可以是進入智能制造和智能家庭的IoT終端節(jié)點。

當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)巨頭開始進入硬件市場時，會對半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。首先，互聯(lián)網(wǎng)巨頭追求硬件能實現(xiàn)極致化的性能以實現(xiàn)差異化用戶體驗用來吸引用戶。如前所述，目前摩爾定律遇到瓶頸，想要追求極致體驗需要的是走異構(gòu)計算自己定制化芯片的路子，光靠采購傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商的芯片已經(jīng)沒法滿足互聯(lián)網(wǎng)巨頭對于硬件的需求，至少在核心芯片部分是這樣。因此，F(xiàn)acebook、Google、阿里等互聯(lián)網(wǎng)巨頭都是異構(gòu)計算的積極擁護者，為了自己的硬件布局或計劃設(shè)計芯片，或已經(jīng)開始設(shè)計芯片。這么一來，原來是半導(dǎo)體公司下游客戶的互聯(lián)網(wǎng)公司現(xiàn)在不需需要從半導(dǎo)體公司采購芯片了，這樣的產(chǎn)業(yè)分工變化會引起行業(yè)巨變。

其實這樣的上下游整合趨勢從很久以前就已經(jīng)在手機領(lǐng)域開始，幾年前消費電子巨頭蘋果和華為已經(jīng)開始從采購標(biāo)準(zhǔn)芯片到設(shè)計自己的SoC，前幾年小米也逐漸開始做自己的SoC芯片，一旦Oppo，Vivo等手機巨頭都跟風(fēng)開始自己做核心芯片，高通的就會承受很大壓力。而互聯(lián)網(wǎng)巨頭入局芯片，也可以理解為手機領(lǐng)域發(fā)生的故事也開始發(fā)生到了其他硬件領(lǐng)域，將對于高通以及其他傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司產(chǎn)生深遠的影響。

其次，互聯(lián)網(wǎng)巨頭制造硬件的目的只是為了吸引用戶進入自己的生態(tài)使用自己的服務(wù)，其最終盈利點并不在販賣硬件上而是在增值服務(wù)上。因此，互聯(lián)網(wǎng)巨頭在為了自己的硬件設(shè)計芯片時可以不計成本，基本不考慮cost-down。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司的眼光中，一塊芯片成本是10美元還是8美元可以是天壤之別，但是在互聯(lián)網(wǎng)公司的看法里這樣的成本差別根本不是事，性能怎么好就怎么來。

從另一個角度來說，一旦自己設(shè)計核心芯片的互聯(lián)網(wǎng)公司進入同一個領(lǐng)域，那些靠采購半導(dǎo)體公司標(biāo)準(zhǔn)芯片搭硬件系統(tǒng)的公司的就完全沒有競爭力了，無論是從售價還是性能，擁有自己核心芯片的互聯(lián)網(wǎng)巨頭都能實施降維打擊。一旦這些硬件公司失去競爭力，那么依賴于這些客戶的半導(dǎo)體公司的生存空間又會進一步被壓縮。

總而言之，互聯(lián)網(wǎng)巨頭進入芯片領(lǐng)域，首先處于性能考慮不再從半導(dǎo)體公司采購核心芯片，這沖擊了傳統(tǒng)行業(yè)分工，使傳統(tǒng)芯片公司失去了一類大客戶；另一方面互聯(lián)網(wǎng)巨頭的生態(tài)式打法可以讓自研硬件芯片不考慮成本，這又沖擊了那些從半導(dǎo)體公司采購芯片的傳統(tǒng)硬件公司，從而進一步壓縮了半導(dǎo)體公司的市場。在這兩個作用下，半導(dǎo)體芯片公司的傳統(tǒng)經(jīng)營模式必須發(fā)生改變才能追上新的潮流。

啟示二：半導(dǎo)體行業(yè)分工洗牌，三種道路應(yīng)對互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)野蠻人入侵

目前，半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域的分工，大概可以分為定義、設(shè)計、設(shè)計定案、制造等幾個環(huán)節(jié)。定義是指芯片頂層架構(gòu)和指標(biāo)的定義；設(shè)計是指具體的電路設(shè)計，包括數(shù)字RTL設(shè)計、模擬／混合信號電路設(shè)計等等；設(shè)計定案是指芯片設(shè)計最終確定并進入Fab決定開始制造光刻掩膜，意味著需要花費一筆掩膜開銷；制造則是在Fab最終根據(jù)掩膜把芯片制造出來。

今天的半導(dǎo)體行業(yè)的分工，最為大家熟知的是Fabless模式，即芯片設(shè)計公司負責(zé)定義、設(shè)計和設(shè)計定案，而制造則是在提供代工的Fab完成；三星、Intel等半導(dǎo)體巨頭也會走包含從定義到制造所有環(huán)節(jié)的IDM模式；此外不少公司是混合Fabless和IDM，即有的產(chǎn)品走Fabless模式，而有的產(chǎn)品走IDM模式，例如Broadcom在CMOS芯片產(chǎn)品線走的是Fabless，而在射頻前端模組產(chǎn)品線則是IDM模式有自己的Fab。在今天的半導(dǎo)體行業(yè)分工中，設(shè)計服務(wù)公司提供模塊設(shè)計IP以及協(xié)助一些公司做設(shè)計，主要起的是輔助作用。

在互聯(lián)網(wǎng)巨頭入局半導(dǎo)體行業(yè)后，又出現(xiàn)了一種新的模式，即互聯(lián)網(wǎng)公司負責(zé)定義芯片、完成小部分設(shè)計、并花錢完成設(shè)計定案流片（互聯(lián)網(wǎng)公司不差錢！），設(shè)計服務(wù)公司負責(zé)大部分設(shè)計，而代工廠負責(zé)芯片制造。這種新模式可以稱為Designless-Fabless模式。歷史上，半導(dǎo)體公司從傳統(tǒng)的IDM走到Fabless模式，主要是因為Fab開銷過高，成為了半導(dǎo)體公司發(fā)展的包袱，而代工廠則提供了一個非常靈活的選項。

今天，互聯(lián)網(wǎng)公司入局半導(dǎo)體后走Designless-Fabless模式，把大量設(shè)計外包，則主要是因為時間成本?；ヂ?lián)網(wǎng)巨頭做芯片，追求的除了極致性能之外，還有快速的上市時間。對于他們來說，錯過了圣誕節(jié)／雙十一檔期將會是災(zāi)難性的。如果要像傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司一樣，需要從頭開始培養(yǎng)自己的前端+后端設(shè)計團隊，從頭開始積累模塊IP，恐怕第一塊芯片上市要到數(shù)年之后。這樣的節(jié)奏，是跟不上互聯(lián)網(wǎng)公司的快速迭代節(jié)奏的。

那么如何實現(xiàn)高性能加快速上市呢？最佳方案就是這些巨頭自己招募芯片架構(gòu)設(shè)計團隊做芯片定義，用有豐富經(jīng)驗的業(yè)界老兵來根據(jù)需求定制架構(gòu)以滿足性能需求，而具體的實現(xiàn)，包括物理版圖設(shè)計甚至前端電路設(shè)計都可以交給設(shè)計服務(wù)公司去做。半導(dǎo)體芯片的一個重要特點就是細節(jié)非常重要，ESD、散熱、IR Drop等一個小細節(jié)出錯就可能導(dǎo)致芯片性能大打折扣無法達到需求。因此，如果把具體設(shè)計工作交給有豐富經(jīng)驗的設(shè)計服務(wù)公司，就可以大大減少細節(jié)出錯的風(fēng)險，從而減小芯片需要重新設(shè)計延誤上市時間的風(fēng)險。

事實上，我們已經(jīng)在一些芯片中看到互聯(lián)網(wǎng)巨頭負責(zé)芯片架構(gòu)+設(shè)計服務(wù)公司提供IP／設(shè)計服務(wù)的模式了。一個例子就是微軟使用在HoloLens中的HPU，其中微軟設(shè)計了多核架構(gòu)以加速AR計算，而每個核則是使用了Cadence的Tensilica IP。

微軟的HPU，大量使用了Cadence的Tensilica IP

不差錢的互聯(lián)網(wǎng)公司以生態(tài)打法入局半導(dǎo)體行業(yè)，猶如野蠻人入侵，對于Fabless公司最頭疼的設(shè)計定案流片費用人家互聯(lián)網(wǎng)公司不差錢基本不在乎，那么半導(dǎo)體公司如何應(yīng)對呢？應(yīng)該說至少有三種方法，分別是轉(zhuǎn)型做設(shè)計服務(wù)公司、做全棧公司和做IDM公司。

聯(lián)發(fā)科作為把傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片公司的運營哲學(xué)發(fā)展到極致的公司在今天也開始轉(zhuǎn)向設(shè)計服務(wù)業(yè)務(wù)，可以說是設(shè)計服務(wù)的春天來臨了。

結(jié)語

隨著互聯(lián)網(wǎng)廠商紛紛入局半導(dǎo)體芯片，傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司的商務(wù)模式將會遇到很大挑戰(zhàn)，需要有新的商務(wù)模式來迎合時代潮流。面對互聯(lián)網(wǎng)公司Designless-Fabless模式的威脅，我們認為半導(dǎo)體公司可以轉(zhuǎn)型做設(shè)計服務(wù)，可以做全棧公司從下游獲取更多利潤，或者走IDM去做更高利潤率的核心半導(dǎo)體元器件?；ヂ?lián)網(wǎng)公司入局對于半導(dǎo)體行業(yè)未來走向的影響，讓我們拭目以待。