中國發(fā)展嵌入式芯片的思考

中國發(fā)展嵌入式芯片的思考

自1958年德州儀器(TI)和飛兆公司(Fairchild)分別以光蝕刻技術(shù)于硅基底做出集成電路以來，不斷發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)推動人類社會邁入了信息時代。微處理器被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，深刻地改變了人們的生活方式。
CPU由通用CPU(包括PC類CPU和高端服務(wù)器CPU)，和嵌入式/專用CPU組成。PC類CPU是應(yīng)用于PC領(lǐng)域的x86架構(gòu)CPU及其x86架構(gòu)兼容的CPU。我們稱這一類PC/服務(wù)器CPU為通用CPU。
另一大類CPU是嵌入式/專用CPU。 它們廣泛應(yīng)用于各種信息設(shè)備，如信息家電、手機、PDA、平板電腦等產(chǎn)品中的CPU。這些信息設(shè)備并不要求CPU有很強的處理功能或很高的時鐘速度，但卻特別強調(diào)CPU的低功耗、低電壓、低散熱、小面積和低價格特性。
近年來在我國，發(fā)展有自主知識產(chǎn)權(quán)的CPU已成為了人們關(guān)注的焦點。CPU在各行各業(yè)有著廣大的發(fā)展空間。選擇CPU全方位的自我發(fā)展路線存在著很高的進入壁壘， 現(xiàn)在盲目地從零做起或從很低級做起來進入我個人認為在現(xiàn)在階段是不合時宜的。

開發(fā)通用CPU技術(shù)基礎(chǔ)
的障礙和困難
在IC設(shè)計人才、設(shè)計經(jīng)驗/環(huán)境上,我國還遠遠落后于世界先進水平。而CPU是屬于IC設(shè)計的最高端產(chǎn)品， 設(shè)計出如此高性能高端的CPU仍需要相當(dāng)?shù)母黝愘Y源(設(shè)計人才和設(shè)計經(jīng)驗首當(dāng))和相當(dāng)長的時間。大家公認，中國的CPU方面的技術(shù)與國外的差距有一二十年。而在同時, 我們在許多低端IC產(chǎn)品上還大量依賴進口。 在最缺乏的IC設(shè)計人才資源上, 我國現(xiàn)在只有數(shù)千人。 而在國外，單Intel公司就有數(shù)千名很有經(jīng)驗的高級IC設(shè)計工程師。顯而易見, 我們現(xiàn)在設(shè)計人才和設(shè)計經(jīng)驗還不具備與世界CPU頂尖企業(yè)挑戰(zhàn)的能力。 我們應(yīng)當(dāng)利用這個有限的瓶頸資源去大力發(fā)展中低端IC產(chǎn)品以獲取最大的回報, 并以此建立IC產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ), 為今后的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。 提供全方位的支持來大辦IC設(shè)計人才的教育和培訓(xùn)是保持高速發(fā)展的最重要的一環(huán)。
在IC制作工藝水平上, 如今的各類CPU已發(fā)展到了0.13微米制程， 12寸晶圓, 集成度超過4500萬顆晶體管。我國現(xiàn)在還處于0.25～ 0.35微米制程，6～8寸晶圓水平上。 由于外國的出口限制等, 我國還仍相當(dāng)困難獲得像高速高精度光刻機等高端設(shè)備。在3～5年內(nèi), 我們還無法達到IC制作工藝水平的世界先進水平。 這也決定了,就是我們設(shè)計出了有我們自主知識產(chǎn)權(quán)并且達到世界先進水平的CPU, 我們也無法制作出達到世界先進水平的CPU。同時，Intel的芯片生產(chǎn)能力和革新速度也是全球所有IC生產(chǎn)廠商們所難以媲美的。
在對應(yīng)的操作系統(tǒng)(OS)上, 開發(fā)自主CPU并非是單一的CPU IC開發(fā)。 主流的OS必須支持和跟進,其OS核心必須開放。 遺憾的是, 我國目前尚不存在這樣的主流OS商,也不可能指望Microsoft來支持和跟進。 這樣, 我們需要捆綁在似乎是唯一的LINUX選擇上。但 LINUX 近年來并沒有如初期想象的那樣奪取更大的OS市場份額。
在高端服務(wù)器ＣＰＵ上，Intel Itanium使用開放的體系，比起基于RISC服務(wù)器來，從操作系統(tǒng)到應(yīng)用軟件都更能得到豐富的支持，且擴充性、操作性也相對更好，對一般企業(yè)來說更具實用性。服務(wù)器的大廠商HP/Compaq、IBM都紛紛跳上了Itanium快車，然后專注于自己的核心技術(shù)領(lǐng)域諸如核心的軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)與解決方案。在高端服務(wù)器CPU領(lǐng)域，將可能再次體現(xiàn)“一兩家獨大”的游戲規(guī)則?！≡谶@個眾多大廠商都無力招架、紛紛退出的時候，高端服務(wù)器CPU就更不是我們需要發(fā)展的了。

開發(fā)CPU知識產(chǎn)權(quán)
的障礙和困難
我個人認為, 知識產(chǎn)權(quán)障礙和困難是一個更嚴重的問題。世界上有許多著名大公司諸如IBM, MOTOROLA, HP等都有能力設(shè)計一流的x86架構(gòu)CPU及其x86架構(gòu)兼容的CPU(IBM, MOTOROLA本身已有它們自己的一流的非x86架構(gòu)CPU)。有這么大的全球市場, 有技術(shù)設(shè)計能力, 有CPU研發(fā)經(jīng)驗, 又有龐大的全球的營銷網(wǎng)絡(luò), 為什么它們不去發(fā)展x86架構(gòu)CPU? 顯然，這不是技術(shù)能力問題。 是知識產(chǎn)權(quán)障礙和困難及市場壟斷問題。
Intel等老牌CPU廠家, 由于早期的市場進入和主導(dǎo), 申請和獲得了不少專利。 正如倪光南院士在“NC和自主知識產(chǎn)權(quán)CPU”—文中所說, “想繞過Intel的專利是非常難的”。

開發(fā)CPU市場壟斷
的障礙和困難
Intel和AMD已形成對x86架構(gòu)CPU市場壟斷。 高新科技產(chǎn)品在市場上嚴格奉行著“先入為主”、“一兩家獨大”的游戲規(guī)則。爭奪市場必須搶占先機，并且在經(jīng)過激烈地競爭后，最終將僅有最大一兩家公司分享整個市場的絕大部分。如微軟的DOS操作系統(tǒng)就是通過在早期捆綁IBM計算機出售，而迅速占領(lǐng)了市場，建立了不可撼動的地位。而在PC類CPU領(lǐng)域中，Intel和AMD就分享了幾乎所有的市場，就連通過兩次購并在1999年進入CPU市場，在業(yè)界排行第三的威盛，也僅能分到小于2％的全球市場份額。品牌的認知度和用戶的可接受性是對任何一個新產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。
打破CPU壟斷的難度有多大可從LINUX與微軟操作系統(tǒng)看出。 LINUX有全球的支持。全球開發(fā)LINUX沒有 像在中國開發(fā)通用CPU的技術(shù)基礎(chǔ)障礙和困難。全球開發(fā)LINUX沒有像開發(fā)CPU的知識產(chǎn)權(quán)障礙和困難。 但是在10余年之后, 在許多雄厚的商界的支持下, 甚至政府部門的行政干預(yù)下, LINUX仍然有待脫穎而出。 可見打破壟斷之艱難。
發(fā)展自己的嵌入式CPU
是可行之路
信息時代中，人們需要無處不在的連接和無處不能的資訊獲取能力，對于信息設(shè)備的需求遠遠超過了對PC的需求。我國目前PC年增長率只有30％左右，而網(wǎng)民的年增長率卻達到了200％左右。網(wǎng)絡(luò)第一次給予了大多數(shù)人能夠在同一時間獲得同樣的信息的可能，消弭了人們在信息獲取上速度的不平等。為進一步提高信息化程度，跨越隨之而來的“數(shù)字鴻溝”，市場迫切需求多方位、低廉的信息設(shè)備?，F(xiàn)在手機、PDA、機頂盒，?。危?網(wǎng)絡(luò)計算機)等產(chǎn)品有著廣闊的市場，作為這些信息設(shè)備核心的嵌入式CPU在如今顯得舉足重要。
嵌入式CPU領(lǐng)域的現(xiàn)狀與其它領(lǐng)域的“獨大”局面不同，相對來說它呈現(xiàn)的是一個百家爭鳴的景象。因為信息設(shè)備的種類繁多，且每類中的產(chǎn)品也是層出不窮，市場現(xiàn)在仍處于迅速擴張的初期階段，無法象PC和服務(wù)器領(lǐng)域一樣形成大公司壟斷的局面?，F(xiàn)階段嵌入式CPU的軟件也沒有被少數(shù)公司所壟斷。操作系統(tǒng)方面，我們可以選擇內(nèi)核開放的Linux。在這個仍處于混戰(zhàn)狀態(tài)的嵌入式CPU領(lǐng)域中，歷史第一次給予了我們發(fā)展建立自己的標準、建立核心優(yōu)勢、實現(xiàn)跳躍式發(fā)展的極好機遇。在IT業(yè)中，沒有什么比“標準”和“芯片”這兩個詞更有含金量的了。如PC領(lǐng)域中，Intel和微軟就掌握了整個產(chǎn)業(yè)鏈80％的利潤。在信息設(shè)備領(lǐng)域中，我們擁有世界上最有潛力的消費群市場。如在2001年，我國已超過了美國、成長為全球最大的手機市場。我們還有龐大的IT生產(chǎn)基地。我們完全可以結(jié)合自己的市場優(yōu)勢，發(fā)展有自主知識產(chǎn)權(quán)的嵌入式CPU，并利用在國內(nèi)的渠道優(yōu)勢，用市場推動標準的建立，跳躍性地進入到這個高回報率的領(lǐng)域中來。
一般來說，發(fā)展高科技產(chǎn)品可以走自主開發(fā)或合作開發(fā)兩條路線。一切從零開始的自主開發(fā)，普遍認為是不太現(xiàn)實的，市場也不會等待，并且有悖于“創(chuàng)新”和“速度”高科技產(chǎn)品占領(lǐng)市場不二的法寶，要希望在嵌入式CPU這樣的新興領(lǐng)域中建立自己的標準，就必須選擇一條快速發(fā)展的道路。另一條路線就是選擇一個在技術(shù)上已處于優(yōu)勢的合作伙伴共同開發(fā)，這樣可以利用現(xiàn)成的技術(shù)，快速地提升自己的技術(shù)水平和盡早地研制出自己的產(chǎn)品，這不失為一條適合我國發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)CPU的道路。
選擇合適的合作伙伴是成功的關(guān)鍵。在嵌入式CPU領(lǐng)域中，掌握嵌入式CPU核心技術(shù)的公司有Transmeta、威盛(VIA)、ARM和MIPS等。其中ARM、MIPS的CPU采用全新的架構(gòu)，與這類的公司合作，意味著軟件系統(tǒng)也將受其專利技術(shù)的限制。而威盛、Transmeta的CPU采用的是x86或兼容的架構(gòu)，可以很方便地利用現(xiàn)成流行的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，在技術(shù)少了一道發(fā)展的屏障。
從市場的發(fā)展趨勢看，現(xiàn)在應(yīng)是改變一味強調(diào)CPU不斷升級的時候了，各種BENCHMARK也指出，　瓶頸問題不再是CPU的絕對時鐘速度，　而是內(nèi)外部連接。提高一倍的時鐘速度可能才提高10％左右的總的執(zhí)行效能。威盛提出的“Total Connectivity”是對這個問題的全面解決方案 。信息時代強調(diào)的是全方位的連接和應(yīng)用，如何設(shè)計CPU使其能更好地應(yīng)用于各種信息設(shè)備中，這才是CPU發(fā)展的方向。順應(yīng)信息時代市場需要大量小巧、輕便的信息設(shè)備的趨勢，威盛、Transmeta的設(shè)計路線則是致力于打破以往的“越來越復(fù)雜”電路設(shè)計的概念，秉持著一個“小巧、簡單”的原則，整個CPU的設(shè)計也走向環(huán)保、低耗電與效能/晶體管的平衡性去努力。在同樣時效的產(chǎn)品中，因晶體管數(shù)少，所以芯片面積小，耗電量、表面散熱量也小。
發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的CPU還應(yīng)考慮到本國制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)在我國仍無0.18微米制程的芯片生產(chǎn)線，而嵌入式CPU的精簡化設(shè)計，使其可以在較低的制程上制造出符合市場的小面積芯片，這將全面帶動我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。