华为造芯陷入困局,国产集成电路崛起之机?

芯片在智能汽车中扮演的是「大脑」的角色,如果连「大脑」都不受控制,那中国在智能汽车领域要实现弯道超车以及领先世界又何从谈起?

2019 年 5 月,美国商务部正式将华为列入「实体清单」(Entity List),禁止美国企业向华为出售相关技术和产品。

华为造芯陷入困局,国产集成电路崛起之机?

一年后,华为等来的不是解除限制,而是制裁升级。

今年 5 月,美国商务部工业安全局(BIS)宣布将严格限制华为使用美国的技术、软件来设计和制造半导体芯片。

需要特别指出的是,包括那些处于美国以外,但被列为美国商务部管制清单中的生产设备,如果有公司要为华为海思代工芯片,也需要获得美国政府的许可。

在这项禁令真正落地前,华为有 120 天的缓冲期,对于华为来说,今年 9 月份将迎来「至暗时刻」。

众所周知,芯片是华为各大业务线各种产品的关键组件,称其为华为的「命门」也不为过。

影响华为各大业务线的关键芯片,包含了智能手机 SoC 芯片(麒麟系列)、AI 芯片(昇腾系列)、服务器芯片(鲲鹏系列)、5G 通信芯片(巴龙、天罡系列)以及路由器芯片等等。

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这些芯片都是由华为旗下的半导体公司海思负责设计和研发的。

美国此次的限制措施,矛头直指海思,进而威胁到华为的各条产品业务线,这里就包括了华为刚成立不久的智能汽车解决方案事业部。

在汽车之心此前的文章中,我们对华为智能汽车相关芯片进行了梳理,目前其产品主要有构建 MDC 智能驾驶平台的 AI 芯片昇腾以及高性能 CPU 鲲鹏,还有应用在智能座舱层面的 5G 通信芯片巴龙 5000

芯片作为未来智能汽车最关键的「增量部件」,昇腾鲲鹏巴龙的这 3 款芯片,很可能成为决定华为智能汽车业务成败的「胜负手」。

但随着美国对华为的制裁升级,这些「胜负手」反过来变成了「卡脖子」问题。

华为海思还能自行设计芯片吗?

一颗芯片的诞生可谓是在头发丝上建造万丈高楼,包含图纸设计、施工、装修等过程,这些过程分别对应的是芯片的设计制造以及封装测试

围绕这些组成部分,已经衍生出了完整的集成电路(IC)产业链。

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美方此次矛头对准的华为海思,就是典型的芯片设计厂商,业内称之为 Fabless 模式,只设计不生产。

芯片制造的代表厂商则是台积电(TSMC)、中芯国际(SMIC)这样的企业,采用的是 Foundry 模式,只代工不设计。

而针对芯片的封装测试,国内则以长电科技这样的公司为代表。

至于为何要分而治之,是因为芯片生产的产业链很长,每一个环节都需要投入大量的资金,如果一家企业都要包圆的话,其在资金、人才以及技术方面面临压力将非常大。

美国的德州仪器(TI)是很早崛起的既做芯片设计又有自己的晶圆厂的巨头,其模式被称为 IDM(Integrated Device Manufacture)。

早年,国内的中芯国际也想从 Foundry 向 IDM 模式转型,但是因为当时优秀的芯片设计人才极其短缺,转型的想法最终不了了之。

接下来,我们将结合华为海思自研的与智能汽车业务相关的几款芯片,来看看美方对华为的制裁升级带来了哪些「卡脖子」问题。

1、芯片架构

对于芯片设计来说,非常核心的部分就是架构的打造。架构决定着芯片的性能。

华为海思作为一家芯片设计厂商,目前在 CPU 和 GPU 方面都没有自己的核心架构,需要从 ARM 购买架构授权 IP 核授权

  • 华为在 2019 年 1 月发布的「鲲鹏 920」,就号称是业界基于 ARM 架构的最高算力芯片。
  • 另一款 AI 芯片昇腾 310 虽然采用了华为自研的达芬奇架构(Da Vinci),但是达芬奇架构依然是基于 ARM 核心打造的,只不过华为在其中加入了 AI 加速器以及其他组件,形成了一个新架构。
  • 巴龙 5000 通信基带芯片与鲲鹏和昇腾不同,属于网络芯片,采用的是华为自研的架构,不受 ARM 架构授权的影响。

上面仅仅是 3 款芯片的案例,ARM 架构对于华为海思芯片的设计影响深远。

那既然是有求于人,也必将受制于人。

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ARM 虽然是英国科技公司,但在很多关键技术上要仰赖于美国。

ARM 在 2012 年通过收购的方式取得了 MIPS 公司的多数专利,这些专利主要分布在处理器设计、SoC 设计以及其他技术领域。

大家知道 MIPS 在通信和高性能计算领域有相当重要的地位,而这是一家美国企业,其研发成果自研归属于美国。

另外,ARM 的核心 CPU 架构研发中心放在了美国德克萨斯州的奥斯汀市。

而后 ARM 在 2016 年被日本软银收购,迫于美国的淫威,ARM 也不得不站到华为的对立面。

最近 ARM 停止给华为芯片架构技术授权的消息满天飞,ARM 中国区执行董事长兼 CEO 吴雄昂被免职的「罗生门」也闹得沸沸扬扬。

所发生的一切都指向的是同一个问题:未来没有了 ARM 的技术授权,华为的自研芯片将何去何从?

短期看,华为此前已经拿到了一些 ARM 芯片架构的永久授权,可以不受「断供」影响,比如 ARM v8 架构就永久授权给了华为。

但是,从长远看,ARM 的芯片架构以及 IP 核心都会不断迭代升级的。

一旦 ARM「断供」华为,华为就拿不到最新的芯片架构和内核,也意味着研发不出性能更优的芯片产品。

在讲求不断迭代升级的智能汽车产品上,昇腾、鲲鹏这些芯片如果不能持续提升性能,是没有办法和其他的竞争对手一较高下的。

这对于华为刚刚起步的智能汽车业务发展来说,其实产生了不小的影响,是华为未来不得不面对的困境。

唯一的出路就是自研芯片架构,但这意味着包括时间和资金上巨大的投入,而且还要承担自研架构性能跟不上来的风险。

在华为之前,三星、苹果都自研了芯片架构,但是基本上在性能方面都跟不上 ARM,只能在一些低端产品上采用自家架构的产品,其他产品仍高度依赖于 ARM 的架构。

芯片架构之外,美国对华为新的制裁条款里,还特别提到了对「芯片设计软件」的限制。

2、EDA 软件

华为海思的确有自己设计芯片的能力,但是用于芯片设计的高端软件仍然依赖于海外,这不是华为海思一家的问题,这是所有国产芯片开发企业共同面对的问题。

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在 IC 设计的 EDA(Electronic Design Automation)工具领域,目前全球公认的领先企业全部来自美国,CadenceSynopsys 和 Mentor Graphics 三家企业占据了全球 90% 以上的市场份额,几乎形成了垄断之势。

所以华为海思设计芯片,免不了要向这些美国公司购买软件。当美方严苛的半导体政策制裁来临,华为的 EDA 软件供应成为棘手的问题。

事实上,华为在吸取了 2018 年中兴通讯事件的教训后,已经向这些 EDA 公司购买了软件的长期使用权限,所以在短期内,华为海思还能使用这些工具。

但是和 ARM 架构一样,这些 EDA 软件将会随着芯片性能、工艺制程等改进而不断迭代版本,而这些新版本软件,华为未来有钱也买不到了。

其实 EDA 软件本身的研发难度并没有那么大,很多国产供应商也能顶上。

但是对于应用软件来说,生态打造用户积累是更为重要的,没有生态和用户,再好用的软件也难以成熟。

国产 EDA 软件们的最大问题就在这里。

当然,EDA 软件的国产化突破是必须要实现的,只是不知道这杆大旗会在华为的推动下被哪家企业接过去。

所以在 EDA 软件上,美方对于华为的限制并不是一击致命的,而是长期的折磨。限制的不是眼前,而是扼杀华为自研芯片的未来潜力。

通过对芯片架构以及芯片设计软件的「断供」,美国对华为海思的芯片设计能力进行了精准打击。

这还不够,特朗普政府还要在芯片制造领域对华为进行「绞杀」,如果华为的芯片制造不出来,设计得再好也不过是一堆废电路图纸。

华为芯片制造的困境

华为最为仰赖的芯片代工厂莫过于台积电了,这家中国台湾企业如今已是全球芯片代工界的一哥,其在全球的市场占有率接近 60%,可谓独孤求败。

今年一季度台积电营收达到 103.06 亿美元,高居全球晶圆代工厂营收榜首。

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领先不只体现在市场层面,台积电的芯片制造工艺也是全球领先的,特别是其在 7nm5nm 甚至更低的工艺制程方面,基本上没有像样的对手。

2019 年,华为给台积电带去了超过 50 亿美元的营收,占台积电当年营收的 14%,华为也成为了台积电的第二大客户,仅次于苹果。

在先进的 5nm 制程工艺代工方面,台积电最大的两个客户是苹果和华为。

可见,台积电对于华为来说,重要性非同一般,反过来,华为也是台积电不能割舍的大客户,二者互相成就。

但是这样互相成就的关系却在今年 5 月被美国的一纸禁令无情打破了,台积电将在不久的将来停止为华为代工芯片,这将形成双输的局面。

台积电虽是总部位于台湾的企业,也未在美国本土建厂,但是其最大股东是美国的资本,所以台积电依然要受美国政府的控制。

抛开资本不谈,台积电的很多芯片制造设备、技术,甚至是制造设备里面的工程材料以及光电器件都来自美国,所以美国政府可以对台积电进行管控,有权决定台积电能为谁代工、不能为谁代工。

对于芯片制造而言,最关键的设备就是光刻机了,而全球能提供光刻机的企业屈指可数,其中就包括了荷兰企业阿斯麦尔(ASML),美国企业应用材料(AMAT)、KLA-Tencor  Lam Research 等。

这些企业基本都得受老美的管控,芯片代工企业要向这些公司采购设备,都要看美国政府的脸色。

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即使是位于荷兰的全球光刻机一哥 ASML,因为他们的设备里使用了美国工程材料和光电器件生产商 II-VI 和美国光学元件供应商 Lumentum 等供应商的技术,所以也难逃老美的「上帝之手」。

2018 年,中芯国际好不容易从 ASML 采购到一台 EUV 光刻机,被美国频频阻挠至今未能交货,这也反映了国内在先进半导体制造设备上的「造不如买、买不如租」的窘境。

在芯片制造工艺上,目前全球两大主流工艺 FinFET  FD-SOI 技术的发明人是美籍华人工程师胡正明教授,毕业于加州伯克利大学,他曾是台积电的首席技术官。

从这点也可以看出,台积电在技术上依赖于美国的程度有多深。

再回过头来看华为智能汽车业务相关的昇腾、鲲鹏和巴龙这 3 款芯片,此前都已经确定台积电作为代工厂。

其中,昇腾 310 采用的是 12nm 制程工艺;鲲鹏 910 采用的是更为先进的 7nm 制程工艺;巴龙 5000 也是 7nm 工艺。

短期内,这三款芯片由台积电代工应该问题不大,因为据台湾《经济日报》报道,华为在 120 天缓冲期之前已紧急对台积电追加高达 7 亿美元订单,产品涵盖 5nm 及 7nm 制程,使得台积电相关产能爆满。

其中,5nm 主要生产华为下一代旗舰手机麒麟 1020 芯片,7nm 则是生产 5G 基带芯片,巴龙 5000 基带芯片大概率还是台积电代工。

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而在更早的时候,华为已开始将芯片制造订单从台积电分散,比如在去年原本由台积电代工的 12nm 麒麟 710A 已转由中芯国际 14nm 代工。

芯片代工厂的迁移并没有那么简单,因为每家厂商的制程工艺都是不同的,工艺参数也不相同,这就导致了更换代工厂还要进行相关电路的重新设计,耗时、耗力、耗费资金在所难免。

但这都是要挨过去的阵痛,一旦未来台积电完全不接华为海思的订单,即使华为还能从日韩、欧洲半导体厂商中寻找到机会,也难保有一天不被人牵着鼻子走。

归根结底,华为必须要努力寻求芯片的国产化替代。

华为芯片设计和制造的国产化替代

半导体芯片设计和制造的「国产化替代」其实是老生常谈的话题,中国集成电路产业发展一直都是规模不大、实力不强。

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华为现在所遭受的困局,正在为整个国产半导体芯片产业敲响警钟,除了崛起和自强,我们没有其他选择。

但自强又谈何容易,国产的 EDA 软件芯片制造设备芯片产品本身,其实都没有太多市场认可度。

除了能够自产自销的华为海思芯片,其他多数国产芯片基本都在低端市场里走不出来。

要么就是价格便宜、性能不行,要么就是性能可以、要价太高,在这种没有形成市场正向循环的大环境下,量上不去,价格压不下来,没有出货和现金流,性能提升又无从谈起,国产芯片的自强进入了死胡同。

随着美国对华为制裁的升级,华为本身也意识到了国产替代的重要性,已经开始加大与国产半导体企业的业务量。

而且,华为也开启了与国内相关企业的协同研发,让他们在自己芯片产品设计和制造的更多环节中参与进去。

这是整个国内集成电路产业生态变化的开始。

针对芯片制造领域,在美国新的禁令发布之前,华为海思已经在将订单转移至中国大陆最大的芯片代工厂中芯国际,主要是 14nm 芯片的生产。

为此,中芯国际在今年 2 月花费高达 6 亿美元向美国 Lam Research 公司采购相关的设备用于生产晶圆。

一个月后,又斥资 11 亿美元向美国应用材料(AMAT)、日本东京电子公司采购设备,同样是为了生产晶圆。

不断地投钱、不断地新增设备,中芯国际的目的就是为了扩大 14nm 芯片的产能。

根据中芯国际联席 CEO 梁孟松此前的规划:「14nm 工艺(包含改进型的 12nm 工艺)芯片月产能将在 2020 年 7 月份达到 9K 晶圆/月,在 12 月达到 15K 晶圆/月。」

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产能达标后,中芯国际将转而追求更高标准的芯片工艺,其中 N+1 芯片工艺相当于台积电 7nm 低功耗工艺级别,而 N+2 芯片工艺则有着更高标准的性能提升,相当于台积电 7nm 高性能工艺级别。

这意味着,中芯国际直接越过 10nm 工艺,直接跨代研发 7nm 工艺,预计在 2020 年 Q4 季度面世。

但需要认清的现实是,即便中芯国际真能在今年第四季度量产稳定的 7nm 工艺,其与台积电的之间还存在量产时间差和产能差。

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此外,根据今年 6 月 6 日中芯国际发布的声明,称其由于美方禁令的原因,无法为「若干客户」代工芯片。

这里的「若干客户」应该包括了华为,这意味着即使中芯国际掌握了 7nm 工艺,也很可能无法向华为海思提供。

这里面最关键的阻挠应该还是芯片制造关键设备——光刻机进口自美国,中芯国际才会受到限制。

在国产高端光刻机真正造出来之前,恐怕这个问题是个死结。

等到 120 天的缓冲期过去,华为的芯片设计以及制造的供应问题将如何解决,目前还看不到明朗的方案。

国产化替代是必须要走的一条路,也是华为现在能选的最好出路,即使现在仍然荆棘丛生、困难重重。

打造中国智能汽车「大脑」

今天华为在半导体领域所面临的困境,也是未来想做大的中国芯片企业们很可能要经历的。

目前国内很多芯片厂商,很大程度上需要依赖于国外,特别是美国厂商的技术、产品和服务,芯片和计算平台真正走向自主化还有太长的路要走。

大方向是不变的:无论是芯片的设计还是制造,未来都必须形成自主的能力。

即使我们不追求将所有技术和产品都包圆,但也要为自己准备好「备胎」、Plan B。不是每一家芯片公司都能像华为海思一样,背后有华为经济体的支撑,有较强的抗风险能力。

回到华为刚刚组建不久的智能汽车解决方案事业部,经过一年多的发展,这个部门已经取得了很多技术和产品上的进展,特别是在自动驾驶计算平台以及智能座舱的通信平台方面。

但老美的禁令一下,这个刚刚有起色的业务线势必受到影响,芯片如果不能制造出来,也不能进行性能迭代,那华为的智能汽车业务也就失去了立身之基。

从这一点看,华为智能汽车业务的未来发展就此被蒙上了一层阴影。

对于国内诸多智能汽车芯片研发企业来说,无论是初创公司独角兽还是集成电路国家队,华为的困局值得警醒。

芯片智能汽车中扮演的是「大脑」的角色,如果连「大脑」都不受控制,那中国在智能汽车领域要实现弯道超车以及领先世界又何从谈起?

本文为汽车之心原创文章,作者:陈念航,如需转载,请联系授权。违规转载法律必究。

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