【展望2020】中国芯片设计：种类井喷、AI闪耀、工艺升级、焦点风暴

【编者按】风云幻化的2019年对于半导体行业来说，是动荡与机缘并存的一年。一方面是中美商业战、日韩交恶等原因带来的不确定性加大；另一方面，政策利好，科创板上市，国家大基金二期，新的应用如5G、AIoT又在不停催生工业热度。2020年，半导体市场会走向何方？身在局中的半导体企业又该何去何从？《集微网》年度专题“展望2020”，以媒体和企业视角透视半导体市场，对2020年举行多维度解读，为行业中“急行”的上下游企业提供镜鉴。

作者｜李延校对｜范蓉

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不得不说，美国对华为禁运促成了国产片芯片替代大潮，海内芯片在2019年遇到了这几年最好的光景。可是，如果顺着时间轴倒回几年前来视察，会发现中国芯片行业已经在蓄力了。无可相比的庞大消费市场，庞大的理工科结业生人群，另有政策的扶持和海归创业大潮，都为中国芯的腾飞做好了准备。恰幸亏2019年，随着引信点燃，整个行业就发作了。

百花齐放

2019年芯片全行业销售预计为3084.9亿元，第一次跨过3000亿元关口，比2018年的2577.0亿元增长19.7%。魏少军教授在2019年的ICCAD年会的陈诉中这样披露。

如果根据产物种类来说，2019年的国产芯片是百花齐放的局势，种种类型的芯片都已经泛起，一些重要的空缺被填补，一些领域在迫近领先者，一些领域则已经站上了潮头。

填补空缺的是国产存储芯片。险些在2019年的同一时间段，长江存储量产了Xtacking架构的64层256 Gb TLC 3D NAND闪存，长鑫存储则启动了DDR4的量产。国产存储芯片就这样离别了零时代。

迫近领先者的是手机中的5G芯片。国产芯片业的领军者海思公布了麒麟990 5G，这是业内首款公布的5G SoC。麒麟990 5G集成了5G 基带，支持NSA/SA双架构和TDD/FDD全频段，Sub-6GHz频段下实现2.3Gbps峰值下载速率，上行峰值速率达1.25Gbps。这颗芯片在降生之初就打破了多项纪录。厥后虽有竞品公布，性能依然压倒一切。

图1 麒麟990 5G

另一家著名的海内企业紫光展锐也公布了自己的5G基带芯片：春藤510。该芯片不仅支持5G NR Sub-6GHz 频段及100MHz带宽，还可同时支持向下兼容2/3/4G网络，支持SA和NSA组网方式。在全世界仅有几家能独立开发5G芯片的情况下，两款5G芯片的泛起，显示了海内芯片的第一团体已具有很强的开发实力。

图2 春藤510

站上潮头的主要是AI芯片。海内的起步并不晚，2019年泛起了多款很是精彩的AI芯片。

背靠阿里巴巴的平头哥不脱手则已，一脱手就祭起了屠龙刀，推出含光800。该芯片主要用于云端视觉处置惩罚场景，性能打破了其时的AI芯片记载。其性能及能效比全球第一，在芯片测试尺度平台Resnet 50上的详细分数为：性能78563 IPS，是第二名（15012）的5倍；能效比500 IPS/W，是第二名（150）的3.3倍。

图3 含光800

全能的海思则推出了昇腾910，设计功耗为 310W，其算力比英伟达 Tesla V100 还要横跨一倍，半精度（FP16）到达了 256 TeraFLOPS（英伟达 Tesla V100 为 125），整数精度算力（INT8）则为 512TeraOPS。

图4 昇腾910

由腾讯投资的燧原科技则推出了邃思DTU。据称单卡单精度算力为业界第一，达20TFLOPS，首次支持混淆精度，半精度及混淆精度下算力达80TFLOPS，最大功耗仅225W。

图5 邃思DTU

同时，寒武纪、地平线、黑芝麻、探境科技等也纷纷推出特色各异的AI芯片，让这个领域在2019年红遍天下。

在AI芯片之外，凭借着火爆的市场，一种特殊类型的国产芯片已经悄悄霸了榜。这就是TWS芯片。以恒玄、中科蓝讯、珠海杰理为代表的海内企业，无论是性能还是出货量，都保持在业界前列，绝大部门的市场份额已成中国企业囊中之物。

芯片中另有一个关键的种别就是模拟芯片，其涵盖了电源治理、AD/DA、种种放大器和接口等多种类型。2019年，海内模拟芯片的体现是稳步上升的，一些细分领域，如电池治理等，已有南芯半导体这样的公司，开始实现对外洋品牌的替换。最为重要的是，一些受美国管控的高端芯片，如高速ADC等，以海思为代表的一批海内公司也具备了设计能力，只是受限于现在的工艺水平，暂时还不能量产。

总体来说，国产芯片已经进入全面大发作的临界点。

工艺水平

芯片设计能力的一个重要体现就是工艺水平，即线宽巨细。

凭据披露的信息，麒麟990 5G已经用到了全球最先进的7nm+EUV工艺，其同门师兄弟昇腾910也属这个水平。紧随其后的是平头哥的含光800，工艺水平是7nm。接下来，就是接纳12nm的芯片，知名度较大的有春藤510和邃思DTU。可以说，最先进的设计水平上，海内已与国际顶尖相看齐。

就像一个姚明不能代表中国篮球的水平一样，顶尖芯片只是少数，海内大部门芯片仍处在中低端水平。

凭据中芯国际2019年第三季度营收，从工艺结构来看，0.15/0.18μm占比35.80%(环比-2.8pcts)，仍为最大应用节点，主要对应电源治理IC、图像传感器、MCU、嵌入式闪存等；55/65nm占比29.3%(环比+3.1pcts，收入增量0.32亿美元)，需求主要对应NORFlash、MCU、射频芯片等，40/45nm占比18.5%(环比-0.7pct)，需求主要对应消费电子SoC、DSP、ISP芯片、WiFi/蓝牙芯片、SLC NAND等。

作为中国大陆地域最大的晶圆代工厂，这些数据从侧面反映了现在海内芯片的工艺水平。而且，现在海内28nm以上成熟工艺制造能力缺口为35万片/月（合12英寸）。所以，28-40-55nm的工艺是现在海内芯片的主流工艺水平。

实际上，28nm工艺现在还是很受接待的。据Gartner统计，16nm /14nm芯片的平均IC设计成本约为8000万美元，而28nm体硅制程器件约为3000万美元，设计7nm芯片则需要2.71亿美元。单论成本，28nm优势显着，将保持较永生命周期。一方面，相较于40nm及更早期制程，28nm工艺在频率调治、功耗控制、散热治理和尺寸压缩方面具有显着优势；另一方面，由于16nm/14nm及更先进制程接纳FinFET技术，维持高参数良率以及低缺陷密度难度加大，每个逻辑闸的成本都要高于28nm制程的。

模拟芯片的工艺水平又当别论，其仅有部门接纳CMOS工艺，另有许多接纳BCD、CDMOS工艺，产物强调的是高信噪比、低失真、低耗电、高可靠性和稳定性，制程的缩小反而可能导致模拟电路性能的降低。许多高性能的模拟芯片，都需要特殊的工艺。TI、ADI等顶尖大厂都拥有自己的晶圆厂，可以开发特色工艺，从而提高芯片性能。这一点，海内的模拟芯片厂商还不具备相同的条件。

焦点风暴

对于芯片的IP焦点，大家已经不生疏了。就像搭积木一样，使用成熟的、经由验证的IP核，让芯片设计大为简化。成都锐成芯微CEO向建军告诉记者，现在海内靠近90%的芯片设计公司都在使用IP核。芯片设计的各个环节都重度依赖于IP 的选择，IP 供应商和芯片设计公司之间的关系也越来越精密。

全世界最著名的IP供应商就是ARM，不管是海思的麒麟芯片，还是种种国产MCU，都有ARM Inside。除了ARM之外，两家EDA巨头Cadence和Synopsys也是IP授权大户。整个IP市场，以ARM为首的五大IP巨头占据了72%的市场份额。

相比起来，海内的IP工业就比力落伍了。“海内IP公司的技术领先性不大，整体规模都比力小，大部门都在较低端领域，同质化比力严重。”向建军表现。

在海内IP市场，外洋IP的市场占有率凌驾85%，特别是中高端IP领域，险些被外洋IP企业垄断。国产IP企业因研发实力和产物性能等原因，仅能抢占部门低端IP市场。

根据技术种类划分，处置惩罚器IP占56%，接口IP占19%，种种PHY占16%，其他的占9%。海内的IP供应商，基本只能提供前两项，还多是中低端的产物。

芯片内核的问题，就像达摩克斯利剑一样，高悬于中国芯片业头顶。不外，在2019年，一扇难过的时机之门对中国企业打开了，这就是RISC-V。

2019年7月，阿里平头哥公布芯片玄铁910，号称RISC-V架构最强芯片。性能方面，玄铁910比世界上的主流RISC-V指令性能提升4成，是现在RISC-V阵营里算力最强的芯片。这条新闻一泛起，就将RISC-V酿成了一个热词。而实际上，中国许多芯片公司都开发了基于RISC-V的芯片。

图6 玄铁910

RISC-V是一个开源的指令集，用来开发处置惩罚器是免费的。固然，用开发好的RISC-V内核又是另一回事。它另有一个利益，就是不受美国出口管制。事实上，在美国开发的开源RISC-V处置惩罚器（不思量托管平台的因素），也是不会受到美国出口管制。

“X86垄断，ARM太贵”，于是RISC-V就成了海内芯片新希望的象征。可是，能否构建一其中国RISC-V的生态，与X86和ARM三分天下，还需要时间来磨练。

跨过挑战

一款28纳米芯片的设计成本约为5000万美元，7纳米的设计成本上涨到3亿美元，而预测3纳米的芯片设计成本将到达难以置信的15亿美元之多。

高昂的开发用度是横在中国众多中小芯片公司眼前的大山。不外，这不是中国芯片设计水平不高的捏词。

“如果给一个团队无限富足的资金和时间，那肯定能造出来很精彩的芯片，但实际情况完全做不到。设计芯片，往往会受到许多条件的限制。”北京石溪清流投资公司总司理孙坚认为，这也是许多从外洋回来的牛人团队并纷歧定能设计出好芯片的原因。

从产物界说开始，一颗芯片的运气往往就被决议了。许多功效很是强大的芯片，最后往往是水土不平，铩羽而归。固然，如果产物界说没问题，这颗芯片也纷歧定就乐成。设计的流程很长，从前端到后端，一步都不能堕落，甚至要做到优秀。

“海内公司在设计流程规范和品质要求方面，还需要进一步提升，要实现成本最优到成本与性能俱佳的转变。”向建军表现。

这些如果都做到了，就要看最焦点的，那就是人。优秀设计者才气赋予芯片以灵魂。就以模拟芯片来说，需要设计者有富厚的履历，这正是海内所欠缺的。鼎兴量子投资公司合资人吴叶楠认为：“海内的IC工程师大部门一开始就是接触数字的，没有履历过一个完整的集成电路从模拟到数字的生长历程，所以根本还是差距大。”

“我们的工程人员是什么情况下造就出来的？从家庭、学校、社会到事情所受的影响是怎样的？敬业的精神如何？作风的踏实度如何？和台湾等工程人员的差异？与西欧工程人员的异同？这些都是差距。”EDA专家陈春章博士这样认为。

但要解决这个问题，就非一日之功了。幸亏中国芯片行业的人才基础越来越牢靠。凭据《中国集成电路工业人才白皮书（2018-2019年版）》显示，2018年我国高校结业生为820万人，集成电路相关专业的结业生总和约为19.9万人，结业后从事集成电路领域事情的人员约为3.8万，即有19%的集成电路相关专业的学生进入本行业事情，这一比例比上年提高了7个百分点。其中，示范性微电子学院本科及以上结业生的这一比例为46.5%，硕士及以上比例更高，为73.2%。

这样一看，中国芯片设计的后劲还很足。

展望2020年

无论是追随全球IC整体设计的大趋势，还是自主替代的推动，海内的IC设计都将在2020年加速生长。

在最先进的工艺水平上，以海思为代表的第一团队将继续与海内领先水平同步。台机电将在2020年上半年实现5nm工艺的大规模量产，海思会是首批客户，代号巴尔的摩(Baltimore)的麒麟1020（名称暂不确定）将使用最新的5nm工艺。而且，其CPU架构升级到Cortex-A78，相比麒麟990来说性能提升可达50%。相信这不会是唯一使用5nm的国产芯片，同等工艺的产物也会陆续泛起。同时，在2019年使用12nm工艺的芯片，其后续版本将升级到7nm。

在创新度最高的AI芯片领域，国产芯片也将继续大放异彩。在应用层面，针对语音的AI芯片将是重要生长防线。因为语音芯片的技术门槛相比于视觉芯片较低，而且有出货量庞大的智能音箱产物作为支撑，所以会有更多的玩家涌入这个市场。同时，云端AI芯片也将有大的生长，寒武纪、比特大陆、燧原科技等在2019年都推出了云端AI芯片，这些芯片都将在2020年量产。在刚刚竣事的CES上，有几家海内的初创公司都展示了自己的AI芯片，涵盖了云端训练、云端推理等偏向。

在处置惩罚器架构方面，RISC-V已经具备了相对比力完善的软硬件生态，将有更多的海内芯片公司开始试水。最主要的偏向就是MCU，使用RISC-V内核的国产MCU会大量涌现。RISC-V生态在本土扎根发芽，随着大量生态互助同伴的加入，将以软硬协同的方式输出更多差异化产物。

在整体设计偏向上，随着许多公司加入IC设计阵营，不管多芯片还是多Chiplet(芯粒)的设计增长都很猛烈。特别是Chiplet，会在2020年受到更多的关注。由于传统芯片设计模式无法高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求。基于芯粒的模块化设计方法用先进封装的方式将差别功效“芯片模块”封装在一起，可以跳过流片快速定制出一个切合应用需求的芯片，进一步加速了芯片的交付。在2020年，会有更多的公司实验Chiplet的设计方式。

2020年，另有更多的新市场热点发作，会使得某类型的芯片快速蹿红。好比，最近蓝牙同盟就公布了最新的BLE Audio尺度，这就将加速TWS芯片市场的格式变化。这样的故事，相信在2020年还会多次泛起。

展望2020年，中国芯片设计会在2019年的基础上，继续策马狂奔。

图源｜网络

转自：《天天IC》