舊年將逝，總少不了對新年的展望。當(dāng)然，我指的不是新年聚會上的客套祝福語，而是科技發(fā)展趨勢。這不，保持一年一預(yù)測的阿里巴巴達摩院又發(fā)布了2020年十大科技預(yù)測，其中一條格外引人注目：2020年，芯片敏捷設(shè)計成為后摩爾時代芯片開發(fā)新模式。
這條預(yù)測之所以引人注目，緣于這樣一個事實：國產(chǎn)芯片公司，包括華為海思、中芯國際、紫光集團等頭牌企業(yè)一年的營業(yè)收入頂不上一個英特爾。對中國芯來說，改變落后局面，不僅需要大筆真金白銀投入，更需要商業(yè)模式創(chuàng)新，以推倒芯片設(shè)計“成本墻”。
現(xiàn)在，芯片設(shè)計“成本墻”，已經(jīng)成為影響國產(chǎn)芯片未來發(fā)展的重要因素。而歷史證明，唯有推倒“成本墻”才能迎來行業(yè)大變局，讓后來者搶到迎頭趕上的機會。
高通差點一口氣接不上在大多數(shù)人看來，芯片設(shè)計行業(yè)的專利保護是一種令人望而生畏的存在。其實，比“專利墻”更可怕的，是“成本墻”。
今天的許多芯片大佬，二十多年前，都曾飽嘗過芯片設(shè)計“成本墻”的碰壁之苦。
1990年2月，成立不到5年的高通在CDMA上押上大部分家當(dāng)，開始端起芯片設(shè)計的飯碗，組建了一支大約30人的設(shè)計隊伍，進行通信芯片所有的核心設(shè)計、開發(fā)以及測試工作。當(dāng)時，芯片設(shè)計的技術(shù)門檻還不高，主流的芯片還是DRAM內(nèi)存，英特爾剛剛將經(jīng)營重心轉(zhuǎn)向CPU，486芯片推出不到一年，它僅有120萬個晶體管。
但是，芯片設(shè)計的成本墻卻不低，有大概數(shù)千萬美元，算不上天文數(shù)字，但也足以讓創(chuàng)業(yè)公司高通難以負擔(dān)。
啟動芯片設(shè)計項目前，由于有AT&T、NYNEX Mobile、Ameritech Mobile、摩托羅拉、OKI電子和Pactel等六家公司承擔(dān)芯片初期開發(fā)成本，高通CEO歐文.雅各布才下了進軍芯片設(shè)計的決心。
不過，到1991年9月，高通還是撐不住了，現(xiàn)金流幾近枯竭，賬上現(xiàn)金只剩12.5萬美元，都不夠給員工發(fā)工資。幸運的是，當(dāng)年12月高通IPO成功，順利融資6800萬美元，接上了那口氣，完成CDMA試驗和芯片設(shè)計。
撐過艱難時期的高通，成長為移動SOC芯片設(shè)計領(lǐng)域的頭牌企業(yè)，如果它晚幾十年進入這一行業(yè)，面對高聳的“成本墻”，可能會知難而退。
中國芯難以承受之重二十多年后，芯片設(shè)計的成本墻呈指數(shù)級攀升，一款高端SOC芯片的設(shè)計成本需要數(shù)億美元。華為fellow艾偉曾透露，采用7nm工藝的麒麟980的研發(fā)成本超過3億美元。
3億美元的設(shè)計成本接近中芯國際2016年全年凈利潤，超過了目前上市的中國半導(dǎo)體50強中的30家利潤的總和（2016年數(shù)據(jù)），這就意味著國產(chǎn)芯片企業(yè)很難涉足高端芯片設(shè)計。
這也是目前僅有華為海思一家公司邁入高端芯片設(shè)計領(lǐng)域的原因，因為翻不過“成本墻”。
高端SOC芯片玩不起，中低端的總可以玩吧？也不容易玩！
以偏中低端的28nm工藝的SOC芯片為例，完整的EDA工具版權(quán)費超500萬元人民幣，購買內(nèi)存控制器等外圍IP的費用也超過500萬元，設(shè)計人力成本支出每年1000萬元，流片和封裝測試費用大約1500萬元，設(shè)計總成本超過3500萬元人民幣。
3500萬元人民幣也超過中國目前多數(shù)芯片公司的利潤。換句話說，設(shè)計一款低端SOC芯片，對多數(shù)國產(chǎn)芯片公司來說，也面臨巨大的風(fēng)險，因為搞不好，公司就會從盈利跌入虧損。
高聳的芯片設(shè)計成本墻，正成為中國芯難以承受之重。
如何壓低或推倒“成本墻”？太平洋對岸的美國或許可以給出啟示，因為30多年前它也曾遭遇同樣難題。
美國用MOSIS壓低成本墻，成功反擊日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上世紀80年代，美國半導(dǎo)體行業(yè)面臨芯片設(shè)計成本重壓，逼的英特爾、德州儀器、摩托羅拉、IBM等頭牌企業(yè)，不得不收縮專用芯片設(shè)計生產(chǎn)，轉(zhuǎn)向通用芯片，以攤薄研發(fā)成本。
其中，英特爾將專用芯片Intel4004改造為通用芯片，推出Intel8008和Intel8080。Intel8080雖然是具有劃時代意義的第一塊8位CPU，背后卻是英特爾滿滿的成本重壓下的苦澀。由于通用芯片設(shè)計成本低于專用芯片，導(dǎo)致專用芯片發(fā)展裹足不前，沒有成為一個獨立分支，等于給日本人留下一個市場空擋。
這時候，雪上加霜的是，在DRAM芯片行業(yè)，美國已經(jīng)被日本全面擊潰。
芯片行業(yè)這一嚴重狀況，引起了美國軍方和工業(yè)界對微電子領(lǐng)域的高度重視。美國決心利用自己的芯片設(shè)計優(yōu)勢，推進專用芯片（ASIC）的發(fā)展，以彌補和日本競爭時的工藝技術(shù)短板。
1980年美國國防部在南加州大學(xué)投資建立了MOSIS（MOS Implementation System），目的就是降低專用芯片設(shè)計成本。
MOSIS官網(wǎng)
MOSIS 采用多品種掩膜技術(shù)模式，將幾十種乃至上百種不同設(shè)計，做到同一套掩膜版上，并放到同一塊晶圓上流片，大幅降低了芯片設(shè)計與流片成本。僅掩模版這一環(huán)節(jié)，就將成本從超過5萬美元降到最低400美元，降幅最高達到99.2%。
同時，MOSIS又開發(fā)出SCMOS（Scalablc CMOS）工藝，它可以讓同一種芯片版圖采用不同工藝，為用戶節(jié)省了修改芯片設(shè)計版圖的費用。
MOSIS整合了全美芯片設(shè)計資源，還整合了各半導(dǎo)體廠家的最新工藝技術(shù)（掩膜版和流片），近 40 年來 MOSIS 為大學(xué)和研究機構(gòu)流了 60000 多款芯片。這一創(chuàng)新模式使芯片的整個研發(fā)成本降低到了原來1/50，使美國芯片設(shè)計迎來大爆發(fā)。
MOSIS還獲得意外大禮包，直接催生了新的商業(yè)模式——無晶圓廠模式（Fabless）。由于MOSIS成功壓低芯片設(shè)計“成本墻”，數(shù)百家芯片設(shè)計新興創(chuàng)業(yè)公司如雨后春筍冒出，集中在1985年前后創(chuàng)立，其中的英偉達（NVIDIA）、高通（Qualcomm）、博通（Broadcom）和賽靈思（Xilinx）等成為各自細分行業(yè)的領(lǐng)投羊。
靠著MOSIS這一創(chuàng)新模式，美國牢牢掌控了芯片設(shè)計制高點，最終完成對日本芯片業(yè)的防守反擊，成功衛(wèi)冕全球高技術(shù)領(lǐng)域冠軍地位。
那么，對處于追趕狀態(tài)的中國芯來說，該如何創(chuàng)新地推倒芯片設(shè)計“成本墻”呢？
中國芯：未來像做互聯(lián)網(wǎng)那樣做芯片設(shè)計？中國目前做的最成功的行業(yè)當(dāng)屬互聯(lián)網(wǎng)，電商、網(wǎng)絡(luò)社交、共享打車、生活服務(wù)等領(lǐng)域，都分別孕育出全球級巨頭。在關(guān)系未來發(fā)展的全球獨角獸TOP10榜單上（2018），中國的互聯(lián)網(wǎng)公司占了5席。
要知道，中國的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)二十多年前完全是美國的舶來品，起步比美國慢了至少十年，最初的商業(yè)模式也是“山寨”硅谷互聯(lián)網(wǎng)公司，為何卻能蓬勃發(fā)展為全球一支重要的行業(yè)力量？答案是，除有10億計的龐大市場哺育、創(chuàng)始人銳意進取外，還有開源的軟件技術(shù)支持。
淘寶購物、微信、QQ聊天等我們今天離不開的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，都運行在開源系統(tǒng)Linux之上。如果沒有Linux，BAT等中國今天的互聯(lián)網(wǎng)巨頭，初創(chuàng)時將不得不從零開始造“輪子”——寫系統(tǒng)軟件，對當(dāng)時技術(shù)薄弱的中國創(chuàng)業(yè)公司來說，這是一個不可能完成的任務(wù)。
但由于有比較成熟的開源軟件庫的存在，中國的互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)公司可以從中找到合適的模塊，根據(jù)自己的需要做出修改后，最快可以在一個月里搭建出一個業(yè)務(wù)原型，所需要的開發(fā)人員最少只需要3到5人。然后輔以敏捷開發(fā)——根據(jù)市場需要快速迭代，不斷貼近客戶需求，最終占領(lǐng)市場。
價值上百億美元的開源軟件庫
可以說，開源軟件降低了中國互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)的技術(shù)門檻和創(chuàng)新門檻，敏捷開發(fā)縮短了產(chǎn)品上市周期，這是國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在顯著落后歐美的情況下，還能迎頭趕上的內(nèi)在原因。
中國互聯(lián)網(wǎng)的這一模式或可移植到芯片領(lǐng)域：以開源芯片設(shè)計資源降低設(shè)計成本，同時以敏捷開發(fā)縮短開發(fā)周期。
目前，在最低端的180nm工藝芯片上，已經(jīng)有了比較豐富的開源芯片設(shè)計資源，包括開源的 Magic（包含 Xcircuit、IRSIM、NetGen、Qrouter 和 Qflow）EDA 工具鏈，兼容 WISHBONE 總線協(xié)議的開源 IP 模塊，以及開源工藝庫供選擇，并且流片費用也并不高?？傊?，研制一款 180nm 工藝的芯片只需要幾千美元，門檻已經(jīng)低到3至5個人規(guī)模的創(chuàng)業(yè)公司即可實現(xiàn)芯片設(shè)計。
目前的問題是，中高端芯片還缺乏完整的開源芯片設(shè)計 EDA 工具鏈與工藝庫資源，這正是國產(chǎn)芯片業(yè)需要努力克服的地方。
倪光南院士任理事長的中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟（簡稱“CRVA”），在相關(guān)報告中認為，國產(chǎn)芯片如能利用好RISC-V的開放資源，同時芯片設(shè)計也能像軟件開發(fā)一樣采用敏捷設(shè)計，3至5 人的小團隊在 3至4 個月內(nèi), 只需幾萬元便能研制出一款有市場競爭力的芯片或IP核, 那么就可以大大降低芯片開發(fā)的成本和風(fēng)險，在AIOT 智慧物聯(lián)網(wǎng)時代芯片需求放量的情況下，必將吸引眾多創(chuàng)業(yè)者進入芯片設(shè)計領(lǐng)域，形成國產(chǎn)芯片設(shè)計的繁榮局面，有望解決中國芯“被卡脖子”的難題。
目前，芯片設(shè)計已經(jīng)位于行業(yè)大變革前夜，新的轉(zhuǎn)機若隱若現(xiàn)，多種創(chuàng)新嘗試成為可能，國產(chǎn)芯片設(shè)計如能從中發(fā)掘出創(chuàng)新模式壓低乃至推倒“成本墻”，降低創(chuàng)業(yè)門檻，或可復(fù)制互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)奇跡。
