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據(jù)說mate40系列手機(jī)在華為內(nèi)部所用的代號(hào)為“里程碑”，一方面這是華為對(duì)自身努力的肯定，另一方面也是Mate系列手機(jī)與海思麒麟的一次告別，從目前種種跡象來看，Mate40將是最后一款搭載麒麟高端芯片的手機(jī)了。

華為mate40系列將搭載麒麟1020處理器，這也是業(yè)內(nèi)首款采用5nm工藝制程的芯片；不過遺憾的是，5nm制程的工藝目前全世界只有臺(tái)積電有供貨，其余廠商均沒有7nm以下的成熟制造工藝，而且據(jù)悉在9月15日前的緩沖期內(nèi)，臺(tái)積電即使開足馬力，也只能給華為供貨一千萬顆左右的麒麟1020芯片，用“登場(chǎng)即成絕唱”來形容Mate40與麒麟1020組合的悲壯一點(diǎn)也不為過。

而被我們寄予厚望的弘芯，最近也爆出項(xiàng)目停擺、資金鏈斷裂，甚至光刻機(jī)剛一入廠即遭遇抵押的種種問題。這個(gè)總投資人民幣1280億元的芯片項(xiàng)目，在2018年和2019年，兩度入選了湖北省重大項(xiàng)目，不過2020年弘芯從這個(gè)清單中被移出。

這樣的現(xiàn)實(shí)也需要我們來好好反思，為什么在芯片領(lǐng)域我國的脖子被卡得如此之狠，其實(shí)筆者在前文《國產(chǎn)“芯”回憶錄》中已經(jīng)給出了部分答案，比如在上世紀(jì)90年代我們的光刻機(jī)廠工程師幾乎是團(tuán)滅全員轉(zhuǎn)型去賣早點(diǎn)了，因此我們?cè)诠饪填I(lǐng)域直接消失了20年，可以說在這方面我們是自己伸脖子讓別人來卡的。不過我們?cè)?span lang="EN-US">EDA領(lǐng)域的傳承一直都在，80年代末熊貓EDA的研發(fā)團(tuán)隊(duì)流失率其實(shí)不算高，這方面其實(shí)可以拿來好好分析一下我們到底是如何一步步落后的。而同時(shí)我們也要觀察每顆螺絲釘都是自主打造的北斗導(dǎo)航方面，我們又做對(duì)了什么，今后又如何能在芯片方面闖出一條屬于我們自己的道路呢？

1信息網(wǎng)絡(luò)的眼睛導(dǎo)航系統(tǒng)

如果說當(dāng)下的世界沒有了7nm芯片，那么我們將失去很多好用的手機(jī)；而如果沒有了導(dǎo)航衛(wèi)星，那我們幾乎失去所有。從殲20、東風(fēng)導(dǎo)彈到高鐵、飛機(jī)乃至外賣滴滴、共享單車都離不開全球定位系統(tǒng)的支持。不過在北斗之前全球定位系統(tǒng)是一種被歐美所壟斷的技術(shù)，而正是在GPS技術(shù)的加持下，美國可以隨心所欲地對(duì)其他國家發(fā)起外科手術(shù)式的精確打擊，而他的對(duì)手卻只能如瞎子一樣的亂沖亂撞。而如果沒有北斗，在2008年汶川地震，所有通信、電力、交通全部切斷的情況下，我們也就無從為救援隊(duì)打開了生命通道。

不過北斗所處在的航空領(lǐng)域，對(duì)于40年前的中國來說，是一個(gè)比芯片還要更加艱難的方向，雖然早在1985年陳芳允院士就提出了基于兩顆地球同步軌道衛(wèi)星的雙星定位的構(gòu)想，奈何當(dāng)時(shí)條件所限，沒有辦法驗(yàn)證陳院士的方案。直到4年后的1989年，雙星系統(tǒng)模式才得到驗(yàn)證，理論上可以實(shí)現(xiàn)精度30米的定位，隨著1994年北斗一號(hào)正式立項(xiàng)，2000年，北斗一號(hào)兩顆衛(wèi)星先后發(fā)射成功，主要在中國境內(nèi)提供導(dǎo)航服務(wù)，校準(zhǔn)精度雖然很低，但是也算是打破了美國GPS全球定位的壟斷。后來為了提高精度，北斗二號(hào)正式于2004年才立項(xiàng)，不過根據(jù)國際電聯(lián)的批復(fù)，北斗二號(hào)必須在2007年前就完成衛(wèi)星發(fā)射，也就是，北斗二號(hào)的研發(fā)時(shí)間只有3年。

衛(wèi)星所使用的頻率段，是需要國際電聯(lián)通信會(huì)議予以審核分配的，但是在電聯(lián)成立之初人類發(fā)射衛(wèi)星的能力還十分有限，也基本沒考慮過日益增多的近地軌道衛(wèi)星星座（NGSO）所可能帶來的“搶頻段”等資源分配問題，國際電聯(lián)基本采取先到先得的方式按需分配資源，不過最近馬斯克的SpaceX公司提出發(fā)射42000顆星鏈衛(wèi)星后，近地軌道衛(wèi)星的資源問題變得棘手起來。雖然在十幾年前衛(wèi)星頻段資源沒有現(xiàn)在這么緊迫，但是國際電聯(lián)給出的最后期限也不是那么容易就能突破的。

不過就在2004年到2007年北斗二號(hào)最為關(guān)鍵三年中，我們也遇到了卡脖子的技術(shù)，這就是高精度原子鐘。這項(xiàng)技術(shù)原本歐洲計(jì)劃提供給我們的，最終卻并未成行。不過實(shí)現(xiàn)了原子鐘之后，北斗也成為了一個(gè)完完全全的自主制造的項(xiàng)目。

2 原子鐘-全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的核心

全球衛(wèi)星定位技術(shù)是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量的技術(shù)。早期，人造地球衛(wèi)星僅僅作為一種空間的觀測(cè)目標(biāo)，這種對(duì)衛(wèi)星的幾何觀測(cè)能夠解決用常規(guī)大地測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離陸地海島聯(lián)測(cè)定位的問題。但是這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅定位精度低，而且不能測(cè)得點(diǎn)位的地心坐標(biāo)。

而現(xiàn)代全球定位的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）：當(dāng)然由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)Δt即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。用戶設(shè)備部分按照定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。完成精確定位。

可以看出，這一切的關(guān)鍵都在于衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間的精確度，因此制造一個(gè)精確的原子鐘是全球定位系統(tǒng)的核心技術(shù)所在，不過正如前文所講，這項(xiàng)技術(shù)歐美沒有向我們開放，我們只能在三年內(nèi)自行研制出來一臺(tái)原子鐘，這個(gè)難度可想而知，不過從最終的結(jié)果來看，我們還是做到了。

3  2年干出來的原子鐘

人們平時(shí)所用的鐘表，精度高的大約每年會(huì)有1分鐘的誤差，這對(duì)日常生活是沒有影響的，但是在完全依靠時(shí)間精度來進(jìn)行距離定位的全球衛(wèi)星定位領(lǐng)域這個(gè)精度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求了。從日軌到機(jī)械鐘再到更為精確的石英鐘、電子表，人類對(duì)于精確時(shí)間的追求可以說是貫穿于整個(gè)人類歷史的。

而其中最為精確的原子鐘的歷史，可以回溯到一百年前的上世紀(jì)30年代，美國哥倫比亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的拉比，在研究原子及其原子核的基本性質(zhì)時(shí)獲得了一定突破，在拉比設(shè)想的時(shí)鐘里，處于某一特定的超精細(xì)態(tài)的一束原子穿過一個(gè)振動(dòng)電磁場(chǎng)，場(chǎng)的振動(dòng)頻率與原子超精細(xì)躍遷頻率越接近，原子從電磁場(chǎng)吸收的能量就會(huì)越多，并因此而經(jīng)歷從原先的超精細(xì)態(tài)到另一態(tài)的躍遷。反饋回路可調(diào)節(jié)振動(dòng)場(chǎng)的頻率，直到所有原子均能躍遷。原子鐘就是利用振動(dòng)場(chǎng)的頻率作為節(jié)拍器來產(chǎn)生時(shí)間脈沖，為此拉比獲得了1944年的諾貝爾獎(jiǎng)，后來拉比的學(xué)生拉姆齊還因大幅提高了原子鐘的精度，也斬獲了1989年的諾貝爾獎(jiǎng)。不過原子鐘又是一個(gè)橫跨量子物理、電子電路、物理光學(xué)、幾何光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的結(jié)合體，比如這個(gè)NIST F-1原子鐘，它由170個(gè)元器件組成，其中包括透鏡，反射鏡和激光器。位于中部的管子高1.70米，銫原子在其中上下移動(dòng)，發(fā)出極為規(guī)則的時(shí)間“信號(hào)”。

想讓我們?cè)谌曛畠?nèi)搞出這么一個(gè)高精尖的設(shè)備來，真的是不容易。

雖然在上世紀(jì)上世紀(jì)六七十年代，我國就開始了對(duì)原子鐘的理論研究，但在北斗二號(hào)項(xiàng)目之前，還沒有人真正把原子鐘的理論落地到實(shí)踐中。而我們?cè)诒倍返男呐K模塊原子鐘方面被卡了脖子，也讓經(jīng)79歲的雷文琦和他的團(tuán)隊(duì)立志要自主完成原子鐘的制造。不過時(shí)間的緊迫與經(jīng)驗(yàn)的欠缺，始終是一個(gè)原子鐘研發(fā)團(tuán)隊(duì)面前的巨大難題的難題。

不過經(jīng)歷了無數(shù)996乃至007的奮戰(zhàn)之后的2006年，我國第一臺(tái)星載銣原子鐘一飛沖天，雷文琦團(tuán)隊(duì)的產(chǎn)品得到了實(shí)踐的檢測(cè)，不過整個(gè)團(tuán)隊(duì)來不及開個(gè)慶功宴，就全部投入到了北斗二號(hào)首發(fā)星的研發(fā)任務(wù)中了。

又經(jīng)歷了沒白天沒黑夜的8個(gè)月，2007年4月14日，首顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星終于發(fā)射成功，并傳回了時(shí)鐘信號(hào)，北斗導(dǎo)航工程終于擁有了一顆完完全全的中國“心，同時(shí)也宣告我國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，終于沒有被卡脖子的地方了。也正是因?yàn)橛辛吮倍罚?span lang="EN-US">GPS芯片的價(jià)格才由之前的數(shù)千元，逐漸降低到現(xiàn)在的區(qū)幾塊錢，這也使導(dǎo)航系統(tǒng)得以真正的走進(jìn)智能手機(jī)，走進(jìn)人們的生活。

4  美國為何能在EDA領(lǐng)域全面領(lǐng)先

說過了北斗，我們?cè)倩剡^頭來看看芯片，芯片產(chǎn)業(yè)鏈包括設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試、組裝等等方面，按照我們之前的認(rèn)知，芯片領(lǐng)域的核心實(shí)力在于設(shè)計(jì)，因此我們?cè)谛酒O(shè)計(jì)方面投入很大，比如華為的海思、小米的澎湃。目前OPPO也有計(jì)劃加入自主設(shè)計(jì)芯片的行列，可以說我國在芯片方面真的不弱，甚至海思推出的很多自主IP的芯片可能算得上是全球領(lǐng)先。

不過從最新披露的世界500強(qiáng)情況看，芯片代工廠臺(tái)積電的利潤率竟然達(dá)到了34%之巨，而筆者心中一直以為的奢侈品公司蘋果的利潤率也只有21%，其實(shí)利潤率的高低，也從一個(gè)側(cè)面說明了產(chǎn)業(yè)鏈中哪方更占優(yōu)勢(shì)，因此之前我們以芯片設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，其余幾乎相關(guān)領(lǐng)域幾近放棄的做法，并不算明治之舉。因?yàn)槲覀兛梢詮拿绹淖龇ㄖ锌吹剑谒麄兊囊?guī)劃中把芯片產(chǎn)業(yè)鏈看成一個(gè)整體，幾乎不會(huì)割裂的去看待某一個(gè)環(huán)節(jié)。

而這點(diǎn)在EDA方面體現(xiàn)的尤為明顯，EDA的產(chǎn)業(yè)規(guī)模并不大，2019年全世界的市場(chǎng)規(guī)模總計(jì)都沒超過100億美元，而在國內(nèi)的規(guī)模最多也不超過20億美元。可以說不會(huì)有哪個(gè)國內(nèi)的IT巨頭會(huì)看上這么一個(gè)小小的市場(chǎng)。不過美國對(duì)于EDA廠商的支持與傾斜可以用不遺余力來形容，而從這個(gè)點(diǎn)上以點(diǎn)帶面，我們也可以看出自身的不足。

持續(xù)高額的研發(fā)投入：美國EDA的三巨頭一直非常重視新技術(shù)的研發(fā)，公司成本的最大支出部分也用于產(chǎn)品的研發(fā)，而且光是Synopsys和Cadence這兩家公司去年研發(fā)支出，加在一起都超過了20億美元，也就是比國內(nèi)整個(gè)EDA市場(chǎng)規(guī)模還大。 以美國公司如此巨大的研發(fā)支出規(guī)模，我國想在EDA方面實(shí)現(xiàn)反超其難度之大也就可想而之了。

不斷推進(jìn)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合：EDA行業(yè)是一個(gè)典型的小而美的行業(yè)，可分為前端和后端，前端主要負(fù)責(zé)邏輯實(shí)現(xiàn)，后端跟工藝緊密結(jié)合，所以稱EDA是芯片產(chǎn)業(yè)鏈上的皇冠，其實(shí)并不為過。

同時(shí)由于EDA市場(chǎng)容量不大，使得專注于同一方向的公司還不如合并在一起能夠更加提升效率。比如Synopsys成立以來，就發(fā)起幾十余項(xiàng)并購交易，不斷尋找那些在EDA功能模塊中做得比較有特色的成功企業(yè)，進(jìn)行并購，從而使得自身能夠覆蓋整個(gè)設(shè)計(jì)流程。尤其是2002年Synopsys在美國商務(wù)部、司法部的牽線下，以8.3億美元收購了Avanti公司，使得Synopsys成為EDA歷史上第一家可以提供頂級(jí)前后端完整IC設(shè)計(jì)方案的領(lǐng)先EDA工具供應(yīng)商，并在2008年超越Cadence成為全球最大的EDA工具廠商。而值得注意的是在此之前Avanti一直與Cadence公司深陷于專利官司之中，這場(chǎng)并購幾乎由美國政府主導(dǎo)，也正是通過這樣的并購，使得美國的EDA公司結(jié)束了專利內(nèi)斗，迅速拓展并占領(lǐng)了海外市場(chǎng)。

持續(xù)的政策扶持與補(bǔ)貼：雖然美國總是指責(zé)其它國家對(duì)于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼，但其實(shí)美國對(duì)自身半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的扶植力度是一點(diǎn)也不小，先是在上世紀(jì)80年代直接出手，絞殺了日本半導(dǎo)體，而最近又一次將補(bǔ)貼投向了本國的半導(dǎo)體領(lǐng)域，推出了一項(xiàng)總值15億美元的半導(dǎo)體（微電子）復(fù)興計(jì)劃（ERI），用以支持芯片技術(shù)的開發(fā)。

而且美國國會(huì)不但通過了ERI計(jì)劃，還額外增加了投入，每年額外對(duì)ERI注資1.5億美元。

Cadence的人工智能加EDA的項(xiàng)目，就是由ERI扶持而生的，據(jù)Cadence的報(bào)告稱，AI在EDA的應(yīng)用可以分為四個(gè)方面：數(shù)據(jù)快速提取模型；布局中的熱點(diǎn)檢測(cè)；布局和線路；仿真模型。Cadence致力于研究將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用在Virtuoso平臺(tái)上，并參與了ERI中智能設(shè)計(jì)芯片項(xiàng)目。

5 自主芯片、路在何方？

其實(shí)看過了我國北斗的成功與美國芯片的成功，那么我國的自研芯片到底應(yīng)該何去何從呢？

政策扶植，集中力量辦大事：雖然筆者一直在金融機(jī)構(gòu)工作，一直傾向于自由市場(chǎng)理論，不過此時(shí)我們也應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到美國對(duì)于我們高科技產(chǎn)業(yè)的限制，是一種徹頭徹尾的政治干預(yù)，因此我國雖然在前一段時(shí)間出臺(tái)政府對(duì)于芯片企業(yè)的稅收給予了特別優(yōu)惠，但是這種依靠市場(chǎng)自身能力的調(diào)節(jié)手段，恐怕對(duì)于目前外傷失血式的狀況來講作用有限，正是在這種特殊時(shí)期，才適合使用舉國體制的打法，像造北斗那樣來造芯，這才是解決問題的最佳途徑。

而且值得我們注意的是，我們國內(nèi)包括芯愿景、華大九天等等在內(nèi)的EDA公司，其最大弱點(diǎn)在于沒法提供芯片設(shè)計(jì)的全流程支持，究其原因還是在于研發(fā)力量的過于薄弱，因?yàn)槲覀儑鴥?nèi)的EDA企業(yè)全部研發(fā)人員加在一起充其量也就不到400人，連一個(gè)微信群都填不滿。而三大EDA巨頭光是在華的研發(fā)人員就不低于1000人，在研發(fā)實(shí)力對(duì)比懸殊的情況下，我們?cè)僮寚鴥?nèi)的EDA公司的研發(fā)力量各自為戰(zhàn)，恐怕真的永無出頭之日了，因此在這個(gè)前提下，由我國政府機(jī)構(gòu)牽頭將現(xiàn)有國內(nèi)的EDA軟件公司進(jìn)行整合，集中力量辦大事才是突破的關(guān)鍵。

加大開放力度，縮小技術(shù)代差：國內(nèi)EDA企業(yè)還有一個(gè)問題就是與最新的工藝結(jié)合比較弱，當(dāng)然在這方面三大EDA公司有天然優(yōu)勢(shì)，他們可以在剛剛研發(fā)5nm制程時(shí)，就與臺(tái)積電達(dá)成全方位合作，方便拿到對(duì)最新工藝的全套素材，而國內(nèi)EDA廠商只能在工藝開發(fā)完以后拿到部分?jǐn)?shù)據(jù)，無法接觸到先進(jìn)工藝的核心部分，難以針對(duì)先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)改良EDA軟件，這也造成與三巨頭的差距越拉越大，所以我們一是要加強(qiáng)與臺(tái)積電、三星等晶圓制造廠商的合作，緊跟最新工藝。另一方面，也要打通EDA企業(yè)與國內(nèi)芯片制造廠的溝通渠道，保證整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)水平不會(huì)落后太多。

提前布局物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)：根據(jù)目前最保守的估計(jì)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代所帶來的流量都會(huì)是互聯(lián)網(wǎng)的30倍，其終端數(shù)量會(huì)達(dá)到互聯(lián)網(wǎng)的100倍，如此海量的終端其實(shí)也給芯片產(chǎn)業(yè)帶來新的機(jī)會(huì)，而且物聯(lián)網(wǎng)終端一般對(duì)于性能要求不高，28nm甚至更低的制程也足可以滿足需求，這對(duì)于我們已經(jīng)停頓許久的光刻技術(shù)來說尤其是重大利好，因此針對(duì)這種新興產(chǎn)業(yè)我們也要提前布局，尤其需要考慮與NB-IoT,LoRa等物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議相結(jié)合，推出在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的爆款芯片。

步步常由逆境行，極知造物欲其成。北斗衛(wèi)星這款可以實(shí)現(xiàn)分米、毫米級(jí)別的自主全球定位技術(shù)。讓我們對(duì)于芯片產(chǎn)業(yè)也重能夠重拾信心。相信只要給我國的芯片人以時(shí)間，那么必能補(bǔ)齊短板，終成大業(yè)。

作者 | 馬超  出品 | CSDN（ID:CSDNnews）  轉(zhuǎn)自今日頭條