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铁流:华为麒麟950能否扛起中国芯自主可控旗帜

2015-11-07 08:10:26

11月5日,华为在秋季媒体沟通会上发布了备受瞩目的麒麟950。从K3时代的一败涂地,到K3V2时代的“祖传SOC”,再到麒麟910、920、930时代的能用、好用,逐渐被消费者认可,麒麟芯历经坎坷,百折不饶,终于破茧化蝶——麒麟950综合性能已然跨入顶级手机芯片行列,足以和高通骁龙820,联发科MT6797等SOC相匹敌,并将一众国产ARM技术路线的IC设计公司甩在身后,难以望其项背。从5年前连山寨机都不屑于使用的K3,到今天的麒麟950一枝独秀,这其中有何奥妙?

AA体系庇护麒麟成长

麒麟芯的成功离不开两位贵人——ARM和谷歌。

何出此言呢?只要回溯海思麒麟的成长史,就可以看出ARM和谷歌在麒麟成长过程中所扮演的重要角色:

5年前,初出茅庐的K3因为成品不够成熟以及营销、铺货策略失误导致最终连在山寨机市场都无法立足,但第一次大胆尝试给海思公司积累了宝贵的经验。两年后的K3V2则是全球首个发布的集成了4核ARM cortex A9的手机芯片方案,虽然存在兼容性差、功耗大等问题,但之后的麒麟910,用Mali450MP4替换掉GC4000,并使用28nm HPM制程工艺后一举脱胎换骨,成为海思麒麟第一款能用的SOC,荣耀3C LTE版、P7、Mate2、荣耀X1等机型在搭载麒麟910后,其性能和功耗的完美平衡倍受好评,并逐步被市场接受。

2014年5月发布的麒麟920堪称惊艳,麒麟920采用大小核架构,集成了4核ARM cortex A7和四核ARM cortex A15,在GPU方面选择了 Mali T628MP4。客观的说,麒麟920在性能方面相对于麒麟910是一个质的飞跃。良好的功耗控制和多核调度使麒麟920在保障性能满足绝大多数应用的同时,功耗控制的非常好,相对于处于同一档次,并存在漏电瑕疵的联发科MT6595,麒麟920在多核调度、性能和功耗的平衡方面做的更好。搭载麒麟920系列SOC的荣耀6、荣耀6plus、Mate7等机型无一例外获得成功,其中Mate7还成为国家领导人用于赠送外宾的礼品。

去年,习大大将红遍全球的华为Mate7纳为国礼赠送给太平洋地区国家领导人,包括:巴布亚新几内亚总理奥尼尔、斐济总理姆拜尼马拉马、汤加首相图伊瓦卡诺、纽埃总理塔拉吉、密克罗尼西亚总统莫里等。上图为斐济当地最大报纸 Feiji Times刊发报道。

今年的麒麟930集成了8核ARM cortex A53,在GPU方面和麒麟920一样选择了 Mali T628MP4,在性能方面相对于麒麟920提升有限,但其基带使用了华为自主研发的4G MSA技术,在信号的稳定性和通话质量方面有一定提升。

最新发布的麒麟950集成了4核ARM cortex A53和4核ARM cortex A72,官方宣称,A72比A57性能提升11%的同时,功耗降低20%。在GPU方面使用了MaliT880,据称比上代GPU图形生成能力提升100%,GFLOPS提升100%。在制程工艺方面率先采用业界领先的TSMC 16nm FF+工艺,是首个商用16nm FF+工艺的SoC芯片,相比28nm HPM,性能提升40%,同时节省了60%的功耗。智能感知处理器也是一大亮点,其芯片级智能定位可实现GPS、基站、WiFi、Sensor混合定位,在室内、高架桥、高楼林立等场景提供精准定位。另外,麒麟950还采用全新LPDDR4、新系统总线等,硬件性能更加强劲。

按照以往麒麟在性能和功耗的平衡方面的优越表现,我们有理由相信麒麟950是一款兼具较低功耗和较好性能的SOC,麒麟950完全能续写自麒麟920以来开创的辉煌历史。

从上述历程中可以看出,海思麒麟均采用ARM的IP核,在GPU方面除了早期的K3V2用过图芯科技的GC4000,在麒麟910以后都是倚重ARM的Mali。在手机芯片三大件:CPU、GPU、基带中,除了用于通信的霸龙基带是自主研发外,其余部分都非常倚重ARM。

在软件上,华为手机除早年做过Windows Phone外,基本上搭载安卓系统,谷歌的安卓系统及其软件生态为麒麟的市场化运营铺平了道路。

实事求是的说,如果没有ARM,麒麟950将成为无源之水,无本之木。ARM和谷歌构建的AA体系是麒麟芯成功的基础。

什么是AA体系

AA体系是指ARM+安卓体系。谷歌公司负责安卓系统的维护和更新以及软件生态的搭建;ARM公司掌握ARM指令集的扩展更新、微结构设计和编译器的开发,对依附于AA体系的IC设计单位和公司出售指令集授权和微结构授权。

ARM公司并不直接出售CPU或SOC,只向下游厂商出售指令授权和IP核授权,使很多原本不具备技术体系构建能力或微结构设计能力的IC设计公司能够参与行业竞争,一方面壮大了ARM阵营;另一方面使购买ARM硬核或软核授权的公司能够到原本凭借自身技术水平无法涉足的市场中分一杯羹。

因此,依附于由谷歌和ARM构建的技术体系,就能购买现成的CPU核(ARM),购买GPU核(Mali)以及各种接口IP核(Synopsys),通过一定的流程,集成出SOC,并能运行安卓系统,兼容其软件生态。大幅降低了ARM阵营IC设计公司研发的技术门槛、时间成本和资金成本。

最重要的是,AA体系与Wintel体系是目前唯二的两大体系,选择ARM技术体系后,市场化运营将会是一片坦途。

诚然,天下没有免费的午餐。一旦选择依附于AA体系,也就意味着在产品性能、功耗、安全性、利润等方面只能倚重于ARM和谷歌,而且还有产品高度同质化、生存压力较大等风险。

在没有中国自己的技术体系可以依托或没有资本和技术自建技术体系的情况下,依附于国外体系,是国内IC设计公司向市场化运营妥协的无奈选择。

作为商业公司,能赚钱的技术路线就是好的技术路线,只要不被用于国防军工和信息安全领域,国人不必对此太过纠结。

其实,中国大陆选择ARM技术路线的IC设计公司远不止海思一家,同样能够获得AA体系的支持,海思麒麟为何就能脱颖而出,拉开和展讯、联芯、炬力、全志、瑞芯微、新岸线等IC设计公司的差距呢?

垂直整合助力麒麟腾飞

由于ARM技术路线大幅降低了技术门槛和研发的资金和时间成本,导致ARM阵营参与者众多,加上大家都是购买ARM的CPU核与GPU核,造成产品高度同质化,市场竞争异常激烈——在价格上,ARM阵营芯片已经陷入没有最低,只有更低的价格血拼:以国际巨头高通为例,它的中低端7模SOC已经卖到15美元一片;紫光控股的展讯更是以每片芯片6美元的价格侵蚀3G手机芯片市场,将以低价著称的联发科打的丢盔弃甲、溃不成军,市场份额的流失导致联发科股价惨遭腰斩,损失高达2000多亿新台币。

在如此血腥的市场中拼杀,国内外ARM阵营IC设计公司为了获得一个稳定的芯片搭载平台,可谓是“八仙过海,各显神通”——高通采用“买基带,交高通税,送SOC+通信专利保护伞”模式占市场;联发科用“低价+交钥匙”模式抢搭载平台;联芯为了维持一个稳定的客户把自己重金研发的4G手机芯片LC1860以近乎成本价的超低价格出售给小米......

在残酷的竞争中,海思麒麟却能以自产自销的方式回避市场竞争,获得一个安全的避风港。相对于国内ARM阵营IC设计公司往往因ARM授权费抽血与价格战导致利润较低,进而影响后续研发的情况下,华为可以通过内部定价给麒麟留出较多的利润空间,使得在支付ARM专利费后,仍有充足资金研发新产品。

更难能可贵的是,华为还曾牺牲华为终端公司的利益为麒麟芯提供庇护——麒麟910的前身K3V2集成了四核ARM cortex A9和GC4000,但因采用了40nm制程工艺,导致功耗较大。为了控制功耗不得不将原本频率应该在600MHz的GC4000降低到480Mhz,在一些应用中,GPU的频率甚至被锁定到240MHz。这直接导致了K3V2在用户体验差强人意——不仅游戏存在卡顿和兼容性问题,连日常划屏有时候都存在流畅度不足的现象,发热大、体验差、小毛病多成为K3V2的代名词。华为为了扶持麒麟芯片,压制了华为终端公司反对的声音,在2年时间里坚持在自己的中高端手机上使用K3V2。从2012年至2014年,P2、P6、D2、Mate1、荣耀2、荣耀3等机型相继入坑,在扶持麒麟芯的同时,使华为终端的中高端手机在芯片上落后于竞争对手,并对华为中高端手机的性能、口碑和销量方面造成了负面影响。

相对于龙芯、申威、飞腾等老牌IC设计单位只有研发人员300—400人,海思在华为不计成本的输血下,成长为一家拥有8000名员工的公司。在人才和资金上,华为对麒麟芯片的扶持也是不遗余力。在人才方面,一方面厚待科研人员——刚毕业的研究生年薪不低于16万,5年从业经验的员工年薪不低于28万,部分技术骨干加上年底分红年收入不低于40万;另一方面舍得重金挖人,全球招贤——在欧美、北京设立研究所,从国外和体制内老牌IC设计单位挖人。在科研经费方面也是毫不吝啬——海思920的研发经费就高达2亿美元,是国家15年里对龙芯资金投入总额的1.7倍。

因此,海思麒麟之所以能在国产ARM阵营IC设计公司中脱颖而出,得益于华为对海思不计成本的投入,得益于在公司内部实行具有计划经济特色的方式统筹协调,采取垂直整合模式对海思麒麟给予人力、财力、技术、渠道、平台、营销等方面的全方位支持。如果完全按照市场经济规则运作,海思手机芯片部门在经历K3和K3V2两次惨败后连年亏损,早就溺亡于市场竞争的激流之中了。

能否扛起中国芯自主可控旗帜

自从麒麟920在商业化道路上逐渐步入正规后,麒麟越来越为人所知。而麒麟950发布前夕,各种跑分测试流传于网络,一些华为粉丝狂热的将麒麟捧上神坛,顺带将国内其他IC设计公司不分青红皂白的踩在脚底。网络上形成了一种声音,认为海思麒麟是中国芯实现自主可控的希望之光。在谈能否扛起中国芯自主可控的大旗之前,先探讨一下什么是自主可控。

从过程的角度讲,自主就是要有自主发展权,自由选择发展方向和技术路线,自主扩展指令集、设计微结构、开发编译器、开发操作系统、完善软件生态……在用途方面也由自己决定,而且整个过程中不需要给外商支付专利费。

可控指的是CPU性能、功耗、利润、安全性等方面自己说了算,而性能、功耗、利润、安全性集中体现在微结构上。因此,CPU的可控必须有自己的微结构。如果视野再宽广一些,要做到真正可控,光做到硬件可控还是不够的,必须软件和硬件同时实现可控,这就必须建立类似于Wintel体系、AA体系的自主技术体系,实现技术体系可控和软件生态可控。

从实践的角度讲,就是形成自己的能力:具备读懂源码,消化吸收国外技术的能力;具备修改外商原始设计的能力;具备自主扩展指令集的能力;具备自主设计微结构的能力;具备开发编译器和操作系统的能力;具备构建自主技术体系的能力……

自主可控必须是技术体系可控,若要扛起中国芯自主可控的大旗,必须走完这些过程,掌握这些能力。

ARM技术路线是否具有自主可控属性

若是购买ARM指令集授权,自主设计微结构,虽然能做到CPU可控,但因为依附于AA体系,使用AA体系的编译器、操作系统和软件生态,技术体系始终无法实现自主可控。

因为指令扩展权本质上是发展权和标准制定权,价值巨大。虽然ARM允许出售指令授权,但严禁其他IC设计公司对ARM指令集进行修改和扩展。举例来说,国防科大购买了ARM V8指令集授权,设计了微结构性能优于cortex A57的“小米”和性能足以和E5比肩的64核服务器芯片“火星”,但无法扩展指令集,无法决定自己的发展方向,只能按照ARM划定的路线图走,跟在身后亦步亦趋。

而且无论是授权到期还是指令集更新,都要再次购买指令集授权。国防科大的授权期限为5年,5年后是否续约,以什么价格延续授权必须重新和ARM谈。

另外,依附于AA体系还会受到其他方面的限制,比如国防科大虽然获得指令授权,但用途被ARM限制,只能用于服务器和超算领域。

若是购买ARM的IP核授权集成SOC,因为微结构是ARM的,在性能、功耗、安全性方面ARM说了算,虽然可以将SOC打上国产标签,但是无论是解决使用中遇到的问题,还是想要进一步发展技术,都必须倚重ARM,控制权始终在ARM手里。

同时,在利润方面也会受制于ARM。因为在购买微结构授权要支付授权费,每生产一片芯片还要支付专利费,而且每个环节做什么,有多少利润在AA体系中已经形成潜规则,这也是为什么中国ARM芯片年出货量超过10亿片,但产业依旧不赚钱的原因。

麒麟的闪光点

相对于在IC设计方面入行时间较短,华为在通信领域却有异常深厚的技术底蕴。相对于购买自ARM的CPU核与GPU核,华为自主研发的基带才是麒麟芯真正的亮点。

基带有多重要呢?

基带负责无线信号的解调、解扰、解扩和解码。手机能打电话、发短信、上网很大程度上就是依赖基带的功能。曾经的手机芯片霸主德州仪器就是因为基带的原因不得不退出手机芯片市场;高通就是依靠“买基带送SOC”的销售策略逐步成为手机芯片的霸主;Intel、英伟达这样的巨头曾经因为受困于基带技术,加上软件生态的因素导致在手机、平版芯片市场步履维艰。

因此,默默无闻的基带在手机中的重要性不亚于被广为人知的CPU!

麒麟920真正的亮点是华为自主研发的霸龙720基带,基带支持TDD-LTE/FDD-LTE/TD-SCDMA/WCDMA/GSM 5种制式(支持移动、联通的2G/3G/4G和电信4G),是全球首款商用并支持LTE Cat6的SOC。华为在麒麟930的基带上更是煞费苦心,华为自主研发的4G MSA技术,提升了信号抗干扰能力和弱信号下的网速,解决了高速移动场景的信号不稳定问题,还使华为手机在车库、地下室等信号死角获得更好的信号与通话质量。在拥有性能优异的基带后,再辅以华为先进射频天线技术,使搭载麒麟芯片的华为手机能拥有更稳定的信号,更好的通话质量和更低的辐射量。

而麒麟950在拥有性能优异的基带后,再辅以华为自主研发支持载波聚合功能的射频芯片,使搭载麒麟芯片的华为手机能拥有更稳定的信号,更好的通话质量和更低的辐射量,并能支持更广泛的全球漫游。

另外,中国移动将在2015年底全网商用VoLTE,而麒麟920/930/950全系列芯片支持VoLTE,届时将为用户带来了新一代高清语音体验,通话接通时延也将大幅缩短,视频通话质量相比3G提升10倍,并能够满足用户同时通话和上网的需求。

目前,华为海思公司已位列中国大陆IC设计公司营业收入排行榜第一,海思950更是一款性能优异的商用手机SOC。虽然海思麒麟在改变国家信息安全受制于欧美方面起到的作用较为有限,但在商业上着实从高通手中抢回了不少手机芯片市场份额,其百折不饶的意志和在基带技术上的开拓创新值得国人尊敬!

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铁流

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来源:观察者网 | 责任编辑:孙武
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