科工力量:何祚庥院士把“芯片不如人”的原因讲对了吗

来源:观察者网

2023-02-21 07:48

科工力量

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【文/科工力量专栏作者 铁流】

日前,何祚庥院士在社交媒体上表示,要搞懂一件事必须重视基本理论,要做好芯片必须重视基本理论的重大意义。铁流认为,何祚庥院士的话大方向是正确的,只是在局部值得商榷。要想半导体技术上赶超西方,我们必须重视基本理论。

工业界代表了半导体技术的理论前沿

基本理论包含范畴非常广,既包含最基本的科学原理,比如万有引力、质能方程这些科学理论,也包含具体实现过程中的技术细节。何祚庥院士说的基本理论应当既包含学术界的科学原理,也包括工业界的技术细节和原理。

半导体产业已经发展了几十年,其基本理论是成熟的,从晶体管到集成电路,再到超大规模集成电路,工程师们做的事情主要是如何提升晶体管集成度,如何扩大晶体硅的规模。EDA工具的出现就是因为芯片硅晶体规模太大,单纯依靠人工布线已经不太现实,所以采用EDA工具辅助人工布线。CPU设计的基础理论,基本是教科书和论文,基本理论业内周知,胡伟武等前辈编写的教材已经阐述的很清楚,并不存在知识黑洞。

不过,在半导体技术发展中,新技术、新知识层出不穷,比如光刻机的光源从G线、I线,到KrF、ArF、EUV就发展了五代,哪怕是同一代光源的光刻机,干式与浸没式也有很多技术创新。CPU设计的基础理论,基本在教科书和论文里,基本理论业内周知,关键在于实现和检验的闭环,很多技术细节都属于know how的范畴,比如怎样提高CPU互联带宽,这就需要相应的理论支撑,又比如提高单核性能,这也需要相应的理论支撑,还比如怎样让CPU主频提高的4G以上,同时不降低CPU性能,且CPU功耗不过度发烧,这也有很深的学问。

可以说,核内的缓冲理论、控制器的缓冲理论、主频提高理论等都非常重要,如果没有充分掌握这些理论,就很难设计出高性能的CPU。

当下,对于数学这类的纯理论,学术界尚有很强的话语权,但到具体的工业门类,在基本理论研究方面,工业界已经远远领先于学术界。还是拿CPU为例,当下对CPU了解最透彻的不是大学和科研院所,而是英特尔、AMD这样的商业公司,工业界在人力、物力、财力上已经超过任何一所大学或科研院所,单靠学术界自己的力量,只能在一些新兴领域探索,对于CPU、GPU、NAND、FPGA等芯片已经无能为力。事实上,在很多关于体系结构设计的国际学术会议中,作报告的人往往有英特尔、AMD等公司背景。就国内而言,龙芯、申威、飞腾是体系结构设计方面的领头羊。

当下,在一些纯理论方面学术界尚可圈可点,但在半导体技术上,工业界才代表了半导体技术的理论前沿。

国内企业在理论创新上落后于外商

一直以来,中国ICT公司更加重视商业推广,而非基本理论,更加重视应用层技术,而非底层技术。

具体来说,国内互联网公司推出了大量浏览器,但这些浏览器基本都是基于谷歌、火狐、IE等国外浏览器内核二次开发的换皮浏览器。

国内企业推出了很多操作系统,但这些操作系统没有自主编写的内核,基本是基于Linux的发行版(Debian、Fedroa),或是AOSP二次开发的产物。

国内企业推出了很多所谓的国产数据库,但其中除了达梦属于四十年迭代演进独立自主研发,其余数据库绝大部分都是基于开源数据库做修改,甚至不乏引进IBM Informix包装为国产的案例。

国内诞生了海思、展锐、澜起、华芯通、宏芯等一批CPU公司,但无一例外都是引进ARM、英特尔、IBM、高通等公司的CPU核,自己完成SoC设计,在底层技术上依赖外商。

国内诞生了一批GPU公司,格兰菲技术源自S3,芯动科技购买了Imagination的GPU核,还有一些公司虽然标榜自主设计,但其实也购买Imagination的GPU核,或使用英伟达开源的代码。

国内诞生了一批云计算大厂,但硬件上依赖X86或ARM服务器,软件上依赖开源......

凡此种种,国内企业在基本理论和底层技术上与外商有着不小的差距。国内企业在商业上取得的成功,更多是基于中国这个平台,有中国人民、中国政府、中国市场作为其后盾,这些ICT企业的成功是商业模式的成功,而非技术的成功,成功的底层逻辑是中国的规模优势和工程师红利,这些巨无霸公司的体量规模与技术底蕴并不相称。

事实上,中国企业当下屡屡被西方卡脖子,就是因为在基本理论上不如人,在底层技术上不如人,在过去几十年里,习惯于“拿来主义”,习惯于“与国际接轨”,习惯于“跟在洋人身后吃土”,“在洋人地基上造房子”,进而导致能力蜕化——国内企业习惯于基于开源软件做修改,习惯于买国外IP设计芯片,因为这样短平快,能够快速推出产品。但很多东西因为别人已经给你做好了,你就从来没做过,也就没有这方面的能力。国内企业习惯于购买ARM的IP设计SoC,长此以往就只会基于成熟的商业IP设计SoC,不具备独立设计高性能IP核的能力,一旦ARM断供就失去芯片迭代能力。

中国芯片产业不如人,一个表现是很多know how的技术细节并没有掌握——同样的DUV光刻机,台积电可以加工5nm芯片,而且保持较高良率,境内的晶圆厂就做不到。英特尔使用45nm工艺就可以把主频飙到3Ghz,国内CPU设计公司使用台积电7nm工艺,主频才勉强达到3Ghz,这就是差距。

我们现在搞转型升级,就是要在基本理论上追平乃至超越西方,将来去卡西方企业的脖子。在反复被卡脖子的当下,个别人用中国企业在规模上取得的成功,来论证中国企业在基本理论上超越了西方公司,这无疑是罔顾事实,妄自尊大。

基本理论与商业策略并重

一直以来,国内商业公司普遍存在重应用,轻基础,重视商业模式创新,轻视基本理论突破的现象。在底层技术上国外的技术能买就买,有开源的则随便拿。相比之下,很多军工领域,由于几十年来一直被西方制裁,只能自主研发,反而结出了丰厚的硕果。

类似的情况也发生在俄罗斯,由于俄罗斯在俄乌冲突前可以从中国和西方买买买,导致工业基本吃苏联老底,甚至在局部工业门类上相较于苏联还有所退步,闹出研发新装备需要靠“考古”的荒诞剧。作为对比,伊朗由于一直被西方制裁,只能靠自己,几十年如一日反而弄出了些东西。

当然,半导体产业和军工产业,特别是何祚庥院士从事的核武器还是有很大区别的,因为核武器是战略威慑武器,可以全国人民勒紧裤腰带,聚集顶尖科学家和工程师,不考虑经济回报研发核武器。半导体公司是需要盈利的,因此必须充分考虑自身的技术能力和市场的需求,必须用上一代产品在市场上销售回笼资金,才有资本去研发新一代产品,核武器则不需要考虑这一点。

半导体产业链长,原材料、设计、制造、封装测试等方面的技术细节繁多,且需要整个产业链几百万工程师齐心协力,需要非常深厚的技术底蕴和非常强的动员协同能力,任何一个环节都不能掉链子,这需要囊括欧美日韩台的人口基数和产业基础,而核武器对人才和产业基础的要求低很多,朝鲜这样的体量也能够支撑核武器的开发。

要开发核武器,掌握基本理论,技术过硬就可以。想要把半导体产业做起来,光有技术是不够的,必须要有敏锐的商业嗅觉,必须找到市场嵌入点循序渐进。历史上技术实力不俗,但商业策略失败的半导体公司比比皆是,英特尔在CPU上打败DEC、MIPS、SUN、IBM等公司,靠的就是商业策略,当时英特尔的CPU是几家里最弱的,靠的就是横向整合产业生态把竞争对手全部挤死、熬死。现在自主CPU中的申威在高性能计算方面处于国际顶尖水平,但在产业生态培育上不如人,国内新上马的商用超算依然以国外芯片为主,如何把技术优势转换为商业利润,这也是一门学问。

半导体产业一个特点就是高度垄断,任何一家细分市场,一般就2家巨头独大,比如CPU行业里的英特尔和AMD,GPU行业的英伟达和AMD、FPGA行业的赛灵思和阿尔特拉,这种垄断使后来者在商业市场的前行道路基本被封死,这就加大了后来者崛起的难度。

目前,国内ICT大厂的技术路线和商业策略依然是“跟在洋人身后吃土”,比如在CPU上绑死X86或ARM,即便屡次被制裁依旧“痴心不改”。本质上说,这种现象是这些ICT大厂在享受过去几十年全球化红利之后,形成的路径依赖,因为过去这么做可以发财,几十年下来也只会干这个,从底层技术上另起炉灶,自主研发,对于国内ICT大厂而言比较陌生。

未来,那些无法做到另起炉灶,独立自主研发底层技术的企业会逐步褪去身上的光环,那些只会“在洋人地基上造房子”的公司,会成为“跟在洋人身后吃土”的2.0版本。那些既能把基本理论搞明白,又能在商业模式上有所创新的企业,会成为新时代的弄潮儿。

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责任编辑:一鸣
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