中国开源软件网

当前位置: 首页 > 数码 >

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力

时间:2020-02-14 16:02来源:互联网 作者:小狐

20年不长也不短了,20年最简单的事,就是将一个人变老,一个人的黄金岁月往多了算不过40年。20年也可以将一个国家的GDP变到世界第二,也可以将IC产业普及到大众认知。

一、导言

我们先往前说说00之前的半导体发展。90年代是真正的个人意识觉醒,以及全民商业化的序曲阶段,是国内信息化的开始,中国GDP逐步加速。下面几件事情如果你还有印象,那么你应该也不年轻了。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图1)

很多人把94年红磡演唱会神话为内地摇滚的高峰。其实,在经历了邓丽君的偷偷摸摸,西北风的豪迈,四大天王扫街,摇滚乐的嘶吼之后,国内音乐算是渐渐进入百花齐放。94红磡恰巧算是被当作一个休止符,被贴了个,当作一个老时代结束的标志。其实现在的摇滚乐,要是论创作水准,要比当时高不少,国内的livehouse演出也是风风火火,虽然靠乐队挣钱还是很艰难。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图2)

1990年上交所成立,90年代如果你参与了的话,你有大概率会赚钱。因为在初始阶段,总盘子在迅速扩大,如果你不是很点背的人,会被带着发财。事实上,确实有人发财,很多传奇故事里的主人公都印有这一段时间的烙印,而且那时候一般打到新的话就说明要小赚一笔,不像现在,新不新的其实没什么区别。

90年代末商品房开始出现了。如果我们知道中国的GDP是按照上图那根曲线发展,那搞几套房子就好了,不用做IC也不用做股票,当然也不用做投资。做了的就当娱乐。郑渊洁据说买了10多套房子装信,从1400元每平到14万每平,你算算。那时候宇宙中心五道口的华清嘉园开盘的时候也就4000元。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图3)

98年的时候,学习Verilog的人还算是非常早的了,除了大学和少数公司以及研究所,使用的人非常少。资料显示1995年synopsys在中国设立公司,1992年cadence进入中国市场。国内早先的IC设计是反向设计多,所谓反向就是剖别人的片子copy人家的设计。慢慢的随着EDA厂商进入中国,国内才真正开始从Verilog/VHDL到IC的正向设计。而且设计的基本都是面向应用的ASIC,设计规模不大,SoC的概念还很少或者说还没有。

当然还有其他的厂商EDA厂商包括Mentor做DFX,Ansys的IRdrop等等,还有消失的Avanti,Magma等等。但主流的全流程的EDA厂商,全球看来还是Synopsys和Cadence,其他厂商作为单点工具厂商有些活的还不错。

作为一个早期的IC工程师,用EDA厂商作为开篇,是因为这里其实是应该向他们致敬。那时候听一位台湾人说,大陆合格的IC工程师还不足300人。工程师们对synopsis和cadence的依赖还比较多,在实战层面,无论从工具的使用上,还是从IC设计流程,甚至IC设计原理,都处于比较贫乏的状态。直到今天,没有他们,国内的IC设计几乎完成不了。更别说,对小公司,他们还放水养着鱼。

对于新世纪之前国外半导体发展,我们用几个代表公司大概梳理了一下美国半导体发展的时间节点,回头跟国内对应的时间可以做个对比。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图4)

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图5)

文章也不会涵盖所有的话题,IC涉及的领域太多了,聊一些我更了解一些的。

二、国际半导体20年

2000年左右开始,国内半导体行业在互联网浪潮的带动下,出现了一波浪潮,大家发现从美国copy到国内paste好像是个能赚钱的生意,以百度,新浪,为代表掀起了第一波互联网泡沫。另外一方面也确实是计算机及信息技术爆发带来的底层技术上的强烈需求。

2000到2008这几年中,出现了一大批创业企业,特别多的情况是硅谷回国的工程师,带着硅谷的投资,在国内创立了一大批的企业,算是第一次半导体发展浪潮。说起来一些名字的话,有些应该大家很了解,有些则命运多舛。没有的总结,我随便说几个通信行业相关的,包括中星微,展讯,锐迪科,畅讯,硅谷数模,六合万通,希图,创毅视讯,新岸线等等吧,太多了。那时候方舟处理器也进行的如火如荼。

我也在其中一家创业公司。180nm工艺已经是挺先进的工艺了,FPGA用的是Xilinx的VertexII,流程都用DC/PT,仿真用VCS比NC-Verilog好像快不少,封装用BGA已经是显得非常NB了。虽然Synopsys和Cadence都是全流程,到目前为止,前端用Synopsys,后端用Cadence,用Mentor,大的地盘划分一直没有变。

IC行业里面,可以从工艺的演进角度看,也可以从行业技术的演进去看,我下面举几个例子来看看国内的IC行业与国外同行的对比。

一 EDA工具

EDA(ElectronicsDesign Automation)工具实际上是个泛泛的概念,用来做辅助电子相关设计的软件都可以叫EDA。这里我们专门介绍一下做数字IC的EDA,暂且不包含模拟,PCB,FPGA等方面的。

数字IC的设计,包含几十道工序,对应的EDA软件也大约有这么多。看起来挺复杂的,但相比较制造过程,工序还是少很多。虽然制造过程也许不需要这么多专业软件,对材料,设备和工艺的要求比较苛刻一些。

前面提到过EDA工具商里面全流程的包括Synopsys和Cadence,而Synopsys又可以看做行业老大。2018年Synopsys的营收大概31亿美元,Cadence大约21亿美元。加上第三名Mentor的13亿美金,第四名ANSYS的12亿美金,这几家头部公司的营收占据了整个市场的几乎95%。

针对数字IC设计流程中的EDA,我们挑一些比较重要的来说一下。通常的一个软件可能会集成几个工序的工作,负责好几件事情。有些EDA公司在某个环节比较强,做出一个行业普遍认可的工具,我们叫点工具,它只负责整个工序的某个点。

我们就拿Synopsys举个例子,看看涉及到的工具有多少,每个系列少则几种,多则十来种:

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图6)

就像我们之前提到的,每家工具的业界认可度不同,通常没有用一家工具完整的实现整个流程的。一般的,用Synopsys的前端工具,用Cadence后端工具,用Mentor的DFT和物理验证。国内公司我列了华大的情况,虽然还不能放在一起对比。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图7)

在2000年附近,在EDA领域有大约80家创业公司。在这一时期,诸如Avanti、Ambit、Magma、Monterey、Get-to-Chip、Verisity、Verplex,Atrenta等公司纷纷成立,最后所有这些公司后来都被Cadence和Synopsys收购了。Mentor则于2016年被西门子收购,但独立。

目前还存在的其他的EDA公司基本都是点工具公司,像ANSYS的RedHark作为IR Drop分析的工具,在业界也是无出其右,其2018年营收估计应该有12亿美金,当然还有一批小的点工具公司。

国内除了华大还有广立微、概伦、芯禾、九同方、博达微、蓝海微、珂晶达、鸿芯微纳、奥卡思微和行芯等EDA相关工具研发的企业,在不同方向上做一些工作。就像CPU,操作一样,EDA不光需要技术和人员投入,它也是需要有生态基础的一项运动,目前国内EDA还任重道远。

二 工艺制程

工艺制程是个耳熟能详的词。我们先看一个台积电工艺演进图感受一下数字半导体工艺节点的变化,体会一下Moore定律。

从台积电官网所公布的信息来看,在1987年成立时,他们的芯片工艺是3微米,在1990年提升到了1微米;2001年的时候提升到了0.13微米;2004年开始采用90纳米工艺;随后是65纳米、45纳米、40纳米、28纳米、20纳米,2015年提升到了16纳米;2016年升至10纳米;2017年是7nm;5nm也已在去年开始生产,将在今年上半年开始大规模量产。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图8)

这个图是个自然对数图,在90nm之前晶体管的尺寸缩小主要来自工艺,90nm到20nm主要来自于新材料以及工艺,20nm到目前的5nm和未来的3nm也是因为新材料和新的晶体管结构带来的晶体管尺寸减小。

我们简单说一下什么是工艺尺寸。传统ITRS定义技术节点是source和drain之间最小金属间距的一半(Half-Pitch)但到了20/22nm引入FinFET以后,Half-Pitch的减少开始变得很慢,但是因为结构3D化后晶体管数量仍旧激增,厂商再用Half-Pitch就显示不出来技术进步了。因此各家的命名就比较乱,比如说台积电从10nm到7nm是用10nmX0.7的理想计算得到7nm,但Half-Pitch只是从42nm降到40nm。原理上每降一次工艺面积缩小一半,对应长宽各减小到原来的70%,这是20->14->10->7nm名称的由来。

晶体管的结构也经历了从2D到3D的演变。在20nm以后从PlanarFET演化到FinFET的架构。FinFET的创新性3D晶体管架构,可让IC制造商生产出尺寸更小、速度更快、功耗更低的器件。

在PlanarFET 到FinFET之间还出现了一种FD-SOI的工艺技术。FD-SOI技术还是一种平面工艺,但通过使用不同的起始衬底来杠杆化和延伸现有批量CMOS平面制造工艺的性能。FD-SOI的衬底中,在硅基底上布有一层超薄的氧化物薄膜以充当绝缘层。与传统的块状硅技术相比较,FD-SOI技术能更好的电晶体静电特性,也能降低影响元件性能的泄漏电流。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图9)

在早期平面晶体管阶段Metal Pitch/2和Gate Length差别不大,所以定义Metal Pitch/2为工艺节点,随着工艺的进步差别也越来越大,工艺节点和具体的尺寸已经不一一对应了。如上图右,从平面的晶体管到立体的晶体管虽然GateLength已经变化不是很大了,但是晶体管的数量缺增加了一倍,所以几nm工艺还会叫下去,只是他不代表实际物理尺寸的减半,而是单位面积上采用新材料,新结构带来的晶体管数量翻倍。

下表是14nm工艺下的对比参数,GateLength还是30左右,MetalPitch也在50-70,都不代表14nm本身这个数字。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图10)

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图11)

我们刚才理解了一下工艺节点,看到了TSMC的工艺演进历程。比较国内的情况我们大致罗列一下。

中芯国际成立的2000年,当时台积电营收已经做到了1662亿新台币,净利润也做到了651亿新台币,同比增长也分别高达127.3%和165.1%。在2002年九月,中芯国际北京两座12英寸工厂动工;2003年,中芯国际又收购了摩托罗拉在天津设立的八英寸芯片厂。创始人张汝京曲折的从美国进口0.18微米工艺的生产设备,这种情况一直延续到0.13微米、90纳米和65纳米的工艺上。说法,中芯国际在2017年2季度就开始推出28nmHKMG制程,但当时28nm HKMG良率只做到40%,这离能被大家接受的大规模量产还有很大距离。而在2018年第一季度台积电的10nm工艺已经为他带来了19%的营业收入。

在新的CEO梁孟松到来后,14nm被提高到优先于28nm的地位。梁孟松曾在2019年Q2的财报会议上表示,“中芯国际第一代FinFET 14nm工艺已经进入客户验证阶段,产品可靠度与良率进一步提升”期待中芯国际14nm早日量产。目前中芯国际最成熟,营收最大的应该还是55nm工艺。

国内其他的代工厂目前状态还比较好的包括华力微电子等。他们自2010年1月建厂以来,到2019年已经投入了80亿美元进行研发,目前主要产能在55nm以及40nm工艺,康桥厂二期,则承担了华力微28nm到14nm等先进工艺的生产任务。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图12)

从量产的角度看,和先进的工艺相比,大陆要落后4个节点左右(4代)

从国际角度看,台积电,Intel和三星是领导整个工艺制程的领头羊。目前台积电、三星已经挑起3nm的战局。据悉,三星已经完成了首个3nm制程的,计划2022年规模生产3nm芯片,此前台积电也计划2022年量产3nm。

Intel稍有尴尬,我们知道Intel创始人Moore提出的Moore定律,一直到14nm之前都是领先业界。而刚刚下野的柯再奇就有点尴尬,业界有柯再奇‘挤牙膏’的梗。在他任内,从14nm到14nm+++尴尬无比,搞了3年多。

2014年苹果几经周折在台积电终于实现了20nm A8的量产,而当年英特尔已经开始量产14nm,领先台积电1-1.5代。苹果对CPU性能的苛刻要求迫使台积电的一路狂奔,在18年反超Intel。而现在,Intel的10nm才刚刚量产,7nm估计也得2年后,和另外2家的3nm同步上了。

不止于此,老陪衬AMD的RyZen居然在也迎头赶上,在CPU领域Intel也没有那么闲庭信步了。看来Intel要好好反思整理一下。

我们感受一下台积电在代工领域的行业地位。通常的,台积电每年占有50%-60%之间的市场占有率。当然了,三星不算是纯的代工厂。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图13)

一条晶圆制造新建产线的资本支出大概为:厂房 20%、晶圆制造设备 65%、组装封装设备 5%,设备7%,其他 3%。其中晶圆制造设备在 半导体设备中占比最大,进一步细分晶圆制造设备类型,光刻机占比 30%,刻蚀 20%,PVD15%,CVD10%,量测 10%,离子注入5%,抛光 5%,扩散 5%。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图14)

三CPU

CPU的情况相对没那么复杂,PC/Server的市场主要是Intel和AMD占据,手持设备和嵌入式主要是Arm,最近RISC-V借着指令集开源的东风有星火燎原的势头。国内也有一些CPU的者,龙芯的处理器瞄准的是Intel这类应用,而其他的主要是作为嵌入式或者某些专用场景。

ARM的区别在于,他本身只CPU核,由其他厂商集成为各种单核或多核处理器,无论APPLE,高通,华为等等都使用ARM的内核。

对应RISC-V,目前的内核商包括SiFive,Andes,芯来,中天微等。RSIC-V是一个开源指令集的嵌入式CPU,目前各家公司根据开源的指令自己的底层IP核,同时对于拓展部分DSP内核也采用了基于Andes的指令集。

虽然指令集是开放的,但硬件部分每家的经验,能力不一样,工具链的能力也不一样,所的产品应该说也是具有很大差别。虽然说是开放的,对于国内厂商来说是个新的机会,但从目前的发展状态来看,还是SiFive和Andes的内核比较有竞争力,大陆的东西还是很弱势,要赶超的话,要加油啊。

作为使用者,从生态或是性能的角度看依然是ARM的东西比较可靠,但如果RISC-V的生态比较好,是未来趋势的话,还是应该尽早参与。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图15)

2002年8月10日,龙芯1号问世。2003年4月18日龙芯2号问世。2016年,龙芯3A3000才研制成功,因2016年是红军长征胜利80周年,因此以CZ80命名。十年来,龙芯先后研制了龙芯3A1000、3B1000、3B1500、3A2000/3B200、3A3000/3B3000五款龙芯3号系列芯片。

直到2019年,龙芯发布了龙芯3A4000/3B4000,使用龙芯公司最新研制的新一代处理器核GS464V,主频1.8-2GHz,采用28nm工艺。

而反观2000年的时候Intel的市值已经达到5000亿美元,酷睿系列面世后的2006年的营收达到354亿美元,而2018年Intel的营收已经高达780亿美元,长期位列半导体公司排名第一位。

最近AMD的RyZen比较风光,而且龙芯对也是AMD前一个挖掘机系列,我们就把AMD RyZen9也拿来和他一起对比一下,可以看到差距还是非常大:

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图16)

做CPU应该所有的IP都是自己的,包括内核,接口,存储控制,乃至GPU、NPU等。还需要OS的配合想WINTEL组合,AA(ARM&Android)组合那样。硬件生态上面,还需要主板级的硬件供应商和伙伴,这个还相对容易一些。软件生态方面则需要让软件公司有动力为新的OS应用。

这些都是,而且东西越没人用迭代越慢,从指标上看差距也许还不到10年,但从生态看就差20年了。有人开玩笑说,如果Windows被禁止了,国内的CPU,OS,软件没准很快就上去了。不过这只是玩笑。

RISC-V和ARM对话,目前几乎所有的厂商都能拿出比较漂亮的表格,但是这个需要用户实战的效果作为最终评判。到目前为止,用RISC-V量产的芯片还不是很多,不过近几年肯定会出现一个放量增长的过程。如果性能基本匹配,而且ARM的M系列IP核不做重大的战略调整的话,那么新局面一定会出现。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图17)

四FPGA

说到FPGA就必须说行业龙头Xilinx,成立于1984年的赛灵思在1998年推出Virtex系列FPGA,演进到2006年推出45nm的Virtex6大行其道,直到用这个系列拿下行业龙头的宝座。另外,他还有并行的低端产品线是Spartan系列。从2011年开始7系列FPGA后,Xilinx在7系列上衍生出新的产品系列,目前一共4个系列。

2019年Xilinx以近30亿美元的营收,以及超过50%的市场占比继续引领FPGA技术以及市场的发展。排行第二的Altera以性价优势在中低端市场占据较大份额,与Xilinx一起占据了FPGA 将近90%的市场份额。2015年Altera以167亿美元的价格被Intel收购。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图18)

由于FPGA在通信,消费电子以及汽车等领域应用越来越广泛,预计市场规模将由目前的60亿美元增长至2025年的120亿美元(数据:MRFR)该领域也引起了国内同行的兴趣,目前国内的FPGA厂商有京微齐力、复旦微电子、紫光同创、高云半导体、安路科技和西安智多晶等。目前国产FPGA厂商主要还是以40nm、55nm产品为主,应用场景还都是比较低端或者比较特定,跟这两大厂商目前还没有什么可比性。

FPGA是一个比较特别的行业。首先FPGA本身是一种芯片,但这种芯片可以通过内部资源配置芯片的具体功能。其次他还需要一套配合芯片应用的EDA工具(比如Xilinx的ISE)如果内部带CPU那还得配上一套软件的IDE(比如Xilinx的EDK)

通常FPGA除了比较灵活之外,价格太高,面积太大,功耗也高,基本上都是做原型产品来用,以及一些产品数量不大的市场,一旦芯片市场容量稍微有一定规模,就会转移到ASIC上面。近年来,随着FPGA厂商在功耗,成本上的努力,在某些产品场景上也显示出来了一定优点。

FPGA的内部资源根据产品的目标场景有不同的配置,如果需要设计高端的产品,对厂商来说也是比较具有性。拿Xilinx的Virtex7来说明一下FPGA内部资源。先看一下7系列的配置。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图19)

作为一个可配置成不同应用的芯片,不管是用在传统的通信领域,还是其他方面,我们看到Virtex7基本上相当于一个比较强的AP,虽然不需要像手机多核AP一样强悍,但作为各种通讯设备的处理器已经是很牛了。比如。

多达200万个逻辑单元,每个单元至少相当于15个IC逻辑门,以及30万个Slice,每个Slice平均包含一个LUT以及一个寄存器等。

68Mb RAM非常给力,满足绝大多数IC对内部存储的需求。

5335 GMACS 的 DSP 处理性能,满足无线 LTE 基础设施设备、LED 背光和3D数字显示器等应用。

支持 400G 桥接和交换结构有线通信,支持核心有线基础设施

高速串行连接功能和内置式 Gen3x8 PCI Express,以及其他DDR借口,串行借口等。

LTE基带能够满足通用平台内 LTE 基带处理严苛的延迟要求,支持 多种空中接口混合使用。

集成PowerPC,ADC等等。

目前国内FPGA都还比较弱,仅仅从参数这个层面来看的话,就已经远远不在一个层面。国内厂商需要在特定场景,特定应用里面寻找合适的空间发展,以积累经验和资本,再图谋更高规格场景。

五无线通信5G,WiFi,蓝牙

一5G演进

这里也通过回顾无线通信的发展来看一下近20年无线技术方面演进的情况,应该说也是突飞猛进,各类标准演进非常积极。说无线通信必然要说5G,但5G太广为人知了,我们也在不同文章有过相关的论述,这里简单总结一下。

2003年左右,我们听说MTK的2G手机芯片turnkey方案大行其道,横扫深圳的山寨机市场。公司也就百十来人,年会的时候抽美金,抽宝马,很快MTK就变成了移动通信芯片的一级供应商,而现在转眼5G就来了,你说快不快。

这个表大致比较清晰的描述了从1G到5G的大致发展历程,以及关键技术和应用场景,作为背景知识应该够了。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图20)

4G实际上大家都说是3G+WiFi,因为他引入了WiFi的OFDM调制技术,首先是提高了传输速率,其次是提高了频谱利用以及传输质量。

5G定义了eMBB、uRLLC和mMTC三大场景,eMBB主要针对4K/8K、VR/AR等大带宽应用,uRLLC主要针对远程机器人控制、自动驾驶等超高可靠超低时延应用,而NB-IoT和eMTC将演进为mMTC,主要针对低速率的大规模物联网连接。

2018年发布的R15是5G第一版成型的商用化标准,R15目前支持5G三大场景中的增强型移动宽带(eMBB)和超可靠低时延(URLLC)两大场景,海量机器通信(mMTC)场景标准将在R16中确定。

大家之前听到的华为Polar码的故事,实际上最后高通力推的LDPC码作为eMBB数据信道(无论长短码)的编码方案,而Polar码当作安慰奖作为eMBB控制信道的编码方案。这事没那么重要。

R16不仅将完善5G场景,包括5G-V2X、高可靠、专网、行业局域网,mMTC(eNB升级空口+5GC)还将有力提升5G性能:MIMO增强、大气波导干扰规避、大数据采集标准化等。2019年6月3GPP RAN84会议上确定R16计划将于2020年3月冻结发布。同时R17的工作内容也确定下来,并计划在2021年6月冻结。

NR Light:针对中档NR设备(例如MTC、可穿戴等)运作进行优化设计。

小数据传输优化:小数据包/非活动数据传输优化。

Sidelink增强:sidelink是D2D直联通信采用的技术,Rel-17会进一步探索其在V2X、商用终端、紧急通信领域的使用案例,实现这几个应用中的最大共性。

定义52.6GHz以上频率:Rel-15中定义FR1为410MHz - 7.125GHz,FR2为24.25GHz – 52.6GHz,R17将5G NR的频段范围从52.6GHz扩展到了71GHz。

进一步把室内定位精准度提升到厘米级,大概是20-30厘米左右。在工业物联网的应用中加强室内资产追踪、AGV追踪等。

关于NR-Light,如果说uRLLC针对的是“高端”物联网应用场景,而mMTC针对的是“低端”物联网应用场景,那么在eMBB、mMTC与uRLLC之间存在的“中端物联网市场”的空白地带将是NR-Light将要研究和定义的内容。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图21)

下面我们再说一下WiFi和蓝牙的标准演进情况。

二WiFi演进

1990年,基于未授权频谱中的无线通信,IEEE 802.11工作组成立,初始版Wi-Fi最终于1997年正式实现标准化,但并未产生广泛影响。直到1999年,802.11b应运而生,该技术使用与初始802.11无线标准相同的2.4GHz ISM频段,但将支持的吞吐量大幅提高到了11Mbit/s,实现了对标10 Mbit/s以太网的网络标准。可以看出WiFi同以太网的密切历史渊源,所以说他是具有互联网基因的一项无线技术。

同时为了匹配以太网的高网速,以及解决2.4G频段比较拥挤的情况,802.11a也几乎同时诞生,他采用5.8G的载频,速率达到54Mbps。

然而由于802.11a采用了不同的频段,需要不同的射频,与802.11b不兼容,所以应用并不广泛。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图22)

2003年于是802.11g修正了802.11a的尴尬,回归2.4G,兼容了802.11b,保持了54Mbps的速率,使得802.11b在已经取得成功的情况下,巩固了WiFi的行业地位。同时由于苹果电脑,以及windowsXP的加持,使得WiFi已经成为室内无线互联的必然选择。

2009年802.11n推出,WiFi进一步提速,他在2.4GHz或5.8GHz频段运行(但不同时在这两个频段运行)通过帧聚合提高了传输效率,并引入了可选的MIMO和40MHz通道。在低端,如果使用与802.11g网络相同类型的单天线、20MHz通道宽度配置运行,802.11n网络可达到72Mbit/s。此外,如果使用双倍宽度的40MHz通道与多天线,则数据速率可以更快—达600 Mbit/s(对于四天线配置)一般情况下,40M带宽单天线,802.11n的速率最高达到150Mbps。

2014年,802.11ac再次提高了WiFi速率,对5G频段进行改进,可以支持最高160MHz的带宽。此外,波束合成以及对高达8个MIMO流的支持提高了可支持的速率。根据不同的配置,数据速率的范围从最低433Mbps到6933Mbps。通常的,我们说802.11ac单天线支持最高450Mbps速率。

2019年,802.11ax更是进一步将速率提高到了单天线1Gbps,并且WiFi联盟重新统一了WiFi的命名,将802.11ax命名为WiFi6,依次将802.11ac命名为WiFi5,将802.11n命名为WiFi4等。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图23)

Wi-Fi 6结合了多用户MIMO、OFDMA、1024-QAM、BSS着色和目标等待时间等主要基本增强技术,对5GHz和2.4GHz频段均有益处。

OFDMA意味着增加了另外一种多用户资源分配方式--频分,而在以往的Wi-Fi协议中,比如802.11ac对多个无线接入用户采用空间分隔(MU-MIMO)或者时间分隔(轮流传输/EDCA)的方式支持。如下图(图源:DenialHuang)

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图24)

截止到2018年,Wi-Fi类的终端存量有130亿以上,包括大家使用的手机、平板电脑和PC,以及其他的智能设备。WiFi已经成为年轻人除了空气和水以外的必需品。

我们经常听说5G会给WiFi带来冲击,因为我们经常听到有人说5G要互联一切。5G诚然是想互联一切,借鉴了其他无线通信的很多策略,但总体来说,蜂窝主外,WiFi主内的格局不会变。细节我们这里就不展开说了。

三Bluetooth演进

蓝牙技术最早可以追溯至1994年,当初爱立信投身于蓝牙技术的研究是将其当做是RS-232数据线的替代方案。1998年,爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家企业成立了蓝牙技术联盟的前身—“特别兴趣小组”Special Interest Group,SIG

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图25)

1999年所推出的蓝牙1.0版本,因为技术上存在着数据泄露的问题,所以,蓝牙并未立即受到广泛的应用。

2001年2月,蓝牙1.1才做为首个正式商用的版本开始面向市场,传输速率大约为748~810kb/s,具有加密功能。该版蓝牙标准也被正式列入IEEE标准,也被称为IEEE 802.15.1。同年,SIG成员公司超过2000家。

2003 11月推出了1.2,加上了抗干扰跳频功能,且采用延伸同步连结导向信道技术,用于具高度QoS的音讯传输。

2004年11月推出2.0版本中增加了例如EDR(EnhancedData Rate,配合2.0的技术标准,将最大传输速度提高到3Mbps)A2DP(Advanced Audio Distribution Profile,一个控音轨分配技术,主要应用于立体声耳机)AVRCP(A/V Remote Control Profile)等。Bluetooth 2.0将传输率提升至1.8~2.1Mbps。蓝牙2.0版开始支持双工模式—即一面作语音通讯,同时也可以传输数据。也是从这个版本开始,蓝牙才被市场所广泛认可。

2009年4月,蓝牙3.0也开始面向市场,其核心是通用MAC层与PHY层交替技术(AMP)此技术可以根据任务的不同有选择地使用设备。利用AMP技术,通过集成802.11 PAL,使蓝牙3.0的速率提高至24 Mbps。蓝牙3.0从目前市场层面看,使用非常少。

2010年,蓝牙4.0的发布再次变革了蓝牙技术。SIG提出了“低功耗蓝牙”“传统蓝牙”和“高速蓝牙”三种模式。其中的低功耗版本更是开启了低功耗短距离物联网无线应用的广阔空间,赋予了蓝牙崭新的场景,更是开启了一个巨大海量的市场。蓝牙4.0版本的功耗较之前的版本降低了90%。

2013年12月,蓝牙技术联盟推出了蓝牙4.1规范。4.1蓝牙设备可以使得多个蓝牙设备同时连接到另一个蓝牙设备里,且蓝牙设备可以通过IPv6来接入互联网。

2016年12月,蓝牙标准伴随着物联网应用的爆发也进行了继续演进,相比蓝牙4.0版本,5.0在传输速度提升了两倍,传输距离增加了四倍,数据传输量提升八倍,强化了加密功能。同时支持Mesh组网。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图26)

2019年1月,SIG又推出了蓝牙5.1,新增寻向功能,将蓝牙定位的精准度提升到厘米级,功耗更低、传输更快、距离更远、定位更精准。伴随着蓝牙5.1标准的推出,也让业界看到了将蓝牙技术应用于室内定位的前景,这也是目前蓝牙技术的未来发展前景之一。

2020年1月,SIG又推出了蓝牙5.2,新增LE Audio的特性。解决了蓝牙音频的多通道传输问题,以及蓝牙音频的广播问题。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图27)

从此,蓝牙应用将出现一片全新的图画。

以物联网数据连接和TWS音频为主要应用场景,不寻求大数据传输。

以低功耗为标志性特性。

在5.2规格之上统一数据和音频规范,并且停止维护4.2之前版本,停止相关产品认证。

蓝牙的应用明确,特征明显,将强化短距物联网无线连接的主流技术的地位。

因此说,借助于5G和物联网应用场景的爆发,新蓝牙也迎来了更美好的发展前景。

从前面的罗列,我们看到半导体起源于西方,蓬勃与西方,引领在西方。我们年轻,朝气蓬勃,我们应当有自己的自信,我们也甚至可以有自己的自豪。但我们一定要清楚,我们的路不短,再拿20这个数字比喻一下:一个40岁的人知道20岁的人在嘲笑他什么,而20岁的人却不知道40岁的人在嘲笑他什么。

三、 中国半导体第二次浪潮

一从喧嚣到沉淀

我们先扯扯股市,就像我们前文说的上世纪90年代实际上是中国股市的最好的年代,进去的人差不多都赚钱了,而且由此造就了一批在未来经济中影响力很大的人物,这是时势造英雄,赶上了而且拿住了那您就成了。

但中国股市最疯狂的时刻却是2007年末,从2005年6月6日的998点到2007年10月16日的6124点,股市经历了疯狂的1年多时间。呢,就没有了。

做股票或者期货对一般人来说搞短线是危险的,人家都有机器有算法,自动的买卖,很难干的过人家。做基本面呢,做价值投资呢,普通人又缺乏相应的专业知识。无论哪种吧,对于散户来说,炒买炒卖只有10%的人能挣钱,这是统计出来的自然规律,您得信。如果我们的股市能像别人那样10年长牛,而且企业挣钱了还能反哺投资者,那倒也轻松很多。但我们好像不是,如果收入结构变化了,钱留在民间了,真的中产阶级强壮了,股市才能变得像大家想象的样子。做股票或期货就是在恐惧和贪婪之间过山车,要把握一些原则,比如:a与市场趋势保持一致Trend is your friendb不要过度交易Avoid over tradingc及时止损Stop the lossd不要让盈利变亏损Do not turn a winner to losere不要尝试抄顶和抄底Do not earn the last penny等等吧。但最考验的是心理,最重要的是遵守纪律,因为任何需要努力,需要建设的东西都是一个逆熵的过程,而人性的特征是服从熵增。好吧,自古都是大赢小,多吃少。用小钱去挣大钱,就是去打老虎。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图28)

侃了几句股市,因为二级市场的繁荣会带来各个行业的繁荣,半导体行业也不例外。从2008年开始,随着股市的破灭,在00年代初期风风火火的半导体行业是沉寂了一段时间的,一直到大约16年中兴事件。当然了,这里我们不讨论M2,MLF,SLF,康波,这些东西是别人的饭碗。拿自己的业余爱好别人的饭碗,那就是自讨没趣了。

2008年的时候行业的状况是这样的:市面上还是ARM的Cortex-A8的产品,而基于第一款多核Cortex-A9的产品要到3年后才上市;Intel的Xeon还是4个核,当然主频已经3.xGhz了;AMD的45nmOpteron CPU也刚刚上市;IBM刚刚宣布Power产品线,而且上来就64个核;TSMC 的主流工艺是40nm,年收入$10B;同年苹果发布了iPhone2(3G)

2018年,全球的半导体市场规模将近5000亿美元,如图所示的头部企业全部是欧美企业,且以美国为主。正如本文第一部分显示的一样,国内在所有领域里面都处于追赶的阶段。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图29)

按照中国的国力,以及应该相匹配的在半导体行业所占比例来看的话,第一映像是我们还太弱了,第二个想法就应该是国内半导体的发展空间还是非常广阔。

我们将国内外集成电路Fabless的规模进行了对比(注:国际数据不包括Intel,ST,Samsung等IDM,国内2019数据为预估)将中国芯片进口的数字,以及全球集成电路的总体市场规模整理了一下。如果按照取代50%进口芯片的规模来算,留给国内企业的市场空间至少还有1500亿美元。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图30)

以上数据网络,可能会有偏差,尤其是2019年数据,由于贸易战以及全球经济下滑,存储芯片下降,价格下跌,有资料显示2019年全球半导体总体市场规模有比2018年有较大下降,只4183亿美元。

2008-2015这个期间国内相对平静。如果寻找这个阶段的大事件,包括了国家大基金的设立,以及2015年国家出台的一系列发展集成电路的政策。

这个阶段,新公司从500来家发展到700多家,而2016年就增加到了1362家。但全球IC设计产业依旧被美国公司主导,占据着全球IC设计份额的53%,而中国占比只有11%,差距依然明显。2018年中国大陆IC设计企业营收总额超过2500亿元,连续4年保持两位数以上的增速,但只有三家公司的营收超过百亿,2019年,依然只有三家过百亿。另外,员工人数少于100人的小微企业,共1576家,占据企业总量的88.5%。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图31)

2014年9月,为了促进国家集成电路产业发展,在工信部、的指导下,大基金设立,主营业务为运用多种形式投资集成电路行业内企业,重点投资集成电路芯片制造业,兼顾芯片设计、封装、设备和材料等产业. 一期募集资金1387亿. 大基金已经投资(涉及)半导体领域的22家A股公司、3家港股公司。

大基金一期投资项目中,集成电路制造占67%,设计占17%,封测占10%,装备材料类占6%。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图32)

二2016再出发

道理比较通俗:搜索,电商,游戏,社交,支付等等只能是应用层面的创新,如果没有底层芯片,基础设施,以及高端制造支撑的话,上层的东西说没就没了。再通俗的比喻一下,我们一不小心成立暴发户,但没有底层建设,我们成不了贵族。

我们汇总了一下相关政策,除了2014年《国家集成电路发展推进刚要》以及国家大基金的设立。其他密集的促进集成电路发展的政策是2016年之后颁布的。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图33)

2019年10月8日,工信部公布了一份答复《关于加快支持工业半导体芯片技术研发及产业化自主发展的提案》的函,要“推进设立集成电路一级学科,进一步做实做强示范性微电子学院。”

前面提到,大陆2016年IC设计公司从2014年的681家升至1362家,两年时间公司数量翻倍。有政策的原因,也有国际大环境的原因,也有国内同行的努力。虽然,我们看到差距的巨大,但我们依然取得了非常大的进步,这里我们说说国内集成电路行业的进步。

1数字设计接近高水准

数字设计领域比起模拟设计是相对走的比较靠前,因为模拟设计需要工艺厂商的密切配合,像TI,Micron等做的好的公司,都是IDM的公司。当然,像TSMC的工艺和PDK也不错,如果得到厂商的密切配合,也能做出高水平的东西。

数字方面,比如AP,虽然CPU核是别人的,但华为的AP已经大规模应用在自己的手机上,性能已经不弱,而且华为已经在ARM的架构上自己的CPU核,用不了多久就可以应用。2012年华为第二代的双核AP才刚刚开始,离高水平的AP还有很大差距。但是短短几年随着华为手机的流行,华为的AP迭代越来越快,越来越好。

比如数字基带,包括5G,WiFi,蓝牙等无线通信芯片国内已经能逐步匹配国外水准。华为的4G,5G已经都是独立进行设计了。目前也只有高通,联发科,海思的5G芯片比较靠谱。苹果买完Intel的基带芯片团队,估计还得几年才能自给自足。客观的说由于在4G,5G基带上开始自主研发,才使得华为的AP,BP,乃至手机才逐步表现出较强的生命力,手机与芯片是相辅相成的关系。这是核心技术的力量。

比如SoC设计已经能达到同类产品的最高规格。2018年的Fabless IC设计公司排名中可以看到华为已经比较靠前。:DigiTimes

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图34)

在AI领域,2012年,随着人工智能、深度神经网络技术的突破发展,英伟达也凭借其在GPU领域的积累迅速崛起;自2016年以后,英特尔就开始陆续收购AI芯片企业—2016 年 8 月,英特尔以 4.08 亿美元收购了 Nervana;2019年12月,英特尔宣布以 20 亿美元收购以色列芯片制造商 Habana Labs。2019 年11 月在人工智能峰会上,英特尔发布了首款云端 AI 专用芯片Nervana 神经网络处理器(NNP)系列产品。

2019年8,华为推出了华为昇腾910,该芯片昇腾 910 定位于云端AI 芯片,着重 AI 训练能力。百度也宣布了其在训练芯片上的最新进展—在2018百度AI者大会上,李彦宏发布了中国首款云端AI全功能AI芯片“昆仑”

相较于训练芯片,推理的市场门槛相对较低,应用场景也更加广泛。这也使得,很多初创公司在推理芯片方面展开了竞争—寒武纪、地平线、依图科技、平头哥、比特大陆等厂商均于今年推出了相关产品。

虽然国内的AI芯片多数基于国外的开源算法,但依靠国内的资本力量,也许有个别企业会发展为未来AI芯片的中坚力量。

2代工厂具备发展基础

IC Insights的报告显示,2018年中国纯晶圆代工厂额从上一年的75.72亿美元上升到106.90亿美元,涨幅41%。由于在全球纯晶圆代工市场占比最大的美国2018年额从上一年的311.43亿元下降到305.81亿美元,减少了2%,中国成为了2018年整个晶圆代工市场增长的动力。

随着各地方政府对半导体产业支持力度加大,各厂商纷纷加码晶圆厂建设。2016至2017年间,综合8寸、12寸厂来看,确定新建的晶圆厂就有19座,其中大陆就占了10座。而2017年到2020年的四年间,将有26座新晶圆厂投产,成为全球新建晶圆厂最积极的地区,整个投资计划占全球新建晶圆厂的42%,成为全球新建投资最大的地区。

从市场格局来看,2018年全球纯晶圆代工厂占比前八大企业中中国企业占据一半以上,其中台积电占比达59%,此外,占比在5%以上的还有联电、中芯国际,分别占比9%和6%。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图35)

虽然晶圆厂上的有点快,未来几年可能有很多整合的情况出现,而且一些厂商不会把最先进的工艺放到国内,比如台积电,Intel等,但毕竟大量出现的工厂对整个产业环境,对技术人员的培养确实很有意义。

我们之前提到中芯国际的14nm虽然还没有量产,可能还有各种缺陷,可能还有很多IP不够全,但特定的产品应该可以用上。在此基础上做精做深,未必非得急吼吼的赶3nm工艺,虽然那对CPU,AI等计算类芯片有一定优势。

更有意义的是,我们完全具备了量的优势,有量就有发展的群众基础,关键是要踏实做事。

当然,材料,设备之类的更底层的功夫我们还需要努力,再努力,我们也不展开了。

3整体营收持续增长

首先,中国是世界工厂,版图的市场消费需求量很大,占全球芯片需求量的45%,供内需与外销之用。虽然我们看到在图表上目前排名前15的半导体厂商还没有中国厂商,相信在不久,华为海思等企业就会上榜。在TOP15里面,其中IDM占了10家,这也是国外厂商长期领先积累的巨大优势。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图36)

从国内半导体的总体营收来看,每年在持续稳步增长,其中包括设计,代工,封测等。按照IC设计(看了国内Fabless TOP10的数字感觉总体有一定水分,比如是不是真的IC收入,是不是自己的IC等)在设计,代工,封测中目前所占40%的比例来计算,2019年国内芯片产业的总产值已经达到1000亿美金左右。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图37)

其次国内的市场占有率也在不断提高,虽然我们的芯片还不是市面上最好的芯片,目前以低端芯片为主,但整体产业环境是具备的。我们看到大陆的整体市场占有率已经在逐步向台湾和韩国靠近。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图38)

我们认为:

国内目前总体产业发展动力比较足,发展也较快,部分突破点接近国际水平。

国内的产业目前是齐全的,但部分产业依然差距巨大,比如EDA,CPU,核心设备等。

国内目前具备了向国际先进水平,尤其是美国,加速追赶的基本条件。

都说2019年是资本寒冬,也有人说2019年也许是未来10最好的一年,不管怎么说,就是比较难的一年了。但一下说未来10年,这个有点拍脑袋。因为我们2019在融资,所以也稍有感触,简单聊聊。

有观点认为,VC/PE现在也到了洗牌的时候了,比如说:

头部聚集和规模效应出现,截止到2018年年底,登记在册的基金机构中,100亿规模以上有235家,而10亿规模以下的总计超过7600家。

整个国内资金周期太短,现在基金的基金封闭周期都是2-5年为主。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图39)

不论结论对不对吧,但现象是这个现象。不过这里只聊聊跟半导体相关的行业感受,题目大了肯定hold不住。

从个人感觉来看(不见得合理)国内00年开始有一波以国外美元基金和海龟为主导的半导体创业浪潮,随着08年金融危机的爆发,国内半导体进入相对平静和消化积累的阶段,直到大基金和16年中兴事件的爆发,以国内基金和国内创业者为主的再次创业浪潮涌起。我们从下面这个图片里面也大约能够感受到这样的变化。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图40)

不仅是基金,任何行业,如果要出人头地,必须有自己的核心竞争力,这个应该不会有问题。

先把基金大小放一边,因为大鱼吃小鱼,规模大一定是占优势的,就像我们前面说的做股票,做期货一样,虽然不绝对。什么才算核心竞争力呢?

两种能力:一个是资源能力,一个是专业能力。

不能说我投VC不行了跑去投PE,或者投PE闹心了去投VC,这不行啊。就像孩子老师说的,一个人行的话学什么都行,干什么都行。你行或者不行这才是问题。这对创业者也是同样的道理。

投资者都有自己的逻辑,有自己的标准。但有几点我个人观察的话,最好要避免。比如

标准同化,看PS,PE,甚至PM(meng)这个谁都会,拿这个去作为衡量项目的唯一标准的话,要么抢不到,要么错失好标的。

看PR做行研,要真的扎进去做行业研究,并且赠别出哪些是在嚷嚷,哪些是有真东西。搞硬科技,这块确实有些难,不是行业出身的话确实需要下功夫。避免今天听谁说好,明天听谁说又不行。避免听说这个行业竞争厉害,那个行业是世界第一,没有唯一玩家的市场,有的话要认真辨别,他是不是马云,是不是马斯克。

做半导体不能玩概念,我们可以搞AI,可以搞区块链。比如AI不是一个行业,用AI做图像处理才是一个行业,我们再到图像处理行业里做具体分析。

急于求成,目前的基金周期普遍较短,对半导体来说,确实有点短。

一个项目,没有任何障碍的情况下,设计一年,后端生产封测半年都少,一次成功的情况下,再定型,生产,封测,封测,出货。前前后后最少最少2年时间。如果中间不理想,至少按年为单位的时间延长。

所有项目最后落到人,名校,名企,海龟都不可以作为依据,一个人的格局,专业能力,行业历练,量产产品经验都是必不可少的。要是我做投资,我把人品放第一位。一个小机构,找到属于自己的专业判断准则,您至少可以做到小而美。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图41)

当然了,我其实是想说IC创业者,做IC的人同样需要资源和能力。结合自己的资源和专业能力,做正确的坚持,在坚持中更正确。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力,必将走到极限。虽然我们的工艺进步可以延缓这个过程,比如从平面的Planar-FET,FD-SOI到立体的FinFET,乃至所谓CFET。3D FET延缓了这个过程,等效于尺寸缩小。

从总体上看,目前的半导体产业都是在进行从1到多的创新,而不是0到1的性创新,这也是为什么10年代在硅谷芯片公司的融资数目显著降低。尽管如此,从产业以及从工业基础的角度看,国内必须补上这一环节,我们需要更好的CPU,大密度的MEM,更快的接口,性能更优秀的无线通信,更好的模拟器件,这是国内半导体人必须做的事情,也是我们的机会。

也许,这也是我们在下一个时代的来临之前必须准备的功课。做IC,没有弯道超车这个说法,这么说我们都善意的理解为鼓舞士气。

哲学,还有创新吗,都没有了。物理学呢,数学呢,也都是在做1到多的工作,至少都100年没有划时代的发现了。

我们是做engineering的,这点认识很重要。做研究和做工程是两件事情,做产品就需要真正满足需求,真正解决问题,同时做到高效和节约。

作为70年代人,我们是非常幸运的一代。虽然有玩笑说,我们赶上了自己交学费,自己找工作,自己买房。但是对我们而言,从放牛砍柴插秧割稻年代,到万元户到乡镇企业年代,到286到586,到BB机大哥大到苹果,到到WeChat。穿透农业,工业和信息社会,也许还能看到量子社会,我认为是幸运的。

历史不会改变,只会重演,无非换了主角。我们希望我们能做未来的主角。如果你不愿意,就会发现困难挡住了我们,或者找到了挡住我们的困难,如果你愿意,你发现本没有困难,因为困难总是存在。

硅基半导体随着Moore定律越来越吃力(图42)

本文相关词条概念解析:

半导体

半导体(semiconductor),指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制,范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看,半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品,如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅更是各种半导体材料中,在商业应用上最具有影响力的一种。

网友评论

相关文章