后摩尔时代的创“芯”路

 

时间:2021-7-5        来源:《环球》杂志

 

华夏芯基于自主指令集的 64 位 CPU

 

实践反复证明,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握在自己手中,才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。

当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中一个关键变量。而提升自主创新能力,尽快突破关键核心技术,已经成为构建新发展格局的一个关键问题。面对激烈的国际竞争,在单边主义、保护主义上升的大背景下,原始创新能力的提升已越来越重要,实现“从0到1”的突破越来越紧迫。

在近日召开的中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会和中国科协第十次全国代表大会上,习近平总书记强调要加强原创性、引领性科技攻关,坚决打赢关键核心技术攻坚战。

而芯片领域的原创性、引领性创新,正是这场技术攻坚战中非常重要的一环。在中国工程院院士李国杰看来,高端芯片自主知识产权的缺失,是中国产业技术中最令人揪心的短板之一,也是亟待换道超车、实现破局的关键领域。

“缺芯”,但更“缺新”

以往每当直面“缺芯”问题时,中国往往看到的是自身危机。数据显示,2020年全球芯片市场规模为3957亿美元,中国大陆市场占36.24%,是全球最大的芯片市场。但与此同时,作为芯片进口大国,中国的芯片自给率仍然较低,2019年芯片自给率仅为30%。今年年初,国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,其中提到,中国芯片自给率要在2025年达到70%。5年时间内,芯片自给率要提高一倍以上,这颇具挑战性。

如今,“缺芯”问题已演变成困扰全球多个产业的问题。除汽车以外,手机、消费电子等多领域均受波及。业内人士指出,需求旺盛、产能不足以及供应链管理不足等多重因素叠加造成了芯片短缺的困境。国际半导体设备与材料组织(SEMI)全球副总裁、中国区总裁居龙表示,全球“缺芯”、价格上涨是超级周期的结果,也加速了全球产业链的布局重整,中国是全球最大的集成电路市场,受“缺芯”影响很大,需要有良好的应对策略。

华夏芯(北京)通用处理器有限公司(以下简称华夏芯)董事长李科奕告诉《环球》杂志记者,当下的“芯荒”使得芯片企业处于极为有利的卖方市场,产品价格不断提升且不愁销路。因此,全球半导体产业链上的制造企业和设备、材料供应商正在加大投资力度和扩大产能。但是,全行业的景气状况可能会掩盖长期以来中国集成电路产业在技术创新尤其是引领型创新方面的短板。集成电路是一个高度周期化的行业,一旦这一轮景气周期结束,下一轮残酷的行业洗牌随时可能来临。届时,国际巨头可能会凭借技术优势和资金实力进一步加强垄断。因此,中国的芯片企业必须抓住现在相对有利的市场环境,在核心技术的创新上取得突破。

值得肯定的是,当前中国集成电路产业在芯片设计、EDA工具、制造工艺、封装技术、核心设备、关键材料等方面的创新均取得了一定成就。“但是,这些成果很少属于集成电路产业里程碑式的引领型创新。”李科奕说,“芯片行业的引领型创新以原创的身份突破制约集成电路发展的关键核心技术,它包括三个基本属性:原创的、颠覆性的技术,行业内得到普遍推广和应用,对人类生活产生重大影响。开展引领型创新需要有超凡的勇气,需要长时间坐冷板凳,需要全身心投入到创新研发中,才可能取得成功。”

抓住后摩尔时代的“创芯”机遇

中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明日前表示,后摩尔时代,芯片性能提升逐步放缓,意味着给了一直处于追赶状态的中国一个机会。

据吴汉明介绍,目前国内已经有公司通过“成熟工艺+异构集成”的方式,利用40纳米的成熟工艺+异构集成,产品性能可与16纳米媲美。“这也代表着后摩尔时代的技术延伸和发展方向。”

后摩尔时代,正是一个多赛道变道竞技的时代。工信部电子信息司司长乔跃山表示,2020年,中国集成电路产业规模达到8848亿元,“十三五”期间年均增速接近20%,为全球同期增速的4倍。未来在中国经济稳健增长的态势下,在5G、云计算、物联网、人工智能、智能网联汽车等新型应用的驱动下,中国集成电路市场需求仍将持续增长。

“尤其是物联网的发展,推动大数据、云计算和人工智能的发展。”国家信息化专家咨询委员会原常务副主任周宏仁向《环球》杂志记者分析道,数字化、网络化、智能化技术的应用开始向各种产品渗透,使“计算”向着以产品计算为主流应用的方向发展。因为全球“物”的数量巨大,“用户”数量将以百亿计。如此庞大的应用需求,势必影响核心芯片技术的下一轮革命性变革。全球物联网所需的核心芯片技术的体系架构还在成形之中,是当前全球芯片和产业界竞争的焦点。

中国芯片企业应该以怎样的姿态参与这场竞争?“是恋战过去,还是面向未来?我们曾经认为‘造不如买’,放弃了原始创新,却失去了芯片发展的关键几年。”周宏仁说,“英特尔首席技术官预测,量子计算真正实现大规模商业化还需要10年时间,难道我们还值得为X86和ARM再争吵10年?面向未来,不要揪着X86和ARM的体系架构不放,而要放眼‘大智物云’的发展需求,做前瞻性的赶超部署。”

周宏仁表示,值得欣慰的是,如今,中国已经有一系列前沿技术崭露头角了,如异构计算芯片、人工智能芯片和量子芯片等。

中国“创芯”者在努力

据李科奕介绍,在芯片领域,如今采用先进工艺的投入已越来越高。以台积电5纳米芯片工艺为例,一次流片的费用高达上亿元人民币。而芯片的应用场景越来越碎片化,导致芯片的投入和产出越来越难以平衡。因此,对于中国甚至全世界的中小芯片企业来说,采用设计创新比采用工艺创新更可行。

目前,异构计算和异构集成(Chiplet)是芯片设计领域创新的热点。华泰证券研究所在最近推出的研究报告中指出,半导体技术发展进入后摩尔时代是未来10年半导体行业投资的重要主线。“半导体制造有望在2022年步入2纳米时代,这之后的演进路线目前仍然是未知数。异构计算、异构集成、先进封装等后摩尔时代技术可能成为支撑人工智能、云计算、自动驾驶等半导体行业持续发展的动力。”

华夏芯就是后摩尔时代的一个“创芯”者。据了解,华夏芯基于自主知识产权指令集所进行的创新,不只是对芯片的创新,更是对芯片底层架构的创新。

李科奕表示,“传统的异构计算只是在物理上把不同种类的计算引擎集成在同一颗芯片上,引擎之间缺乏协同,计算复杂,用户编程开发的门槛也很高,中小企业难以使用和推广。华夏芯目前是中国唯一一家在芯片底层架构上实现颠覆性创新、基于全自主指令集开发异构处理器的企业。”

从技术层面看,华夏芯所倡导的异构计算路径是当下全球主要的热点技术之一。据介绍,传统的异构计算开发工作需要耗费大量人力、物力和时间,开发速度不理想,也不利于中小企业发挥创新能力,只有少数有实力和财力的巨头才可能推广相关的芯片产品。华夏芯针对以上难题,开发了高效、简单、统一的异构计算芯片设计平台和编程开发平台,特别适合中小企业基于该平台进行二次开发和应用推广。

“颠覆性的原创、技术服务于众多中小企业而非用于加强少数巨头的垄断地位、具有广泛的应用前景——这种创新不仅是国家和行业发展所需,也是广大科学研究者孜孜以求的奋斗目标。”李科奕说。

周宏仁也认为,这种换道超车的战略,也就是集中力量,在关键技术领域实现引领性创新突破,符合中国的实际需求,“我们要用有限的人才和社会资源,突出战略重点,力争引领下一代核心芯片技术的发展。”

中国工程院副院长陈左宁指出,中国要打造强国之“芯”,必须抢抓发展机遇,中国集成电路产业未来发展需要秉持开放、合作的精神,正视当下集成电路发展的挑战,抓住后摩尔时代迎头赶上的机遇,加速新型举国体制下的公共技术研发平台建设,由单点突破转向产业链集成,夯实发展基础,打通科技创新与产业创新的“全链条”,努力实现中国芯的跨越式发展。