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5G与半导体工艺的赛跑:如何面对半导体工艺墙?
2020-01-15 16:20:44 21ic
电工永利游戏网址网】讯
  在2018年刚上任紫光展锐CEO不久,楚庆就押了两次注。进入5G时代,基带芯片的玩家越来越少,连老牌半导体巨头英特尔都出售了相关业务退出竞争。而即使是处在产业链偏下游的公司,也需要从过去可以不太懂上游变得要逐渐了解,才能实现产业间更好地协同配合。
  其一,基带芯片选择大家都在探索尝试的7纳米,还是已经非常成熟的12纳米?其二,是先走NSA(非独立组网)这条路,然后过渡到SA(独立组网),还是SA先行,同步支持NSA?
  当时下的决定是,两个技术都走后者那条路。这背后涉及复杂的技术和工艺迭代背景,虽然对产业已有研判,但也不排除有选错的可能性。
  “尤其是头一套芯片的工艺节点选择是非常困难、非常伤脑筋的事,要综合的因素太多。即便你最后做了任何一个断定,还是要冒巨大的风险,因为很多东西都是在预估。一直到现在我们可以讲,觉得长出了一口气,两个点都打对了。”在近日接受21世纪经济报道记者专访时,楚庆回忆道。
  这与推动了半导体产业几十年发展的摩尔定律逐渐失效息息相关,同样重要的是,能够通过历代所有通信制式测试的厂家也屈指可数——再难有新进入者诞生,也不会有下游产业链厂商能够真正走到上游。
  在这场“少数人”的竞争中,紫光展锐锚定技术路线、重新建立管理体系,并定位为数字世界的生态承载者,期望与产业间“尽快把炉子烧热”。
  紫光展锐CEO楚庆。
  如何面对半导体工艺墙?
  在摩尔定律当道的时节,如果半导体公司的工艺成功进入了下一个更先进的节点,就立即可以同时获得三项加成——成本几乎下降一半、性能几乎提升一倍、功耗大概率降低近一半。在这条赛道上,谁先跑到下一个节点,谁就能够是胜者。
  但瓶颈出现了。2012年,楚庆经过分析得到过一个结论:7纳米将成为一道工艺墙,是半导体成本曲线的关键工艺拐点。届时,墙内与墙外的世界,将是两种完全不同的竞争规律。
  拐点最大的影响就在于,在对结果未知的前提下,流片的入门费用就已相当高昂。
  楚庆举了个直观的例子:如果要进入7纳米的墙内(7纳米及以下制程),在还没有流片前,就需要向第三方交纳至少7000万美元费用,即便成熟的芯片制造商能尽可能降低成本,流片费用也至少3000万美元。
  “芯片将来能不能赚钱还不知道,光入门费就高达一亿美元,而当时(2018年)大部分7纳米制造厂商的良率都还没有达到理想状态。”楚庆进一步解释道,而半导体工艺的爬坡曲线在以往摩尔定律有效时,在1-2周内便可达到效果,但在7纳米以后,周期将走到以月为单位——这意味着要承担巨大的风险。
  本质上当电路尺寸越来越小,在微观电路上会形成一个势垒,无法越过。“当尺寸越来越小的时候,会越来越接近量子规律,那么宏观电路的规律在这个时候就更加不适用了。会产生一种现象,这个势垒突然崩塌,用宏观世界的电路模型判断微观电路越来越不准。”
  进而对半导体产业分工带来影响。早期的芯片设计和制造厂商,二者可以直接按照标准流程制造,但如今,芯片设计公司如果不深入掌握这些工艺,不知道如何跟制造线配套,模型的准确性严重受到置疑。
  早在28纳米工艺时已显露出信号,制程困难直接体现在光刻机上,在28纳米以前,还有很多家光刻机供应商;但28纳米以后,主流变成了三家;到了20纳米以内,基本只剩下ASML(阿斯麦尔)一家了。
  “所以在2018年我决定先做12纳米。因为当时这个工艺节点囤积的产能远远优于7纳米,而且从性能表现、成本、功耗各方面的优化来说,7纳米跟12纳米‘顶棚’之间的距离没那么大,更何况7纳米到理论极限值还有一段距离。”楚庆分析道。这决定了展锐早期的5G两个方案采用了12纳米制程,至今验证是“赌”对了。
  在2019年7月,由AI Benchmark公布的主流AI芯片测试跑分榜单上,紫光展锐虎贲T710跑分达28097分,超过高通骁龙855 Plus的24553分和华为麒麟810的23944分,一度登顶榜单。而当时,后两位选择的都是第一代7纳米制程方案。
  “到今天,纳米数的提升可能并不意味着技术的本质提升,而只是厂商选择的一个产业策略。”楚庆如此总结,在最初选定技术路线时,7纳米工艺并不成熟,加上成本和风险都很高,而台积电当时将12纳米工艺优化得很好,促成了这个结果。
  不过展锐并非“死守”12纳米工艺,楚庆告诉21世纪经济报道记者,12纳米对展锐会是一个重要节点,当然公司也有一支尖兵,正在墙里的世界攻城略地,2020年就将看到这支尖兵的成绩。
  “在节点选择上,我综合评估了各家厂商,觉得我们选得非常精准。但是我们也会综合考虑接下来的良率和成本等表现,等到适合的时候,综合市场需求和产品成熟度,展锐会持续探索更先进工艺的5G芯片。”
  按照他的预测,3纳米将是另一个工艺底部。“之后还没有路标”。
  NSA与SA的不惑
  关于工艺选择的迷惑和探索充斥了半导体产业的这两年,但还不止于此。在5G时代,新的困惑又来了。
  与以前几代通信制式不同,5G商用初期出现了NSA和SA两个概念。前者是将5G的控制信令锚定在4G的基站上,后者则是完整的5G基站接入5G核心网。
  这是考虑到商用效率和成本、应用落地进程等因素,是韩国、美国等其他国家同样存在的过程。落实到最快为消费者感受到的手机,NSA制式意味着在4G芯片基础上外挂5G基带,进而让5G手机能够较快进入市场。
  不过展锐坚决走了SA路线。“我最早是做移动通信出身,也爬过塔、上去拧过螺丝。我断定NSA是不太完善的5G技术。”楚庆如此说道。
  从原理来说很好理解。5G的全名是“第五代蜂窝移动通信技术”,“蜂窝”顾名思义,将网络切割成了很多小块,当人从一个区块转移到另一个区块,实际上是完全不同的通信系统设备在提供服务,中间需要切换,这是一个极其复杂的过程。
  而在NSA方案下,则是用一种先进技术制式的基站,去匹配另一种旧制式的核心网,楚庆指出,这无法落地。其中的困难在于,在越区切换时,复杂的通信协议转换会导致所有业务都中断一段时间。在5G高速互联的时代,这种百来毫秒的中断对于业务主体会是致命的。
  “我一早就是NSA的反对者,用于手机恰恰不可行。即便是用同一家的核心网接同一家的基站,如果是4G到5G之间切换,一个越区切换最短时间平均是230-240毫秒。”楚庆向21世纪经济报道记者指出,而且随着移动通信制式的升级,实际上对切换时间的要求越来越高。比如2G时代的GSM一般是200毫秒,4G时代的LTE已经是20毫秒,到了5G将是5毫秒以内的切换速度。而5G更广泛和创新的应用如AR、VR、无人驾驶等必须是基于SA核心网才能够实现。
  因此展锐的核心团队从2019年1月开始,就将全部研发集中到了SA制式上。
  两次主要技术路线的选择,是楚庆上任后的新展锐在5G研发初期的一个缩影,得以为展锐在接下来的“五虎”(高通、华为海思、联发科、展锐、三星)发展格局下进一步突破。
  而在万物互融的5G时代,手机之外的庞大应用市场也在暗自培育,延伸出更大的想象空间,那将是另一番天地。
  构建生态驱动应用
  一向被视为“封闭”的海思开始开放了。近日海思宣布,向物联网行业推出首款4G通信芯片。这被视为是面向海量市场生态迈出的一步。
  在5G时代,开放生态将是必不可少的一大话题。楚庆指出,展锐定位了三大主要市场:消费电子、工业电子、泛连接。展锐认为,尤其在中国市场,需要承担起数字世界生态承载者的责任。
  “水大鱼大,事实上在生态建设过程中,只有一根柱子是不稳的,欢迎其他柱子一起来支撑,实际上大家的关系更像一种协作者。”他这样告诉21世纪经济报道记者。5G革命发生后,会造成历史上一次最大的新需求,根本不是任何一家厂商能够承载的。“我们非常欢迎所有厂商都加入,一起尽快把这个锅给烧热了。”
  楚庆表示,如果聚焦核心芯片,消费电子领域,中国芯片已经有百分之十几的占有额,但在工业电子领域可能只有1%,而且中国厂家还未能承担主生态承载者的责任。
  “我们必须吹响这个号角。”据他透露,工业电子事业部成立的第一年,销售额破了一亿美元。“工业电子在未来可见的时间范围内,我们的增长率应该都将接近100%。”
  要实现生态构建,还必须拥有技术积累。据楚庆介绍,由于展锐所有的产品中都有CPU,还涉及各方面的连接能力,目前展锐的CPU上承载的代码几乎是以亿为单位。
  而5G带来的新增代码量有数千万行,其中有展锐自己写的,也有来自开源第三方的,这些代码都承载在展锐的芯片之上,构成承载者的根基。
  作为本土通信基带芯片的头部企业之一,楚庆指出,思考5G的时候,应该坚持一些亘古不变的条件:要满足市场及客户需求,要符合产业客观发展的趋势。这也是展锐制订战略的核心要点。
  他强调,要提供符合市场及用户要求的产品,比如用更成熟、更优化的方式切入到未来制式上。展锐在第一代5G芯片时选择12纳米SA的路线,就是在朝这个方向努力。这也是他作为半导体行业老兵对于产业发展的一些建议。
  “我们必须得把这个‘棚’顶起来,当然也很需要本土对知识产权的保护,目前这对于领头羊公司是很吃亏的。”楚庆坦陈,发展仍存在一些隐形的挑战。“希望我们对拥有知识产权的领头羊企业要给予专门的保护,这也是体现了一个社会的战略远见。如果不保护的话,很可能会造成大殿被蝼蚁搬空的情形。”
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