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如何投资半导体未来?美智库这样建议!—— RISC-V篇

2021-03-24 09:32

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自报告「fpri」,谢谢。

随着美国在半导体这一关键技术领域的领导地位下降,人们对美国在该领域实力的担忧已达到高潮,不难理解为什么。

美国在五十年代到七十年代这期间诞生的行业中占据主导地位,迎来了当今的数字经济。然而,尽管美国公司目前仍在芯片设计方面处于领先地位,但制造很大程度上外包给了中国台湾和韩国。制造芯片的过程及其复杂且造价很高,但美国的芯片设计者不会因为成本低廉而将资源转移到亚洲的生产商,而是与中国台湾和韩国的公司合作,恰恰是因为它们掌握了制造前沿逻辑芯片所需的超先进制造工艺。

主要有两点值得关注:一是美国无法制造前沿芯片,二是美国目前在芯片设计中的主导地位遇到了新挑战。

据统计,到2020年,美国仅生产了全球12%的芯片。近年来,美国最先进的芯片制造商英特尔在制造工艺的精确方面落后于中国台湾的台积电(TSMC)和韩国三星。最小最快的逻辑芯片现在只能在海外生产。与此同时,美国在芯片设计方面的领先地位受到了来自英国、中国大陆及中国台湾的公司的挑战,而全球唯一拥有生产芯片所需的最先进的极紫外光刻机的生产商在荷兰。这也就不难理解为什么专家会担心美国在获取许多关键组组件方面将会面临多重风险。

反观中国,他们正在通过增加对半导体行业的投资来使自己成为行业的领导者。中国将半导体列为优先技术,中国已在多个省市启用投资计划,将数十亿美元投入其芯片工作中。尽管这些计划面临着诸如美国在内的重大挑战,但大多数行业观察者依然认为,中国很有可能会赢得市场份额,尤其是在芯片设计和制造方面。中国目前每年进口超过3000亿美元的芯片,其贸易额甚至超过中国购买的石油。与美国一样,中国大陆大多购买中国台湾或韩国生产的芯片,尽管许多芯片是由美国公司设计的。而中国的战略目标是用中国芯片公司取代国外的设计和生产。

美国的决策者担心美国将失去其在芯片设计中的地位,以及它将不再是芯片制造的领导者的现实,他们认为美国半导体行业急需帮助。在过去的几年中,相关参与者、研究人员和芯片行业提出了各种各样的建议,这些建议包括数百亿美元的新补贴、进一步的限制、新的管制以及对中国企业的限制。

这些提议中有许多对美国的芯片所面临的挑战定义得太狭窄了,他们只专注于重现行业过往的辉煌,而不是投资于美国可以引领未来的领域。而且,它们通常旨在行业内对竞争对手进行封锁而非公开竞争,企图用这种方式来确保美国当前的竞争力。

首先,有关芯片投资的许多讨论都集中在如何确保美国在设计和复兴美国制造“前沿”芯片方面处于主导地位。实际上,这不是一个单独的领先优势,而是许多不同的优势。芯片有各种类型,有些是数字的,可在服务器和智能手机中提供计算能力;其他的则是模拟的,例如设备中的电源管理控制器。芯片是使用不同的指令集架构设计的,PC和大多数数据中心都运行在x86架构上,而英国公司Arm的架构则主要用于移动设备上。

为数据中心供电的芯片可能会花费数千美元,而最简单的微控制器可能只需要几美分;某些芯片(包括多种类型的存储芯片)可以插入不同的设备中;其它的芯片(例如特斯拉设计的芯片),只能应用在本公司生产的汽车上。后来,出现了诸如量子计算之类的新兴前沿科技,它们使用完全不同的属性来构建计算机处理的新模型。相关人员们不应该为仅由逻辑芯片制造定义的“先进技术”制定策略,而是需要将半导体行业视为多种不同技术的集合,每种技术在经济中都有关键用途。美国的策略应该是支持涵盖该行业许多不同领域的深度而有弹性的芯片生态系统。

在围绕半导体的大多数讨论中,都缺乏基于生态系统的观点,在这些讨论中,对市场干预(如商业激励和贸易限制)的关注占据了主导地位。而实际上,美国在半导体领域的领先地位始于其教育和研究机构,以及由此培育出的高技能人才。一项更具战略性和更全面的半导体计划,必须从整个行业的角度出发,确保为维持美国的竞争优势所需的各种技能和研究提供充分支持。

第三,半导体行业正经历着从封闭源技术到开放源代码模型的一代代转变,这将推动更具多样化、专业化和竞争性的芯片产业的发展。在这一过渡时期,美国决策者们的意见出现分歧,人们普遍担心开源技术会取代美国的竞争优势,因为开源将迫使一些芯片公司改变其商业模式。但是,如果采取战略性措施,它也可以催生新一代的半导体创新。美国与其致力于保护那些担心开源技术并试图捍卫现有知识产权的企业,不如问问他们如何鼓励采用开源芯片架构来降低成本、提高安全性以及促进创新。

美国为支持其半导体产业而采取的行动,应当不仅仅着眼于保护目前行业的领导者,还应着眼于建立创新基础,以培养未来的行业领导者。

报告从三个方面阐述了美国应如何为其半导体行业制定出更全面策略:
  • 支持下一代半导体技术的研究
  • 在各个阶段改善工程师和人才进入半导体行业的渠道
  • 拥抱开源技术,让美国成为全球半导体行业最具竞争力的国家

本文详细摘录第三个方面:拥抱开源技术,让美国成为全年半导体行业最具竞争力的国家

RISC-V的希望与偏执

ISA是计算机的抽象模型,充当软件和硬件之间的边界,并且它是处理器的一部分,对软件工程师而言是可见的。目前,英特尔的x86 ISA在台式机、笔记本电脑和服务器市场占据主导地位,而ARM则在大多数智能手机中驱动芯片。RISC-V的概念于20世纪80年代在加州大学伯克利分校的实验室中首次提出,后来到2010年又在伯克利实现了架构体系。

RISC-V基金会成立于2015年,旨在“建立一个基于RISC-V ISA的开放、协作的软件和硬件创新者社区”,其成员包括高通、华为、英伟达、阿里巴巴、谷歌、西部数据、楷登电子和三星等100多家半导体领域的全球领先公司。值得注意的是,其成员不包括Arm和Intel,它们将RISC-V视为竞争对手。在11个高级会员中,有8个的总部设在中国,这些高级会员需支付10万到25万美元的年费,以获得一个技术指导委员会的席位。

除了它的开源特性之外,RISC-V还对基础ISA模型进行了几次修改,这使得它在某些类型的计算上相对于ARM和x86具有更大的优势。通过围绕指令压缩和宏操作融合等处理器设计方面的现代创新技术,RISC-V程序可以在使用相同内存量的情况下执行更少的操作,从而比其他体系结构更高效。在RISC-V中,可以轻易丢弃超出其用途的指令,从而使设计人员可以节省宝贵的硅,并使ISA轻松适应未来的微体系结构创新。它的易用性和无需许可的特点也使得它更利于成为大学教学和研究的工具,特别是在欧洲,这为芯片人才开辟了新渠道。

虽然RISC-V是第一个具有发展势头的开源ISA,但开源软件已经对世界产生了巨大的影响。开源软件是“可公开访问的代码——任何人都可以根据自己的意愿查看、修改和分发代码,以分散协作的方式开发,依靠同行评审和社区制作。”

RISC-V希望模拟类似于网络协议TCP/IP或Linux的发展模式。Linux是一种开源操作系统,由当时21岁的芬兰学生Linus Torvalds于1991年创建。它一开始是业余爱好者和理想主义者的“游乐场”,随着成千上万的开发者的免费贡献使它能与微软的Windows相媲美,最终成为一种主流操作系统。IBM在2000年宣布将在Linux上投资10亿美元,这有助于它在企业界合法化,也助力它走上今天仍然是微软Windows的主要替代品的轨道。在服务器方面,它占有14%的市场份额,这个占比相当可观的。

图片:如何投资半导体未来?美智库这样建议!1.png


图5:RISC-V CPU内核的预计市场总消费量
*资料来源:Semico Research Corp

图片:如何投资半导体未来?美智库这样建议!2.png


图6:2020年RISC-V CPU内核的市场消费细分
*资料来源:Semico Research Corp

增长挑战

RISC-V要成为ARM或x86真正的竞争对手还有很长的路要走。开源硬件在发展其生态系统方面面临着比软件更具挑战性的道路。首先,与大多数软件项目相比,为开源硬件项目做出贡献的技术门槛要高得多,也更专业。学过像C这样的软件编程语言的人远远多于懂得足够的电气工程知识来理解ISA(指令集架构)的人。尽管RISC-V比x86更直接,但它仍然必须协调数百甚至数千个贡献者的技术投入,尽管集中式RISC-V技术指导委员会可以比分散式Linux处理问题的方式更加速这个过程。

最重要的是,如果没有现成的实际硬件和强大的验证系统,开源ISA将难以取得进展。即使RISC-V在学术界和工业界吸引了大量开发理论ISA的人员,仍需要在硅上制造芯片,以测试对架构的修改。Arm和Intel已经为他们的客户公司在验证方面投入了巨额资金,而那些扩展到RISC-V这样一个不成熟的可扩展架构的公司也为他们量身定做了工作。由于在制造现代片上系统(SoC)过程中,验证通常需要花费三分之二的总精力,因此迫使采用RISC-V的公司自己进行验证是一项重大负担。一家由RISC-V领导者创立的美国初创公司SiFive正在创造这一生态系统中首批可生产的芯片之一,试图实现一条完整的生产线。然而,这一过程需要数年时间才能成熟。

图片:如何投资半导体未来?美智库这样建议!3.png



其他将填补更广泛的RISC-V生态系统的努力将花费同样长或更长的时间。Arm于1985年推出,作为当时占主导地位的x86的挑战者。它花了25年的时间建立了一个足够强大的生态系统,使其能够赢得可观的市场份额,这是因为Arm成为智能手机和其他移动设备的标准,在21世纪末迅速普及。不过,向RISC-V的过渡应该更为直接,因为Arm和RISC-V都来自同一个体系结构家族,即精简指令集计算。

整整一代的工程师都在Arm和x86上试错。尽管RISC-V更容易使用,但大多数芯片设计人员都专门使用x86和ARM。建立一个新的专业人员队伍需要数年的时间,其中大部分可能是那些在大学里与RISC-V合作过的人,以获得实现RISC-V所需的专业知识。此外,开放源码芯片设计(EDA)工具要与Synopsis和Cadence等现有工具竞争还有几十年的时间。没有开源EDA,RISC-V与竞争对手没有什么不同,它只是一个开源指令集,依赖于x86和ARM设计人员使用的同样昂贵的封闭源代码设计工具。

纵向进步

尽管存在这些障碍,RISC-V希望能够驾驭不断变化的行业趋势,获得更大的市场份额。在前几代,通用计算的稳步发展推动了芯片销售。现在,随着摩尔定律的放缓以及更多的计算发生在边缘(即,在智能手机、汽车或门铃中),而不是在数据中心,新的需求需要针对各种平台优化特定领域的工作负载,这就适合像RISC-V这样更灵活的体系结构。

物联网芯片是RISC-V最有前途的市场。每一个物联网设备,无论是可穿戴设备、支持互联网的恒温器还是智能扬声器,都需要一个针对其特定需求定制的芯片。物联网应用程序不一定需要可编程,也不需要与其他应用程序接口,这使得RISC-V兼容软件的不成熟不再是一个缺点。

在这个零散的领域里,初创公司的成本意识很强,拥有更年轻、更实惠的工程师。正如Codasip公司的Chris Jones所说,“随着许多新的物联网应用的出现,对定制芯片的需求不断上升。不能合理地期望同一半导体设备在一个产品中运行无线协议,在第二消费设备中编码视频数据,并且在第三消费设备中执行面部识别。一个芯片可以设计成一种通用的方式来处理每一项任务,但是它会变得很大,而且造成功率浪费。这就是为什么RISC-V的可扩展性如此吸引人,允许不同的性能/功率配置,同时保留跨多个设备的软件投资。”

迄今为止,对RISC-V的最大认可来自固态驱动器制造商,这是ISA的一个相对简单的应用。Western Digital已承诺将10亿个核(如今的处理器通常由多个处理核构成)转换为RISC-V,竞争对手Seagate在2020年底推出了两个RISC-V处理器。两家公司都将节省大量资金,从ARM转换出去,从而避免了该公司的许可费。此外,他们相信,他们对RISC-V的使用将带来“更低的延迟、节能、更快的速度提高驱动器容量、存储驱动器的计算能力,以及改善网络边缘创建的数据的安全性。”其他有希望的市场包括汽车视觉系统和安全摄像头、工厂应用程序和智能农业,如跟踪牲畜。

在与RISC-V基金会合作的一个市场研究项目中,Semico在2019年末估计,到2025年,RISC-V将占据工业总核心消耗量的4.5%。考虑到其相当保守的方法(从目前的调查数据线性推断),它可能低估了RISC-V的增长。

中国的存在感大增

今天,中国拥有最活跃的RISC-V生态系统。中国各大科技公司似乎都在宣传自己的RISC-V战略,阿里巴巴生产的RISC-V芯片可能是世界上速度最快的面向人工智能应用的RISC-V芯片。阿里巴巴还宣布希望将RISC-V置于其未来云计算和边缘计算战略的中心,而小米正在销售一款基于RISC-V处理器的可穿戴设备。华为宣布正在考虑采用RISC-V作为其移动芯片ARM的替代品。总之,300多家老牌公司和初创企业正在中国从事RISC-V项目。中国公司在RISC-V供应链的各个环节都出现了,从阿里巴巴的达摩研究院和赛方科技等核心IP设计公司,到兆易创新和北京君正等设计公司,最后是小米和华为等品牌制造商。

图片:如何投资半导体未来?美智库这样建议!4.png


图8:小米最新的Mi智能手带5的核心是华米RISC-V 芯片
*资料来源:小米国际网站,https://www.mi.com/global/mi-smart-band-5/, February 13,2021取得

为什么(中国公司)有如此强烈的兴趣?正如一篇解释RISC-V重要性的中国媒体开宗明义道:“你不能在别人的地基上建造房子”。事实上,中国历代领导人开始就一直将技术独立放在首位,且最近美国针对华为等公司的限制令中国加倍努力,建立一个自力更生的技术生态系统。特别是,美国对中兴通讯的制裁,几乎杀死了一家价值100亿美元的家喻户晓的公司,给工业界带来了警醒。指令集架构, EDA工具等,是美国限制中国芯片生态系统的潜在瓶颈。然而,尽管RISC-V令人兴奋,但中国几乎没有采取任何行动来支持它,只公开承诺数百亿美元中的一小部分用于促进国内芯片产业的发展。

除了避免美国的限制外,受益于在新的技术框架下开发专有技术和产品的机会,RISC-V还代表着中国企业第一次有机会参与新ISA的创建。几十年来,中国企业一直在努力打造具有全球竞争力的芯片。技术转移和RISC-V前景的重新设定,给了这些公司另一个从西方领跑者手中夺取市场份额的机会。

“中国决不是注定要主宰RISC-V世界的” ,本文作者称。正如一位行业专家在最近的一次采访中所说,“中国生态系统在RISC-V方面的主要缺点是在人才、软件和应用方面。”与世界其他公司一样,中国企业缺乏在ISA方面具有丰富经验的人才,尽管各大学正在推出新的教材并进行培训RISC-V比赛,以及最近在大陆举行的RISC-V会议直播的15000名观众,证明了他们的广泛兴趣。正如这位专家所解释说,“在构建软件和应用生态系统方面,中国从来没有真正的成功案例……尤其是在编译器、调试器、操作系统、基础库、上层应用程序框架等基础软件方面。同类软件总体贡献存在差距,但目前增长较快。许多国内公司不断改进这类软件,差距正在逐步缩小。”

其他新兴经济体也可以从RISC-V重塑该行业的潜力中获益。印度政府投资开发了一系列本土处理器,印度工业研究所马德拉斯的Shakti项目引领了这一进程。人们希望,一个更加商品化的行业将削弱处理器的溢价,颠覆半导体市场,使该行业更像一个服务行业。印度公司已经是世界一流的服务提供商,因此可以利用印度的电气工程人才,在高端芯片以外的所有领域与全球竞争对手展开竞争。

美国应当畏惧RISC-V吗?

美国政府内部的一些人担心中国企业采用RISC-V的快速进程。考虑到开源软件使中国互联网技术巨头如字节跳动和腾讯崛起,一些人认为RISC-V可能预示着硬件领域的类似动态,在这方面,由当地补贴支持的中国企业可以占领国内市场。RISC-V可以取代西方知识产权。在这种情况下,芯片设计可能会成为一种商品,中国的补贴规模和能力可能会席卷全球市场。DARPA微控制器产品经理谢尔盖·利夫(SergeLeef)在2021年1月向《华尔街日报》辩称,RISC-V可能“让中国在所有这些技术上有一个台阶,因为它们现在可以节省20年的工程时间,一夜之间赶上西方技术?这不是不可能。”

2020年初,RISC-V基金会从美国迁至瑞士重组,旨在“平息对公开合作模式政治干扰的担忧”。尽管这一宣布受到华为等公司的赞扬,但此举并不能保证RISC-V将停留在美国限制范围之外。如果美国政府确定,不管基金会的住所如何,很可能会把大部分知识产权放在中国成员无法接触到的地方,或者至少会破坏基金会,使美国企业不再为社会做出贡献,不得不开始自己独立的项目线。尽管如此,许多美国公司可能会游说保持RISC-V的开放,因为只有Arm和英特尔可能从针对ISA的积极限制策略中获益。

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虽然华盛顿的一些人担心RISC-V,但如果美国能够利用开源硬件提供的机会,美国仍有很多东西可以从RISC-V中获益。开源软件推动了当今美国软件巨头的崛起。虽然RISC-V的崛起将降低芯片设计的价格,并导致半导体行业某些领域的商品化,但它将把竞争的重点从资本转向设计创意。这将发挥美国作为全球领先者在培养高端工程人才和将其与商业敏锐度相匹配方面的优势。更何况,只要开源EDA工具还有很长的路要走,美国还是会有一个可以长期卡住中国企业脖颈的优势点。此外,美国SiFive公司目前最有能力在新芯片公司中在全球RISC-V生态系统中发挥主导作用。

尽管华盛顿的一些人担心RISC-V,但如果美国能够利用开源硬件提供的机会,美国仍有很多东西可从RISC-V中获益

那么,美国应该如何投资于开源硬件范式呢?首先,国家要出台“不伤害”策略,反而鼓励这一重要部门更多发展壮大。应资助大学和工业研究实验室的额外研究,鼓励和资助在这个新空间进行学生培训,并努力建设少数优秀中心,不仅推动技术进步,但也将研究人员和学者同工业联系起来。DARPA在推动技术前沿方面发挥作用。然而,正如DARPA项目经理就RISC-V所说,“DARPA基金项目不是基础设施”。为了支持更广泛的生态系、统振兴国内芯片产业,美国需要对愿意展望比硅谷更长远投资前景的公司进行投资,以获得回报。过去20年来,美国风投对半导体创业公司的兴趣越来越低,原因是它们的创业成本高,行业增长率低。鉴于基于开源技术的公司(如Redhat)已经成熟了很长时间,政府可以做更多的投资来建设这个生态系统。国会应该考虑为开放源码硬件技术拨款。

结论:

随着美国半导体行业面临日益加剧的竞争压力,加上计算机芯片在美国与中国加速的技术竞争中扮演着基础性角色,决策者们对芯片的重视程度超过了几十年来的水平。如今,半导体短缺正在影响汽车等商品的供应链。然而,有关美国半导体行业风险的讨论过于集中于该行业的特定子行业,而牺牲了更广泛的生态系统。除此之外,美国的辩论往往转向如何捍卫现有优势,而不是新的创新如何改变现有模式。

国会和美国正在考虑如何支持该行业。该行业的历史表明,试图补贴特定的公司或当今的技术很可能会失败。对于技术的未来,政府不会比半导体行业的专家们更了解。对于芯片在未来十年的发展方向,业界专家们也有不同的看法。对于国会或白宫来说,这个行业的发展速度实在太快,无法挑选赢家,也无法以足够的粒度理解技术发展的轨迹。

政府可以通过支持健康的半导体生态系统(包括训练有素的劳动力)、充足的风险投资环境(尤其是对早期企业而言)、以及培养新的和颠覆性的教育体系来提供帮助,而不是试图保护特定的企业或获取一套确定的技术能力思想。从第一批芯片的发明开始,美国政府就一直在扮演这一角色。对下一代技术的研究;促进政府、大学和公司之间的伙伴关系;利用现有的政府机构,如DARPA和In-Q-Tel来支持微电子技术,这些都是华盛顿可以支持芯片行业的方法,而无需对特定公司投下大赌注。

一些工业界人士和国会议员建议,在美国花费数十亿美元补贴新制造厂的建设。鉴于最先进的新制造厂的建设成本可能高达200亿美元,这不是一个划算的战略。例如,在20世纪80年代,美国在电子设计自动化领域占据主导地位的大学研究中心的投资花费了数千万美元,而不是数百亿美元。正是这些投资使美国对中国的限制在今天生效。美国目前控制的另一项“瓶颈”技术是半导体制造设备,这是半导体行业的一个子行业,其公众关注度远低于芯片制造商本身。但对美国的来说,制造业设备同样重要。

为晶圆厂的建设提供补贴肯定会促进半导体产业的发展,提供更多的半导体就业机会,加强生态系统。但决策者必须问,鉴于资源有限,这是否是实现这一目标的最佳途径。三星(Samsung)和台积电(TSMC)这两家领先的芯片制造商都是外国公司,因此即使它们同意在美国建立新的工厂,它们的核心技术和研发仍将主要在国外进行。此外,美国领先的芯片制造商英特尔(Intel)已经非常有利可图,并且已经在美国生产了许多芯片。在其制造优势被台积电(TSMC)和三星(Samsung)夺走的那段时间里,英特尔甚至实现了数十亿美元的利润。缺乏资金不是其技术问题的原因,因此政府的财政支持可能不是解决办法。如果美国政府考虑如何支持英特尔拓展潜在增长市场的努力,比如O-RAN电信技术所需的芯片,那就更明智了。就是对开源软件采取一种复杂的方法。事实上,如果这能打开芯片设计领域的新创意,美国可能会成为越来越多使用开源架构的最大受益者,而在芯片设计领域,美国起着主导作用。政府可以通过将开源视为机遇而不是威胁来提供支持,并帮助教育熟悉开源设计的员工。

原报告连接:https://www.fpri.org/wp-content/uploads/2021/03/fpri-semiconductors-report.pdf



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