中国发展嵌入式芯片的思考

中国发展嵌入式芯片的思考

自1958年德州仪器(TI)和飞兆公司(Fairchild)分别以光蚀刻技术于硅基底做出集成电路以来，不断发展的半导体技术推动人类社会迈入了信息时代。微处理器被广泛应用于各个领域，深刻地改变了人们的生活方式。
CPU由通用CPU(包括PC类CPU和高端服务器CPU)，和嵌入式/专用CPU组成。PC类CPU是应用于PC领域的x86架构CPU及其x86架构兼容的CPU。我们称这一类PC/服务器CPU为通用CPU。
另一大类CPU是嵌入式/专用CPU。 它们广泛应用于各种信息设备，如信息家电、手机、PDA、平板电脑等产品中的CPU。这些信息设备并不要求CPU有很强的处理功能或很高的时钟速度，但却特别强调CPU的低功耗、低电压、低散热、小面积和低价格特性。
近年来在我国，发展有自主知识产权的CPU已成为了人们关注的焦点。CPU在各行各业有着广大的发展空间。选择CPU全方位的自我发展路线存在着很高的进入壁垒， 现在盲目地从零做起或从很低级做起来进入我个人认为在现在阶段是不合时宜的。

开发通用CPU技术基础
的障碍和困难
在IC设计人才、设计经验/环境上,我国还远远落后于世界先进水平。而CPU是属于IC设计的最高端产品， 设计出如此高性能高端的CPU仍需要相当的各类资源(设计人才和设计经验首当)和相当长的时间。大家公认，中国的CPU方面的技术与国外的差距有一二十年。而在同时, 我们在许多低端IC产品上还大量依赖进口。 在最缺乏的IC设计人才资源上, 我国现在只有数千人。 而在国外，单Intel公司就有数千名很有经验的高级IC设计工程师。显而易见, 我们现在设计人才和设计经验还不具备与世界CPU顶尖企业挑战的能力。 我们应当利用这个有限的瓶颈资源去大力发展中低端IC产品以获取最大的回报, 并以此建立IC产业基础, 为今后的发展打下良好的基础。 提供全方位的支持来大办IC设计人才的教育和培训是保持高速发展的最重要的一环。
在IC制作工艺水平上, 如今的各类CPU已发展到了0.13微米制程， 12寸晶圆, 集成度超过4500万颗晶体管。我国现在还处于0.25～ 0.35微米制程，6～8寸晶圆水平上。 由于外国的出口限制等, 我国还仍相当困难获得像高速高精度光刻机等高端设备。在3～5年内, 我们还无法达到IC制作工艺水平的世界先进水平。 这也决定了,就是我们设计出了有我们自主知识产权并且达到世界先进水平的CPU, 我们也无法制作出达到世界先进水平的CPU。同时，Intel的芯片生产能力和革新速度也是全球所有IC生产厂商们所难以媲美的。
在对应的 *** 作系统(OS)上, 开发自主CPU并非是单一的CPU IC开发。 主流的OS必须支持和跟进,其OS核心必须开放。 遗憾的是, 我国目前尚不存在这样的主流OS商,也不可能指望Microsoft来支持和跟进。 这样, 我们需要捆绑在似乎是唯一的LINUX选择上。但 LINUX 近年来并没有如初期想象的那样夺取更大的OS市场份额。
在高端服务器ＣＰＵ上，Intel Itanium使用开放的体系，比起基于RISC服务器来，从 *** 作系统到应用软件都更能得到丰富的支持，且扩充性、 *** 作性也相对更好，对一般企业来说更具实用性。服务器的大厂商HP/Compaq、IBM都纷纷跳上了Itanium快车，然后专注于自己的核心技术领域诸如核心的软硬件系统架构与解决方案。在高端服务器CPU领域，将可能再次体现“一两家独大”的游戏规则。　在这个众多大厂商都无力招架、纷纷退出的时候，高端服务器CPU就更不是我们需要发展的了。

开发CPU知识产权
的障碍和困难
我个人认为, 知识产权障碍和困难是一个更严重的问题。世界上有许多著名大公司诸如IBM, MOTOROLA, HP等都有能力设计一流的x86架构CPU及其x86架构兼容的CPU(IBM, MOTOROLA本身已有它们自己的一流的非x86架构CPU)。有这么大的全球市场, 有技术设计能力, 有CPU研发经验, 又有庞大的全球的营销网络, 为什么它们不去发展x86架构CPU? 显然，这不是技术能力问题。 是知识产权障碍和困难及市场垄断问题。
Intel等老牌CPU厂家, 由于早期的市场进入和主导, 申请和获得了不少专利。 正如倪光南院士在“NC和自主知识产权CPU”—文中所说, “想绕过Intel的专利是非常难的”。

开发CPU市场垄断
的障碍和困难
Intel和AMD已形成对x86架构CPU市场垄断。 高新科技产品在市场上严格奉行着“先入为主”、“一两家独大”的游戏规则。争夺市场必须抢占先机，并且在经过激烈地竞争后，最终将仅有最大一两家公司分享整个市场的绝大部分。如微软的DOS *** 作系统就是通过在早期捆绑IBM计算机出售，而迅速占领了市场，建立了不可撼动的地位。而在PC类CPU领域中，Intel和AMD就分享了几乎所有的市场，就连通过两次购并在1999年进入CPU市场，在业界排行第三的威盛，也仅能分到小于2％的全球市场份额。品牌的认知度和用户的可接受性是对任何一个新产品的挑战。
打破CPU垄断的难度有多大可从LINUX与微软 *** 作系统看出。 LINUX有全球的支持。全球开发LINUX没有 像在中国开发通用CPU的技术基础障碍和困难。全球开发LINUX没有像开发CPU的知识产权障碍和困难。 但是在10余年之后, 在许多雄厚的商界的支持下, 甚至政府部门的行政干预下, LINUX仍然有待脱颖而出。 可见打破垄断之艰难。
发展自己的嵌入式CPU
是可行之路
信息时代中，人们需要无处不在的连接和无处不能的资讯获取能力，对于信息设备的需求远远超过了对PC的需求。我国目前PC年增长率只有30％左右，而网民的年增长率却达到了200％左右。网络第一次给予了大多数人能够在同一时间获得同样的信息的可能，消弭了人们在信息获取上速度的不平等。为进一步提高信息化程度，跨越随之而来的“数字鸿沟”，市场迫切需求多方位、低廉的信息设备。现在手机、PDA、机顶盒，　ＮＣ(网络计算机)等产品有着广阔的市场，作为这些信息设备核心的嵌入式CPU在如今显得举足重要。
嵌入式CPU领域的现状与其它领域的“独大”局面不同，相对来说它呈现的是一个百家争鸣的景象。因为信息设备的种类繁多，且每类中的产品也是层出不穷，市场现在仍处于迅速扩张的初期阶段，无法象PC和服务器领域一样形成大公司垄断的局面。现阶段嵌入式CPU的软件也没有被少数公司所垄断。 *** 作系统方面，我们可以选择内核开放的Linux。在这个仍处于混战状态的嵌入式CPU领域中，历史第一次给予了我们发展建立自己的标准、建立核心优势、实现跳跃式发展的极好机遇。在IT业中，没有什么比“标准”和“芯片”这两个词更有含金量的了。如PC领域中，Intel和微软就掌握了整个产业链80％的利润。在信息设备领域中，我们拥有世界上最有潜力的消费群市场。如在2001年，我国已超过了美国、成长为全球最大的手机市场。我们还有庞大的IT生产基地。我们完全可以结合自己的市场优势，发展有自主知识产权的嵌入式CPU，并利用在国内的渠道优势，用市场推动标准的建立，跳跃性地进入到这个高回报率的领域中来。
一般来说，发展高科技产品可以走自主开发或合作开发两条路线。一切从零开始的自主开发，普遍认为是不太现实的，市场也不会等待，并且有悖于“创新”和“速度”高科技产品占领市场不二的法宝，要希望在嵌入式CPU这样的新兴领域中建立自己的标准，就必须选择一条快速发展的道路。另一条路线就是选择一个在技术上已处于优势的合作伙伴共同开发，这样可以利用现成的技术，快速地提升自己的技术水平和尽早地研制出自己的产品，这不失为一条适合我国发展自主知识产权CPU的道路。
选择合适的合作伙伴是成功的关键。在嵌入式CPU领域中，掌握嵌入式CPU核心技术的公司有Transmeta、威盛(VIA)、ARM和MIPS等。其中ARM、MIPS的CPU采用全新的架构，与这类的公司合作，意味着软件系统也将受其专利技术的限制。而威盛、Transmeta的CPU采用的是x86或兼容的架构，可以很方便地利用现成流行的 *** 作系统和应用软件，在技术少了一道发展的屏障。
从市场的发展趋势看，现在应是改变一味强调CPU不断升级的时候了，各种BENCHMARK也指出，　瓶颈问题不再是CPU的绝对时钟速度，　而是内外部连接。提高一倍的时钟速度可能才提高10％左右的总的执行效能。威盛提出的“Total ConnecTIvity”是对这个问题的全面解决方案 。信息时代强调的是全方位的连接和应用，如何设计CPU使其能更好地应用于各种信息设备中，这才是CPU发展的方向。顺应信息时代市场需要大量小巧、轻便的信息设备的趋势，威盛、Transmeta的设计路线则是致力于打破以往的“越来越复杂”电路设计的概念，秉持着一个“小巧、简单”的原则，整个CPU的设计也走向环保、低耗电与效能/晶体管的平衡性去努力。在同样时效的产品中，因晶体管数少，所以芯片面积小，耗电量、表面散热量也小。
发展自主知识产权的CPU还应考虑到本国制造业的发展现状，现在我国仍无0.18微米制程的芯片生产线，而嵌入式CPU的精简化设计，使其可以在较低的制程上制造出符合市场的小面积芯片，这将全面带动我国半导体产业的全面发展。