自主芯片设计的坑：烧钱不算事，这两样才是真
近日，手机行业爆出一条新闻：OPPO启动代号“马里亚纳计划”，正式加入自研SoC芯片战团。实际上，手机厂商自研SoC芯片并不新鲜。从2014年起，先后有小米、中兴旗下中星微电子宣布自研芯片，加上早已入局的苹果、华为、三星和LG，手机厂商自研芯片掀起一片热潮。
然而，潮水退去后，真正能持续输出产品的仅有苹果、华为和三星，其它厂商基本上都成了炮灰。
正因为如此，OPPO的入局被认为是跳坑，带有一丝悲壮的味道。但如果我们放宽视野，就会发现自研芯片如果仅仅是烧钱的话，其实不算事，还有比烧钱更难的事横在整个国内芯片设计公司面前，使得整个自主手机SoC芯片设计到现在还没有解决卡脖子的问题。
烧钱还只是小坑手机是快消电子产品，一年一换代，相应地SoC芯片也需要一年一更新，而随着芯片制程工艺的提高，整个研发投入（包括设计、流片）也呈越来越高的趋势。华为fellow艾伟透露，麒麟980采用7nm制程工艺，研发投入超过3亿美元，耗时36个月。
据估计，随着5nm制程工艺量产，芯片的研发投入也将跳涨到50亿元人民币。
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这种高强度的“烧钱”节奏，已经促使华为和高通这样有上亿出货量保证的厂商发展出一种“手术刀”策略：通过阉割旗舰版内核（删减或增加IP核的缓存容量、基带速度、内存带宽、内核数量，提高或降低内核频率），搭配出不同档次的中低端SoC芯片。
高通的中端5G芯片骁龙765G的CPU内核和骁龙730的相同，都是基于ARM的A76内核，但频率相差200MHz，GPU、NPU和ISP等均是小改款。
“刀法”娴熟的直接好处是节省了IP授权费（一核多用），降低了芯片设计成本（少养一支设计团队），缩短了芯片的开发周期（高中低档次的芯片项目可以同时进行），最终降低了设计风险。
这一商业策略尽管被不少用户吐槽，但它确实让大厂构筑起一道阻挡潜在竞争对手的高墙：市场的后来者因为没有吃透内核的集成设计技术，缺乏迭代的资源，想阉割也找不到动“刀”的对象，难以降低设计风险和设计成本。
高昂的设计成本、风险和缺乏迭代资源，是OPPO等市场后来者需要面对的一个坑。但和后面的坑比起来，烧钱只是一个小坑。
SoC设计难度的大坑：华为花了10年跨过SoC芯片设计表面上看是内核集成设计，目前市场上有公开的各种IP核售卖，只要买到IP核就可以设计SoC芯片，看起来门槛很低，其实不然。
和基本属于硬件设计范畴的传统芯片设计不同，SoC芯片设计既要面对复杂的逻辑，还要考虑软件，特别是可以改变芯片功能的外部软件的设计，例如操作系统（ＯＳ）。换句话说，SoC芯片设计需要软硬件协同。
SoC芯片设计除考虑传统的连线延迟问题外，还必须考虑电源噪声、衬底噪声耦合等信号完整性问题。现在手机SoC芯片芯片内集成的晶体管动辄数十亿个，集成度大幅提升的同时，单个芯片中的连线长度也随之大幅提升，连线总长达到几十千米的比比皆是。
稍有物理学知识的人都知道，频率与波长成反比，当芯片的内部工作时钟达到几千MHz的时候，相应的波长只有几米，当工作时钟达到GHz级别时（目前手机旗舰芯片的CPU内核工作时钟接近3GHz），相应的波长会缩短到几十厘米。
苹果A12芯片内部复杂的布局
根据电磁场相关理论，当连线的长度达到波长的某个倍数时，连线将成为向外界发射电磁波的天线，同样这些连线也将成为接收电磁波的天线，加上芯片内部连线错综密布，结果是SoC芯片内部信号的干扰将成为一个严重问题，影响内核性能稳定并增大功耗，导致SoC芯片“低分低能”。
简单说就是信号的完整性是SoC芯片设计的一个大门槛，解决不好往往会影响内核性能发挥。华为海思花了10年时间，在2014年推出成熟可用的麒麟920之后，才算真正迈过设计门槛，进入正常迭代的轨道。小米的澎湃芯片在推出第一代后，第二代即一直跳票，至今仍在坑里奋斗，足见SoC芯片设计之难。
但即使跳过了SoC芯片设计难度的坑，还有一个更大的坑在等着所有国产SoC芯片设计厂商。
自主芯片热闹背后更大的坑根据ICCAD公布的数据，2019年中国大陆芯片设计公司已达到1780家，相比2018年增加了82家，这已经是自2012年以来，国内芯片设计企业连续保持８年增长。
从数据上看，自主芯片设计相当热闹，就指令集方面来说，已经涵盖CISC和RISC两大生态系统，按技术来源划分，自研芯片又覆盖了五大阵营：
MIPS阵营，代表龙芯（2009年购买了MIPS指令集永久授权）；ARM阵营，代表有飞腾、海思麒麟、展讯；IBM Power阵营，代表有宏芯；X86阵营，代表兆芯（VIA授权）、海光（AMD授权架构）；DEC公司（2001年已被惠普康柏合并），代表申威处理器（购买Alpha架构）。但细究之下，热闹的背后其实隐忧不少，最大的隐忧是缺少自主设计的IP核。
宏芯、兆芯和海光依靠购买微架构，IP核自主研发能力最弱，相当于IBM、VIA和AMD在中国的马甲产品。
ARM阵营同样是谨慎乐观。ARM的商业策略是只开放微架构（可花钱购买IP核，并可以修改），但指令集是封闭的，指令集的扩展由ARM说了算。这会带来什么问题呢？即使像华为这样设计能力较强的公司，尽管已经获得ARMv8指令集永久授权，但无法自行扩展指令集，还需要继续购买ARMv9指令集，否则即使能自行开发IP核，但由于指令集的禁锢，CPU的性能提升路径依然会被锁死。
ARM依靠指令集和IP核授权建立起庞大的商业生态
换句话说，ARM通过独揽指令集大权，使飞腾、海思麒麟和展讯等要么购买其IP核，要么围绕其指令集开发CPU核（苹果的A系列芯片就是如此），总之一切尽在ARM掌握之中：如果飞腾、海思麒麟和展讯只购买IP核，等于脖子直接被拽在别人手里；如果飞腾、海思麒麟和展讯自行开发IP核，但由于缺少扩展指令集的权利，迫于软件兼容的压力，还是必须跟着ARM的指挥棒跑，等于脖子间接被拽在别人手里。
产业链真正闭环前一段时间，有权威专家认为国内芯片设计能力进步巨大，完全有能力设计自己的芯片，不怕卡脖子。这话要掰开分析，所谓的设计能力进步巨大，主要是指SoC芯片的集成设计，代表是华为和展锐，但移动IP核包括CPU和GPU（图像处理芯片），目前国内还是一片空白。
没有强大的移动IP核设计打底，自主SoC芯片设计将成为空中楼阁，所以自研芯片的重中之重是IP核的自研，尤其是GPU和CPU核的自主设计。
实际上真正不怕卡脖子的是在电脑CPU领域，代表是龙芯和申威。由于申威购买了已经消失的美国DEC公司的Alpha架构，等于在无主之地上开发IP核并迭代，而且CPU主要用在超算上，所以不怕进清单。
龙芯则是因为在2009年购买了MIPS架构的永久授权，获得IP核后可以自行扩展指令集，所以发展无拘无束，但代价是需要自行培养从操作系统、应用软件到市场用户的庞大生态系统，等于一家干了英特尔、微软、几千家应用软件开发商的活，所以前路漫长。
仅凭龙芯和申威单枪匹马，还难以将我国的IP核自主设计提升到无惧外来压力的水准，未来的出路还是在开源指令集上，在财富效应引领下，吸引大量的芯片设计创业公司入局，自主设计出大量的CPU、GPU、内存控制器、NPU、ISP等IP核，为自主SoC芯片设计提供充足的“原材料”，从而使自主芯片设计在IP核设计、SoC芯片设计、芯片制造、封装、测试等整个产业链条完成真正的闭环，此时谁也卡不了中国芯的脖子。
要达到这一目标，不仅要舍得烧钱，更要舍得花时间沉淀，培养产业链。
