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标题: 转帖华为麒麟：如何站在硅基芯片的顶峰！ [打印本页]

作者: eva2015836 时间: 2016-5-10 13:54 标题: 转帖华为麒麟：如何站在硅基芯片的顶峰！

我毫不怀疑AI会有觉醒的一天，那么什么事件可以看作AI觉醒的标志呢？我认为是：AI自主设计了一颗可以运行自己的芯片。——原创作者：薛凯 (本文原创首发，转发请标注)

今天的硅基集成电路诞生于1958-1959年，两家公司共享了发明集成电路的荣耀，他们是德克萨斯仪器公司(TI)和仙童半导体(Fairchild Semiconductor)。

在硅基集成电路之前，半导体业是基于金属锗来制造的。锗在元素周期表上坐第32把交椅，在它左边都是金属，右边都是非金属，所以它的特性既像金属又像非金属，导电能力介于两者之间，是非常好的半导体材料。但是锗如果作为工业材料有个很致命的缺陷：地球上没有锗矿。其实锗的总量不算小，但是这个元素几乎完全均匀地散布在岩石、泥土、泉水、以及其他各种矿物中，没有富集锗矿，提纯锗成本很高，这导致了锗时代的半导体只能在军工等小范围使用。

硅是锗的近亲，元素周期表上排名第14位，和锗在同一列。大家看看“硅”这个字也该知道，它不是金属。硅的导电性和锗很接近，最关键的一点是：硅是这个星球上含量最大的元素之一，整个地壳的3成质量是硅，以石英石为主的沙子几乎就是纯度很高的二氧化硅。

中学物理教过大家二极管和三极管的原理，用这些晶体管可以搭出信号可控的电路，把信号的高低电压抽象成1、0就变成了数字电路，可以用于数值计算和逻辑控制。集成电路就是在单晶硅片上制作大规模的晶体管电路，规模大到什么程度呢？华为在Mate8上用的麒麟950，面积15 x 15 mm，在这个和我指甲盖差不多大小的硅片上有30亿个晶体管。如果把每个晶体管想象成一间小房子，30亿间房子可以轻松容纳地球上所有的人。每间房子都和周围的房子有道路连接，这么形成一个超级城市，假设每间房加上道路的面积是10 x 10 m，总面积就会有30万平方公里，差不多是波兰的大小，接近中国云南省，再想象一下把这么一个布局得密密麻麻的波兰地图微缩到指甲盖上。

毫无疑问，这个世界上不可能有任何人能整体掌握这么一个复杂的“波兰地图”，那么芯片是怎么设计出来的呢？答案就是“分而治之”和“知识累积”。

一个巨大、复杂的芯片可以不断被拆成更小的功能单元，这些功能单元不断拆下去总会拆到一个单元的电路是人可以理解的程度，把这个过程倒过来就是“分而治之”。而一个功能的电路一旦设计好了，今后就可以直接拿来使用，就当它是个黑盒子，不断积累这种黑盒子，在设计的时候堆积黑盒子，就像搭积木建大厦一样，这就是“知识累积”。

看到这里，细心的人可能会有疑问：这么堆积电路实现功能，难道不会有冗余设计吗？这是肯定的，因为人类的脑容量已经没办法全面重新设计一个芯片了，所以基于模块化的设计必然会导致各个模块间包含一些电路是重复的，甚至部分电路是无用的，就是在空耗电能。

知识、设计型的制造业最怕被竞争对手恶意拷贝，比如你设计制造一款汽车，竞争对手买几辆回去，从头拆到尾，一个零件一个零件测量学习，然后模仿着造出来，这叫逆向工程，这种事情从汽车诞生到现在，从来没终止过。但是CPU、GPU这种大规模集成电路行业却从不惧怕竞争对手做逆向工程，有本事你买几颗Intel的CPU逆向一下试试看，上百亿个晶体管，远超过人脑记忆分析的能力范围了，即使是借助AI，由于各种选择分支太多太深，电脑对此无能为力，所以大规模集成电路行业可能是目前唯一只能正向设计，无法逆向分析的制造业。

前一段时间AlphaGo战胜了李世乭，这是人工智能上了不起的一件大事，因为围棋是没有办法用穷举法来下的，AlphaGo下围棋的方法和人类下围棋的方法没有本质区别，蒙特卡洛搜索的本质是随机，其实就是随机性地选取一些分支做尝试，然后记录下来每次尝试的结果，存在数据库里变成“知识”，下次直接调用，这在围棋上叫做“定式”。围棋的复杂度导致了人脑不可能全部推演整个棋局，所以人类棋手下棋时是人脑自动在做蒙特卡洛算法和调用“定式”。现代围棋如果从日本的本因坊算起是400多年，这么多年里人类的顶级棋手不断尝试、总结和修正了各种“定式”，今天一个棋手必须要经过大量的对弈和背谱，熟练掌握这些“定式”，职业棋手之间的比赛就是看谁能够更熟练地运用“定式”，甚至是创造“定式”。

下围棋和设计芯片非常像，芯片设计中的“知识累积”就是总结“定式”，每个公司在自己的领域可以积累独特的“定式”知识库，所以Intel虽然在x86 CPU领域绝对领先，但在GPU领域跟Nvidia比却总是有不小的差距。今天的半导体业分工已经非常细致，除了Intel等个别公司既做设计又有工厂，绝大部分半导体公司要么专门设计，要么专门制造，即便是设计也是各有所长，原因就是没人能有足够的资源全面覆盖，不如集中精力做好自己擅长的部分。在芯片的设计领域，即使是稍微挪动一点方向，比如从台式CPU到嵌入式CPU，或是Modem，就会形成明显的公司特长区隔。

现代围棋的发展已经到头了，80年代的棋王赵治勋、90年代的棋王李昌镐、2000年的棋王李世乭和最新棋王柯洁，如果他们能跨过时空用自己最好的状态对弈，没人能有明显的优势。每代棋王就是当期30岁以下棋手中最好的那个，随着年龄的增长，老棋王自动让位给新人，而且随着围棋“定式”总结越来越全面，每代棋王称霸的年纪也越来越小，因为20岁就是一个人脑力在记忆、运算上的巅峰期呀。

其实在芯片设计领域，这个问题也开始越来越明显了。回想一下20年前，Intel每次更新CPU的设计都能带来明显的运算能力提升，86、286、386、486、奔腾，这么一路下来，每次都是真正的“换代”设计。但是从奔腾4代以后这么多年里，x86的芯片设计虽然仍在进步，但是我们已经不关心电脑里装什么CPU了。我家里那个老Dell笔记本电脑是2006年买的，前两个月我给它装上最新的Windows 10，这个老家伙吭哧吭哧地喘了一阵子，居然启动了，虽然运行起来有点慢，但是我偶尔用用网银的需求已经完全满足了。而且这台电脑运行慢的主要因素可能是内存太小而不是CPU速度不够，如果我能给它换上4GB以上的RAM，估计正常运行就一点问题也没有了。

讲完芯片设计，再来看看芯片制造，在这个领域，我们已经走到了天涯海角，前面没路了。当前芯片制程的顶级工艺是14nm和16nm，这两个尺寸是同一代工艺，三星的芯片代工厂采用14nm，16nm是台积电。硅原子的直径大概0.3nm，这是改变不了的，工艺越细意味着组成每个门的原子数量越少，少到难以抵抗电压的程度电路门就被击穿，半导体变成导体，彻底失效了。当前已经非常接近这个击穿门限，而且随着工艺越来越细，电子的量子效应逐步显现，电子不再像粒子而是变成了一团概率波，如果一个电子同时出现在并排的两条导线里，这计算就不知道该怎么做了。

半导体的加工采用的是光刻法，简单理解就是用激光在硅片上雕刻，显然刻刀的宽度决定了雕刻的精细程度。可见光的波长范围大概是350nm至770nm，没办法成为雕刻硅片的刻刀。过去的光刻机一直是用紫外线，而波长10nm左右的电磁波已经跨过紫外线到达X射线的领域，这样精度的光刻机全世界只有一家公司制造，这家公司叫ASML，总部在荷兰。想想看，即便是号称“工业皇冠”的大型喷气式客机的发动机，也还有GE、罗罗、普惠等几家公司在竞争呢，顶级光刻机已经连竞争都没有了。

以目前人类可见的技术储备，5-7nm是硅片加工的极限，大概会在2030年提升到这个水平，而在此之前的顶级制程工艺会在10-16nm上稳定很久，或者说，达到16nm技术后，进一步突破尺寸的难度和成本已经超出当前半导体业的承受范围了。

目前最顶级的芯片工艺主要生产两种芯片：手机和电脑的核心芯片。因为只有这两种商品的购买者愿意为了更新的芯片花钱。除了这两种芯片，其实绝大部分芯片还在使用非常成熟的老工艺制造，这样制造成本很低，可以做出足够便宜的芯片。现在已经很难找到一个电子产品里面没有芯片了，甚至连一个好点的电源插座里也有芯片监控电流、电压，你会因为使用了最新工艺制造的芯片而购买这个插座吗？谁会在乎啊。但是消费者在购买手机、电脑的时候，还是会关心这个产品里用了什么芯片，这种需求推动了芯片厂商不断设计、制造新的手机、电脑芯片。

华为刚发布了一款性价比新机荣耀5C，搭配这款手机的是一颗新的芯片：麒麟650。虽然是一款性价比芯片，但是在设计和制造上并没有打折。而且这一次，华为把CDMA的Modem也加进芯片了，这对电信手机用户来说是个好消息，因为电信手机如果使用麒麟650，可以让功耗更低了。

我简单列举一下麒麟650的参数，喜欢研究这些的朋友可以看看：
CPU是ARM的A53，4个高频的4个低频的，GPU是ARM的Mali T830，这部分是公版设计，原因我前面讲过了，芯片设计每个公司各有所长，理论上很难有公司比ARM更理解ARM体系的CPU，就像不会有公司比Intel更理解x86一样。目前除了苹果对ARM公版设计的优化是成功的，其他公司的“优化”都没有实用价值。苹果的A9可以达到性能、功耗相对于公版设计同比增长，也就是说如果A9的性能是ARM公版的2倍，那么功耗正好也是公版的2倍，而其他公司的“优化”一旦性能提升了，功耗就会数倍上升。苹果能够做到这一点原因很简单，大家看看这家全球最有钱的公司请了什么人去做芯片优化，从2010年收购Intrisisty公司开始，一路挖了多少业界强人过去。

华为和苹果一样，不靠卖芯片，而是靠卖产品的整体体验来获利(当然，华为和苹果尚有差距)，没必要用放在冰箱里才能完成的跑分数据来营造噱头。

Modem部分是华为自己开发的，GSM、CDMA、TDS-CDMA、WCDMA、FDD LTE、TD LTE全支持，这部分华为擅长，是华为的老本行。由于全套协议都自己做，所以华为实现了不少能提升用户体验的小特性，比如伪基站识别和弱信号下的语音质量增强，这些功能目前是华为独一份，在通信技术上的积累，华为有理由骄傲一下。拍照处理芯片ISP是华为自己的，由华为的欧洲团队设计，性能是业界前列的，当然，跟每个摄像模组的配合还需要手机开发团队自己仔细调试磨合。

蓝牙、WiFi、导航、FM、红外这些外连接功能也是华为自己的。WiFI等短距离通信的功能业界通常叫做Connectivity。Connectivity芯片开发难度不高，目前做的公司不少，但是做得灵敏度高、功耗低、整合度高很难，如果想要在功耗、灵敏度上做出优化，那最好还是自己动手。目前同时做Connectivity和SoC并完美搭配的公司很少了，全球也就三家，包括华为，这需要设计者对自己的Connectivity方案有足够的信心和把握。

运动协处理器、音频编解码和电源管理是华为设计的。因为已经做了这么多了，就把这些外设功能也顺手做了。这属于大厨做完主菜后顺手把甜点也做了。看过《厨王争霸》的人都知道，真正的大厨除了能做出主菜，也能做一手好甜点。而且这三份甜点质量相当不错：运动协处理器一直是高端手机的配置，千元机是没有的，麒麟650让千元机也能开启“微信计步”、“地理围栏”这些实用功能；内置的这颗新音频编解码芯片，则不仅让千元机播放音乐的效果有了显著提升，还让千元手机具备了“Hi, Siri”这样的语音唤醒功能；而这颗电源管理芯片支持最新的9V2A快充功能，搭配快充充电器可以实现“充电X分钟，通话X小时”。

最后，这颗芯片采用目前最强的16nm FinFET工艺制造，除了麒麟650，当前的性价比手机使用的芯片普遍是上一代的20nm甚至更老的28nm，因为制造成本更低些。14-16nm很可能是性价比产品的最终制程水平，今后即使旗舰机的芯片采用了更高水平的工艺，性价比产品也很难再跟进了，因为进一步提升工艺的成本太大，性价比产品难以承受。

整体看下来，这颗封装在一起的SoC芯片几乎没有遗憾。在相当长的时间里，麒麟650可以保持性价比手机最佳方案平台的地位。那华为的芯片设计团队是不是可以解散了呢？也不是，今后的移动芯片主要提升方向不再是性能，而是功耗、灵敏度等方向了。硅基集成电路是在“能源无穷大”的前提下诞生的，比如战胜李世乭的AlphaGo，它配置了1202个CPU和176个GPU，仅CPU+GPU的功率就有17W万，下一盘棋电费3000美元，而水平接近AlphaGo的李世乭的大脑功率是多少呢？人类的大脑即使满负荷运行也只有20W。在功耗优化上，我们还有很大的空间。

http://toutiao.com/a6282476676946264321/

作者: fatehe 时间: 2016-5-10 14:05

posted by wap, platform: iPhone
哦？！

作者: jeanz 时间: 2016-5-10 14:18

posted by wap, platform: Chrome
这篇软文值两块钱。虽然我认为华为这两年干的不错，不过离顶峰还有十万八千里呢。顶峰应该是三星苹果合体，从芯片到设计到用户体验、从硬件到系统到软件全生态链完整的掌握，连苹果都没说到达顶峰。苹果要是能并购三星我觉得差不多就可以了。

作者: asdqwe 时间: 2016-5-10 14:35

posted by wap, platform: 小米3
还以为能和e3v2一较高下

作者: elia 时间: 2016-5-10 15:35

引用:

原帖由 jeanz 于 2016-5-10 14:18 发表
posted by wap, platform: Chrome
这篇软文值两块钱。虽然我认为华为这两年干的不错，不过离顶峰还有十万八千里呢。顶峰应该是三星苹果合体，从芯片到设计到用户体验、从硬件到系统到软件全生态链完整的掌握，连苹果 ...

嗯，S7E运行IOS就行了

作者: allensakura 时间: 2016-5-10 15:47

矽晶片的顶峰
http://www.bilibili.com/video/av4569072/

作者: nai 时间: 2016-5-10 15:49

手机领域，目前看，显示屏是未来最具决定性因素
这块华为可惜了
三星依靠oled，可以掌握下一个消费电子时代

作者: huahero 时间: 2016-5-10 16:09

posted by wap, platform: Android
作为一篇科普文，写的不错。

作者: ppst 时间: 2016-5-10 16:19

posted by wap, platform: Chrome

引用:

原帖由 @nai 于 2016-5-10 15:49 发表
手机领域，目前看，显示屏是未来最具决定性因素
这块华为可惜了
三星依靠oled，可以掌握下一个消费电子时代

资金太大，一般企业没法搞。
京东方那个OLED不知道怎么样了，。。。

作者: 燕山隐士 时间: 2016-5-10 16:28

posted by wap, platform: Meizu MX4 Pro
看到一半才发现是软文

作者: dboy99 时间: 2016-5-10 16:41

这文没水平，从头到尾一点干货也没有，都是能百度出来的花边料，标题倒是起的非常的高大上，写手估计是个文科生吧

作者: 小女孩追寻时 时间: 2016-5-10 16:46

这颗芯片采用目前最强的16nm FinFET工艺制造，除了麒麟650，当前的性价比手机使用的芯片普遍是上一代的20nm甚至更老的28nm，因为制造成本更低些。

喷了，别人家用20nm和28nm工艺造出来的芯片吊打你华为的16nm ff+，你他妈丢不丢人啊，怎么好意思吹的啊？

950秒天秒地吹了半年，结果安兔兔被x25超了两万多分，笑死人了

作者: lijgame 时间: 2016-5-10 17:00

posted by wap, platform: Chrome
华为最近的软文超级多，而且写的都非常肉麻恶心，这是公关部换人了吗？

作者: minasan 时间: 2016-5-10 17:04

最近华为的水军真是漫山遍野，是不是华为的库存积压严重急需去库存了吧

作者: zzk86319 时间: 2016-5-10 21:42

posted by wap, platform: UC
吹那啥飞上去的吧

作者: qhlixpfh 时间: 2016-5-10 21:53

还是那句话公版比所有"优化"版都好的话这是在说所有做改版芯片的公司全是脑残吗......

作者: 卖哥 时间: 2016-5-10 22:07

posted by wap, platform: Meizu MX4

引用:

原帖由 @qhlixpfh 于 2016-5-10 21:53 发表
还是那句话公版比所有"优化"版都好的话这是在说所有做改版芯片的公司全是脑残吗......

同期ARM公版的整数性能一直比高通版好，而高通版的浮点好。
具体在跑分上就是，浏览器测试软件的成绩公版好，而CPU测试软件的成绩是高通版好。

作者: 慢慢玩 时间: 2016-5-11 01:13

引用:

原帖由 allensakura 于 2016-5-10 15:47 发表
矽晶片的顶峰
http://www.bilibili.com/video/av4569072/

你们台湾的MTK呢？你们台湾半导体业起步那么早，怎么没看到拿出一两款顶级CPU？难道台湾只有飞利浦控股的台积电帮人代工？你们台湾人快被中国人在半导体方面超过了，你们不觉得是台湾之耻？
是台湾的人才都去搞利润高的诈骗了，还是你们台湾人本身就不行？

[ 本帖最后由慢慢玩于 2016-5-11 01:18 编辑 ]

作者: eva2015836 时间: 2016-5-11 13:24

引用:

原帖由 qhlixpfh 于 2016-5-10 21:53 发表
还是那句话公版比所有"优化"版都好的话这是在说所有做改版芯片的公司全是脑残吗......

好比大闸蟹，清蒸吃就是最好了，有人喜欢红烧，有人喜欢香辣，有人喜欢糖醋，还有什么咖喱蟹，芥末蟹，不一而足。

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