我國(guó)高端芯片的發(fā)展機(jī)遇

喬北

摘要：在2016年11月舉辦的“2016中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會(huì)”的高端芯片發(fā)展論壇上。天津飛騰信息技術(shù)有限公司總經(jīng)理谷虹、上海安路信息科技有限公司市場(chǎng)與應(yīng)用副總裁陳利光和龍芯中科技術(shù)有限公司副總裁張戈就高端芯片的安全、eFPGA和生態(tài)建設(shè)為切入點(diǎn)，介紹了中國(guó)芯片在高端芯片領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展機(jī)遇。

關(guān)鍵詞：高端芯片；安全；生態(tài)

DOl：10.3969/j.issn.1005-5517.2017-2.004

1 高端芯片的安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)展

1.1 CPU發(fā)展階段

就CPU的角度，一共有三個(gè)發(fā)展階段，即X86+windows、ARM+Android和X+Linux。第一個(gè)階段是X86+windows階段，在這一階段，微軟和英特爾兩大企業(yè)抓住了個(gè)人計(jì)算機(jī)的時(shí)代，成為IT界一代霸主；第二個(gè)階段是ARM+Android階段，在這一階段，蘋果和ARM抓住了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的機(jī)會(huì)，在這個(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域成為一代霸主，如今，手機(jī)越來(lái)越多的人將其當(dāng)做生活和工作中的簡(jiǎn)易電腦來(lái)用；第三個(gè)階段是X+Linux階段，在這一階段，我們能否抓住安全可控的全球戰(zhàn)略需求，成就中國(guó)安全產(chǎn)業(yè)？

中國(guó)CPU有幾家技術(shù)很強(qiáng)的企業(yè)，國(guó)家支持了十幾年，卻一直沒有做起來(lái)，最難的在于生態(tài)。普京曾說(shuō)過(guò)，只有中國(guó)才能造成安全的大企業(yè)，中國(guó)有13億人口，有大市場(chǎng)，俄羅斯只有2億人。要解決CPU安全問(wèn)題確實(shí)需要一個(gè)大的市場(chǎng)，因?yàn)镃PU是一個(gè)IT技術(shù)的基礎(chǔ)核心。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)有一個(gè)三千萬(wàn)用戶的時(shí)候，就可以培養(yǎng)一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。也就是說(shuō)，如果一個(gè)新的生態(tài)系統(tǒng)要進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)是需要這樣一個(gè)大數(shù)據(jù)的。中國(guó)擁有很大的市場(chǎng)，這個(gè)市場(chǎng)剛開始的時(shí)候一定不是國(guó)產(chǎn)CPU和國(guó)產(chǎn)芯片的用戶，在安全領(lǐng)域如果三千萬(wàn)用戶可以培養(yǎng)一個(gè)市場(chǎng)，中國(guó)這個(gè)市場(chǎng)還是有能力去培養(yǎng)出生態(tài)系統(tǒng)，讓我們的CPU得以應(yīng)用。

1.2 安全是企業(yè)新的切入點(diǎn)

安全的信息產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)有核心部件和軟硬件的生態(tài)，主要是軟件生態(tài)，軟件生態(tài)進(jìn)步了，硬件生態(tài)也就跟進(jìn)了。安全產(chǎn)業(yè)是我們的切入點(diǎn)，核心安全/最底層的安全一共是兩塊，即后門和漏洞。后門是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中人為設(shè)計(jì)的特權(quán)指令，漏洞是軟硬件協(xié)議實(shí)現(xiàn)過(guò)程存在的缺陷。一個(gè)是主動(dòng)性的，一個(gè)是被動(dòng)性的，而就這兩個(gè)核心問(wèn)題，我們第一步是從主動(dòng)安全切入進(jìn)行主動(dòng)防御，至于漏洞，我們要通過(guò)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中通過(guò)大量的應(yīng)用逐步完善。

實(shí)際上，通信協(xié)議是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定，本身并不存在安全問(wèn)題，真正的安全問(wèn)題在于其中的計(jì)算內(nèi)核。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)最好要跟著世界主流走，如果自己做標(biāo)準(zhǔn)的話，既費(fèi)錢，又累，還不好用，做出來(lái)的協(xié)議如果沒人用，也就談不上安全。

1.3 生態(tài)創(chuàng)建要靠“吸引”

在產(chǎn)業(yè)界，企業(yè)還是要遵循一些產(chǎn)業(yè)規(guī)律，要在兼容國(guó)際的產(chǎn)業(yè)界的基礎(chǔ)上，把安全做好，這是中國(guó)CPU產(chǎn)業(yè)界需要考慮的事情。你的生態(tài)如果和國(guó)際主流兼容，就會(huì)吸引更多的生態(tài)和產(chǎn)業(yè)。天津飛騰信息技術(shù)有限公司總經(jīng)理谷虹表示，針對(duì)生態(tài)的建設(shè)和吸引，我們認(rèn)為后者會(huì)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展更加良性。因?yàn)槟愕纳鷳B(tài)環(huán)境好，一定會(huì)有更多的用戶跟著你一塊做生態(tài)，以CPU為例，CPU中OS是基礎(chǔ)的，圍繞它的外圍生態(tài)有軟件、網(wǎng)絡(luò)、安全認(rèn)證、整機(jī)、存儲(chǔ)等，再外圍還包括我們的開發(fā)者，有多少人愿意學(xué)你的這個(gè)系統(tǒng)，來(lái)幫助你未來(lái)往前開發(fā)，良性的東西能夠吸引生態(tài)，最終一起走。

中國(guó)安全產(chǎn)品已經(jīng)在路上了，產(chǎn)業(yè)環(huán)境也越來(lái)越好，現(xiàn)在通過(guò)飛騰的實(shí)用性芯片做的事務(wù)性處理服務(wù)器，配上四核芯片做的桌面終端，運(yùn)行一般性的信息化應(yīng)用，例如office、郵件處理、上網(wǎng)、看電影、看電視，還有一般的打游戲，用戶體驗(yàn)和目前一般主流上的機(jī)器差別不大。

2 嵌入式FPGA IP核技術(shù)與應(yīng)用

2.1 eFPGA的概念

英特爾巨資收購(gòu)了ALTERA，F(xiàn)PGA也作為IP核進(jìn)入至強(qiáng)處理器，另外，以硅谷FPGA startup公司（新興公司）來(lái)看，他們也都轉(zhuǎn)向了FPGA IP核方向。

FPGA IP核不是一個(gè)新概念，在十幾年前，無(wú)論是在學(xué)術(shù)界還是在工業(yè)界，已經(jīng)有很多人開始探索。從學(xué)術(shù)界來(lái)看，主要做的工作是如何實(shí)現(xiàn)FPGA IP核自動(dòng)化生產(chǎn)，例如，有些人做了一些軟核的IP核，這與工業(yè)無(wú)關(guān)；有些人做了一些版圖的自動(dòng)生成，就是eFPGA（嵌入式FPGA）編譯器，自動(dòng)生成一塊eFPGA；有些人做了一些eFPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)空間的探索。從2000年開始，很多公司開始嘗試這一架構(gòu)。

FPGA IP就是將一個(gè)FPGA作為一個(gè)IP的形式放在SoC（片上系統(tǒng)）中。如何將FPGA放進(jìn)去，這里也有一些不同的辦法，包括作為總線設(shè)備/協(xié)處理器的形式放到SoC中，也可以作為一個(gè)數(shù)據(jù)格式形式或IO連接的設(shè)備。

2.2 eFPGA的優(yōu)勢(shì)

FPGA IP核放入SoC中有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）提升接口帶寬的性能。一個(gè)eFPGA可以輕松地實(shí)現(xiàn)10000個(gè)以上的IO連接，我們看到商業(yè)上最大的芯片也是很難超過(guò)2000個(gè)IO數(shù)量級(jí)的，如果IO數(shù)量這個(gè)瓶頸破解后，在設(shè)計(jì)SoC的時(shí)候就會(huì)更加靈活；由于考慮連接問(wèn)題，之前設(shè)計(jì)SoC時(shí)會(huì)有很多的折中，現(xiàn)在很靈活的一個(gè)FPGA放在其中可以做更多靈活的工作；放在SoC中，信號(hào)可以直接連接，性能可以做得更好；內(nèi)部的信號(hào)頻率可以輕松地做到500MHz，延遲也可以做得很低，最低可以達(dá)到2ns；可以做成一個(gè)同步的設(shè)計(jì)，省去外部做FPGA處理器，降低了設(shè)計(jì)難度。

2）大幅度降低系統(tǒng)功耗及成本。一個(gè)典型的FPGA應(yīng)用的IO的功耗可能會(huì)占到50%，如果把它作為嵌入式IP，這50%的功耗就可以省掉，這對(duì)電源設(shè)計(jì)也有很好的促進(jìn)，當(dāng)然最重要的是在做大批量應(yīng)用的時(shí)候，成本會(huì)有顯著的降低。另外，大規(guī)模FPGA的封裝很復(fù)雜，在做芯片的過(guò)程中，很多時(shí)候封裝的成本已經(jīng)超過(guò)了其中芯片，做成嵌入式則可以降低相關(guān)成本。因此，做成SoC之后，整體成本可能會(huì)降低10%-20%。

2.3 eFPGA的市場(chǎng)及發(fā)展

eFPGA雖然有這么多的好處，但是在過(guò)去二十年中并沒有太多成功的案例，原因在于過(guò)去這些年，這個(gè)市場(chǎng)是一個(gè)高度壟斷的市場(chǎng)，這個(gè)市場(chǎng)的IP巨頭不愿提供嵌入式IP的技術(shù)；同時(shí)，IP技術(shù)發(fā)展比較快，更新?lián)Q代也比較快；另外一個(gè)更重要的原因是，對(duì)于做eFPGA startup公司來(lái)說(shuō)，軟件的技術(shù)不夠成熟，造成這方面技術(shù)比較難做。

現(xiàn)在集成電路的工藝進(jìn)入到一個(gè)瓶頸期，發(fā)展越來(lái)越慢，同時(shí)還需要考慮很多處理器方面的問(wèn)題，這就需要不同的方案來(lái)促進(jìn)集成電路的發(fā)展；另外一方面是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體市場(chǎng)的崛起，包括國(guó)內(nèi)在eFPGA行業(yè)也有很多公司在做，這為行業(yè)帶來(lái)了很多機(jī)會(huì)。很多時(shí)候，原來(lái)在硅谷做不成的事情，在中國(guó)反而可以做成。

從FPGA本身來(lái)看，現(xiàn)在做的產(chǎn)品越來(lái)越復(fù)雜，集成越來(lái)越多各種IP。像eFPGA這個(gè)概念已經(jīng)成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，eFPGA使得不僅硬件可以編程，軟件也可以編程，成為全可編程化。而全可編程化也是整個(gè)行業(yè)的一個(gè)發(fā)展目標(biāo)。

eFPGA應(yīng)用市場(chǎng)很廣闊，有FPGA應(yīng)用的系統(tǒng)中都存在這樣的機(jī)會(huì)，像做硬件加速、云計(jì)算、超級(jí)計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信等。用FPGA加速可以將產(chǎn)品的性能提升一個(gè)或兩個(gè)數(shù)量級(jí)，功耗也會(huì)降低很多，如果采用eFPGA，可能結(jié)構(gòu)會(huì)更好。在國(guó)防軍工領(lǐng)域，例如雷達(dá)處理、加解密等也需要eFPGA技術(shù)；另外，人工智能、安防監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等都將可以用到eFPGA。

2.4 技術(shù)難點(diǎn)

1）產(chǎn)品的可靠性。之前已經(jīng)有eFPGA相關(guān)技術(shù)，之所以沒有做成功是因?yàn)楫a(chǎn)品無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。如果本身的FPGA都沒有量產(chǎn)的話，做成IP的可靠性是無(wú)法保障的。

2）軟件技術(shù)成熟程度。因?yàn)檐浖夹g(shù)是在最核心的位置，你怎么支持IP技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)，另外，IP核和IP芯片是不一樣的，它的規(guī)格需要與應(yīng)用的需求很快生成定制IP，因而需要靈活的平臺(tái)，從而使這些軟件很快地支持新的架構(gòu)。

3）產(chǎn)品驗(yàn)證問(wèn)題。IP核做好并交付后，還要去解決一個(gè)集成驗(yàn)證的問(wèn)題，復(fù)雜的SoC的驗(yàn)證是一個(gè)很大的問(wèn)題。驗(yàn)證方面需要做多個(gè)層次的驗(yàn)證，另外，因?yàn)樽鳛镮P核，要放到SoC中，后端的集成，包括芯片測(cè)試方案都需要一個(gè)完整的解決方案進(jìn)行測(cè)試。

上海安路信息科技有限公司是2001年成立的，其在FPGA技術(shù)應(yīng)用方面，在低/中/高端產(chǎn)品方面都有相關(guān)的布局，支持整套的FPGA IP核驗(yàn)證技術(shù)。2015年12月成功交付千萬(wàn)門級(jí)eFPGA，該eFPGA基于EG130 FPGA IP核，支持兩千個(gè)以上的IO。

3 建立自主產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系

3.1 龍芯的發(fā)展

龍芯從2001年開始作為一個(gè)科研性的隊(duì)伍發(fā)展到現(xiàn)在，一共經(jīng)歷了三個(gè)比較大的發(fā)展階段。

第一個(gè)階段是從2001年至2010年，這是龍芯團(tuán)隊(duì)的一個(gè)技術(shù)的積累時(shí)期，在這一階段，龍芯致力于研究CPU；從2010年開始，龍芯團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)型成立公司，與市場(chǎng)結(jié)合，形成大、中、小三大系列CPU產(chǎn)品，主要面向安全應(yīng)用、通用計(jì)算機(jī)、嵌入式應(yīng)用三大市場(chǎng)方向；從2014年開始，龍芯進(jìn)入了高速發(fā)展階段，下游客戶中基于龍芯CPU的軟硬件研發(fā)人員達(dá)到上萬(wàn)人，龍芯的銷售收入也連續(xù)兩年增長(zhǎng)50%。

龍芯的產(chǎn)品主要基于三個(gè)產(chǎn)品系列定位，即龍芯1號(hào)、龍芯2號(hào)和龍芯3號(hào)。其中龍芯1號(hào)是面向特定應(yīng)用需求定制的“小CPU”系列芯片，龍芯2號(hào)是面向工控和終端類應(yīng)用的“中CPU”系列芯片，龍芯3號(hào)則是面向桌面/服務(wù)器類應(yīng)用的“大CPU”系列芯片。

3.2 建立自主的IT生態(tài)體系

建立自主的IT生態(tài)體系至關(guān)重要。由整個(gè)世界市場(chǎng)來(lái)看，對(duì)于不關(guān)注生態(tài)建設(shè)的企業(yè)，公司發(fā)展都無(wú)法得到較大的突破。

建立生態(tài)系統(tǒng)其實(shí)沒有想象的那么難。ARM和谷歌的CPU和OS研發(fā)人員在數(shù)百人的量級(jí)上，在應(yīng)用中形成了對(duì)產(chǎn)業(yè)深刻的、正確的理解。我國(guó)自主基礎(chǔ)軟硬件在應(yīng)用磨合中逐漸形成了對(duì)CPU和OS產(chǎn)業(yè)的正確理解，并不斷深化，完全可以在方興未艾的自主化應(yīng)用中，通過(guò)打通技術(shù)鏈，實(shí)現(xiàn)在每個(gè)局部都不如國(guó)外系統(tǒng)的情況下，做到整體性能優(yōu)于國(guó)外系統(tǒng)，走出一條“應(yīng)用牽引、系統(tǒng)優(yōu)化、軟硬結(jié)合、規(guī)范適用”的自主化道路，形成自主生態(tài)。

針對(duì)生態(tài)建設(shè)可以分為三個(gè)層次，即生產(chǎn)力、生產(chǎn)關(guān)系和上層建筑。

1）生產(chǎn)力即為技術(shù)平臺(tái)。建設(shè)自主生態(tài)的關(guān)鍵在于API（應(yīng)用編程接口），而不是ISA（指令集），同時(shí)，基礎(chǔ)軟硬件核心技術(shù)必須掌握在自己手中：另外還需要打通從API到晶體管的技術(shù)鏈，形成自主技術(shù)能力。

2）生產(chǎn)關(guān)系是指產(chǎn)業(yè)鏈。自然生態(tài)的核心是能量的傳遞，產(chǎn)業(yè)生態(tài)的核心是價(jià)值的傳遞，龍芯公司通過(guò)軟件解決方案和產(chǎn)業(yè)投資基金等多種方式加速價(jià)值的傳遞。

3）上層建筑則是指產(chǎn)業(yè)環(huán)境。生態(tài)是在一定環(huán)境中自己生長(zhǎng)起來(lái)的，要想在沙漠中長(zhǎng)出雨林，就需要大量雨水，而我們要做的就是共同努力營(yíng)造生態(tài)成長(zhǎng)的環(huán)境。