我国高端芯片的发展机遇

作者/ 乔北 《电子产品世界》编辑

摘要：在2016年11月举办的“2016中国集成电路产业促进大会”的高端芯片发展论坛上，天津飞腾信息技术有限公司总经理谷虹、上海安路信息科技有限公司市场与应用副总裁陈利光和龙芯中科技术有限公司副总裁张戈就高端芯片的安全、eFPGA和生态建设为切入点，介绍了中国芯片在高端芯片领域的未来发展机遇。

1 高端芯片的安全和产业发展

1.1 CPU发展阶段

　　就CPU的角度，一共有三个发展阶段，即X86+windows、ARM+Android和X+Linux。第一个阶段是X86+windows阶段，在这一阶段，微软和英特尔两大企业抓住了个人计算机的时代，成为IT界一代霸主;第二个阶段是ARM+Android阶段，在这一阶段，苹果和ARM抓住了移动互联网时代的机会，在这个移动互联网领域成为一代霸主，如今，手机越来越多的人将其当做生活和工作中的简易电脑来用;第三个阶段是X+Linux阶段，在这一阶段，我们能否抓住安全可控的全球战略需求，成就中国安全产业?

　　中国CPU有几家技术很强的企业，国家支持了十几年，却一直没有做起来，最难的在于生态。普京曾说过，只有中国才能造成安全的大企业，中国有13亿人口，有大市场，俄罗斯只有2亿人。要解决CPU安全问题确实需要一个大的市场，因为CPU是一个IT技术的基础核心。调查数据显示，当有一个三千万用户的时候，就可以培养一个生态系统。也就是说，如果一个新的生态系统要进入一个良性循环是需要这样一个大数据的。中国拥有很大的市场，这个市场刚开始的时候一定不是国产CPU和国产芯片的用户，在安全领域如果三千万用户可以培养一个市场，中国这个市场还是有能力去培养出生态系统，让我们的CPU得以应用。

1.2 安全是企业新的切入点

　　安全的信息产业市场有核心部件和软硬件的生态，主要是软件生态，软件生态进步了，硬件生态也就跟进了。安全产业是我们的切入点，核心安全/最底层的安全一共是两块，即后门和漏洞。后门是计算机系统在设计和制造过程中人为设计的特权指令，漏洞是软硬件协议实现过程存在的缺陷。一个是主动性的，一个是被动性的，而就这两个核心问题，我们第一步是从主动安全切入进行主动防御，至于漏洞，我们要通过在产业发展过程中通过大量的应用逐步完善。

　　实际上，通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定，本身并不存在安全问题，真正的安全问题在于其中的计算内核。协议标准最好要跟着世界主流走，如果自己做标准的话，既费钱，又累，还不好用，做出来的协议如果没人用，也就谈不上安全。

1.3 生态创建要靠“吸引”

　　在产业界，企业还是要遵循一些产业规律，要在兼容国际的产业界的基础上，把安全做好，这是中国CPU产业界需要考虑的事情。你的生态如果和国际主流兼容，就会吸引更多的生态和产业。天津飞腾信息技术有限公司总经理谷虹表示，针对生态的建设和吸引，我们认为后者会对产业发展更加良性。因为你的生态环境好，一定会有更多的用户跟着你一块做生态，以CPU为例，CPU中OS是基础的，围绕它的外围生态有软件、网络、安全认证、整机、存储等，再外围还包括我们的开发者，有多少人愿意学你的这个系统，来帮助你未来往前开发，良性的东西能够吸引生态，最终一起走。

　　中国安全产品已经在路上了，产业环境也越来越好，现在通过飞腾的实用性芯片做的事务性处理服务器，配上四核芯片做的桌面终端，运行一般性的信息化应用，例如office、邮件处理、上网、看电影、看电视，还有一般的打游戏，用户体验和目前一般主流上的机器差别不大。

2 嵌入式FPGA IP核技术与应用

2.1 eFPGA的概念

　　英特尔巨资收购了ALTERA，FPGA也作为IP核进入至强处理器，另外，以硅谷FPGA startup公司(新兴公司)来看，他们也都转向了FPGA IP核方向。

　　FPGA IP核不是一个新概念，在十几年前，无论是在学术界还是在工业界，已经有很多人开始探索。从学术界来看，主要做的工作是如何实现FPGA IP核自动化生产，例如，有些人做了一些软核的IP核，这与工业无关;有些人做了一些版图的自动生成，就是eFPGA(嵌入式FPGA)编译器，自动生成一块eFPGA;有些人做了一些eFPGA架构设计空间的探索。从2000年开始，很多公司开始尝试这一架构。

　　FPGA IP就是将一个FPGA作为一个IP的形式放在SoC(片上系统)中。如何将FPGA放进去，这里也有一些不同的办法，包括作为总线设备/协处理器的形式放到SoC中，也可以作为一个数据格式形式或IO连接的设备。

2.2 eFPGA的优势

　　FPGA IP核放入SoC中有以下几个优点：

　　1)提升接口带宽的性能。一个eFPGA可以轻松地实现10000个以上的IO连接，我们看到商业上最大的芯片也是很难超过2000个IO数量级的，如果IO数量这个瓶颈破解后，在设计SoC的时候就会更加灵活;由于考虑连接问题，之前设计SoC时会有很多的折中，现在很灵活的一个FPGA放在其中可以做更多灵活的工作;放在SoC中，信号可以直接连接，性能可以做得更好;内部的信号频率可以轻松地做到500MHz，延迟也可以做得很低，最低可以达到2ns;可以做成一个同步的设计，省去外部做FPGA处理器，降低了设计难度。

　　2)大幅度降低系统功耗及成本。一个典型的FPGA应用的IO的功耗可能会占到50%，如果把它作为嵌入式IP，这50%的功耗就可以省掉，这对电源设计也有很好的促进，当然最重要的是在做大批量应用的时候，成本会有显著的降低。另外，大规模FPGA的封装很复杂，在做芯片的过程中，很多时候封装的成本已经超过了其中芯片，做成嵌入式则可以降低相关成本。因此，做成SoC之后，整体成本可能会降低10%~20%。

2.3 eFPGA的市场及发展

　　eFPGA虽然有这么多的好处，但是在过去二十年中并没有太多成功的案例，原因在于过去这些年，这个市场是一个高度垄断的市场，这个市场的IP巨头不愿提供嵌入式IP的技术;同时，IP技术发展比较快，更新换代也比较快;另外一个更重要的原因是，对于做eFPGA startup公司来说，软件的技术不够成熟，造成这方面技术比较难做。

　　现在集成电路的工艺进入到一个瓶颈期，发展越来越慢，同时还需要考虑很多处理器方面的问题，这就需要不同的方案来促进集成电路的发展;另外一方面是国内半导体市场的崛起，包括国内在eFPGA行业也有很多公司在做，这为行业带来了很多机会。很多时候，原来在硅谷做不成的事情，在中国反而可以做成。

　　从FPGA本身来看，现在做的产品越来越复杂，集成越来越多各种IP。像eFPGA这个概念已经成为一个发展趋势，eFPGA使得不仅硬件可以编程，软件也可以编程，成为全可编程化。而全可编程化也是整个行业的一个发展目标。

　　eFPGA应用市场很广阔，有FPGA应用的系统中都存在这样的机会，像做硬件加速、云计算、超级计算机、无线通信等。用FPGA加速可以将产品的性能提升一个或两个数量级，功耗也会降低很多，如果采用eFPGA，可能结构会更好。在国防军工领域，例如雷达处理、加解密等也需要eFPGA技术;另外，人工智能、安防监控、物联网设备等都将可以用到eFPGA。

2.4 技术难点

　　1)产品的可靠性。之前已经有eFPGA相关技术，之所以没有做成功是因为产品无法实现量产。如果本身的FPGA都没有量产的话，做成IP的可靠性是无法保障的。

　　2)软件技术成熟程度。因为软件技术是在最核心的位置，你怎么支持IP技术的应用和设计，另外，IP核和IP芯片是不一样的，它的规格需要与应用的需求很快生成定制IP，因而需要灵活的平台，从而使这些软件很快地支持新的架构。

　　3)产品验证问题。IP核做好并交付后，还要去解决一个集成验证的问题，复杂的SoC的验证是一个很大的问题。验证方面需要做多个层次的验证，另外，因为作为IP核，要放到SoC中，后端的集成，包括芯片测试方案都需要一个完整的解决方案进行测试。

　　上海安路信息科技有限公司是2001年成立的，其在FPGA技术应用方面，在低/中/高端产品方面都有相关的布局，支持整套的FPGA IP核验证技术。2015年12月成功交付千万门级eFPGA，该eFPGA基于EG130 FPGA IP核，支持两千个以上的IO。

3 建立自主产业生态体系

3.1 龙芯的发展

　　龙芯从2001年开始作为一个科研性的队伍发展到现在，一共经历了三个比较大的发展阶段。

　　第一个阶段是从2001年至2010年，这是龙芯团队的一个技术的积累时期，在这一阶段，龙芯致力于研究CPU;从2010年开始，龙芯团队转型成立公司，与市场结合，形成大、中、小三大系列CPU产品，主要面向安全应用、通用计算机、嵌入式应用三大市场方向;从2014年开始，龙芯进入了高速发展阶段，下游客户中基于龙芯CPU的软硬件研发人员达到上万人，龙芯的销售收入也连续两年增长50%。

　　龙芯的产品主要基于三个产品系列定位，即龙芯1号、龙芯2号和龙芯3号。其中龙芯1号是面向特定应用需求定制的“小CPU”系列芯片，龙芯2号是面向工控和终端类应用的“中CPU”系列芯片，龙芯3号则是面向桌面/服务器类应用的“大CPU”系列芯片。

3.2 建立自主的IT生态体系

　　建立自主的IT生态体系至关重要。由整个世界市场来看，对于不关注生态建设的企业，公司发展都无法得到较大的突破。

　　建立生态系统其实没有想象的那么难。ARM和谷歌的CPU和OS研发人员在数百人的量级上，在应用中形成了对产业深刻的、正确的理解。我国自主基础软硬件在应用磨合中逐渐形成了对CPU和OS产业的正确理解，并不断深化，完全可以在方兴未艾的自主化应用中，通过打通技术链，实现在每个局部都不如国外系统的情况下，做到整体性能优于国外系统，走出一条“应用牵引、系统优化、软硬结合、规范适用”的自主化道路，形成自主生态。

　　针对生态建设可以分为三个层次，即生产力、生产关系和上层建筑。

　　1)生产力即为技术平台。建设自主生态的关键在于API(应用编程接口)，而不是ISA(指令集)，同时，基础软硬件核心技术必须掌握在自己手中;另外还需要打通从API到晶体管的技术链，形成自主技术能力。

　　2)生产关系是指产业链。自然生态的核心是能量的传递，产业生态的核心是价值的传递，龙芯公司通过软件解决方案和产业投资基金等多种方式加速价值的传递。

　　3)上层建筑则是指产业环境。生态是在一定环境中自己生长起来的，要想在沙漠中长出雨林，就需要大量雨水，而我们要做的就是共同努力营造生态成长的环境。

参考文献：

　　[1]王莹.龙芯：安全芯片需要真正的自主可控[J].电子产品世界,2015(9):17-19.

　　[2]倪光南.发展自主可控的信息技术和产业[J].电子产品世界,2015(10):25-26.

　　[3]王金旺.“中国芯”稳步发展，高端芯片仍待突破[J].电子产品世界,2016(1):25-26.

本文来源于《电子产品世界》2017年第2期第15页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。