5G与半导体工艺的赛跑：如何面对半导体工艺墙?

　　在2018年刚上任紫光展锐CEO不久，楚庆就押了两次注。进入5G时代，基带芯片的玩家越来越少，连老牌半导体巨头英特尔都出售了相关业务退出竞争。而即使是处在产业链偏下游的公司，也需要从过去可以不太懂上游变得要逐渐了解，才能实现产业间更好地协同配合。 　　其一，基带芯片选择大家都在探索尝试的7纳米，还是已经非常成熟的12纳米?其二，是先走NSA(非独立组网)这条路，然后过渡到SA(独立组网)，还是SA先行，同步支持NSA? 　　当时下的决定是，两个技术都走后者那条路。这背后涉及复杂的技术和工艺迭代背景，虽然对产业已有研判，但也不排除有选错的可能性。 　　“尤其是头一套芯片的工艺节点选择是非常困难、非常伤脑筋的事，要综合的因素太多。即便你最后做了任何一个断定，还是要冒巨大的风险，因为很多东西都是在预估。一直到现在我们可以讲，觉得长出了一口气，两个点都打对了。”在近日接受21世纪经济报道记者专访时，楚庆回忆道。 　　这与推动了半导体产业几十年发展的摩尔定律逐渐失效息息相关，同样重要的是，能够通过历代所有通信制式测试的厂家也屈指可数——再难有新进入者诞生，也不会有下游产业链厂商能够真正走到上游。 　　在这场“少数人”的竞争中，紫光展锐锚定技术路线、重新建立管理体系，并定位为数字世界的生态承载者，期望与产业间“尽快把炉子烧热”。 　　紫光展锐CEO楚庆。 　　如何面对半导体工艺墙? 　　在摩尔定律当道的时节，如果半导体公司的工艺成功进入了下一个更先进的节点，就立即可以同时获得三项加成——成本几乎下降一半、性能几乎提升一倍、功耗大概率降低近一半。在这条赛道上，谁先跑到下一个节点，谁就能够是胜者。 　　但瓶颈出现了。2012年，楚庆经过分析得到过一个结论：7纳米将成为一道工艺墙，是半导体成本曲线的关键工艺拐点。届时，墙内与墙外的世界，将是两种完全不同的竞争规律。 　　拐点最大的影响就在于，在对结果未知的前提下，流片的入门费用就已相当高昂。 　　楚庆举了个直观的例子：如果要进入7纳米的墙内(7纳米及以下制程)，在还没有流片前，就需要向第三方交纳至少7000万美元费用，即便成熟的芯片制造商能尽可能降低成本，流片费用也至少3000万美元。 　　“芯片将来能不能赚钱还不知道，光入门费就高达一亿美元，而当时(2018年)大部分7纳米制造厂商的良率都还没有达到理想状态。”楚庆进一步解释道，而半导体工艺的爬坡曲线在以往摩尔定律有效时，在1-2周内便可达到效果，但在7纳米以后，周期将走到以月为单位——这意味着要承担巨大的风险。 　　本质上当电路尺寸越来越小，在微观电路上会形成一个势垒，无法越过。“当尺寸越来越小的时候，会越来越接近量子规律，那么宏观电路的规律在这个时候就更加不适用了。会产生一种现象，这个势垒突然崩塌，用宏观世界的电路模型判断微观电路越来越不准。” 　　进而对半导体产业分工带来影响。早期的芯片设计和制造厂商，二者可以直接按照标准流程制造，但如今，芯片设计公司如果不深入掌握这些工艺，不知道如何跟制造线配套，模型的准确性严重受到置疑。 　　早在28纳米工艺时已显露出信号，制程困难直接体现在光刻机上，在28纳米以前，还有很多家光刻机供应商;但28纳米以后，主流变成了三家;到了20纳米以内，基本只剩下ASML(阿斯麦尔)一家了。 　　“所以在2018年我决定先做12纳米。因为当时这个工艺节点囤积的产能远远优于7纳米，而且从性能表现、成本、功耗各方面的优化来说，7纳米跟12纳米‘顶棚’之间的距离没那么大，更何况7纳米到理论极限值还有一段距离。”楚庆分析道。这决定了展锐早期的5G两个方案采用了12纳米制程，至今验证是“赌”对了。 　　在2019年7月，由AI Benchmark公布的主流AI芯片测试跑分榜单上，紫光展锐虎贲T710跑分达28097分，超过高通骁龙855 Plus的24553分和华为麒麟810的23944分，一度登顶榜单。而当时，后两位选择的都是第一代7纳米制程方案。 　　“到今天，纳米数的提升可能并不意味着技术的本质提升，而只是厂商选择的一个产业策略。”楚庆如此总结，在最初选定技术路线时，7纳米工艺并不成熟，加上成本和风险都很高，而台积电当时将12纳米工艺优化得很好，促成了这个结果。 　　不过展锐并非“死守”12纳米工艺，楚庆告诉21世纪经济报道记者，12纳米对展锐会是一个重要节点，当然公司也有一支尖兵，正在墙里的世界攻城略地，2020年就将看到这支尖兵的成绩。 　　“在节点选择上，我综合评估了各家厂商，觉得我们选得非常精准。但是我们也会综合考虑接下来的良率和成本等表现，等到适合的时候，综合市场需求和产品成熟度，展锐会持续探索更先进工艺的5G芯片。” 　　按照他的预测，3纳米将是另一个工艺底部。“之后还没有路标”。 　　NSA与SA的不惑 　　关于工艺选择的迷惑和探索充斥了半导体产业的这两年，但还不止于此。在5G时代，新的困惑又来了。 　　与以前几代通信制式不同，5G商用初期出现了NSA和SA两个概念。前者是将5G的控制信令锚定在4G的基站上，后者则是完整的5G基站接入5G核心网。 　　这是考虑到商用效率和成本、应用落地进程等因素，是韩国、美国等其他国家同样存在的过程。落实到最快为消费者感受到的手机，NSA制式意味着在4G芯片基础上外挂5G基带，进而让5G手机能够较快进入市场。 　　不过展锐坚决走了SA路线。“我最早是做移动通信出身，也爬过塔、上去拧过螺丝。我断定NSA是不太完善的5G技术。”楚庆如此说道。 　　从原理来说很好理解。5G的全名是“第五代蜂窝移动通信技术”，“蜂窝”顾名思义，将网络切割成了很多小块，当人从一个区块转移到另一个区块，实际上是完全不同的通信系统设备在提供服务，中间需要切换，这是一个极其复杂的过程。 　　而在NSA方案下，则是用一种先进技术制式的基站，去匹配另一种旧制式的核心网，楚庆指出，这无法落地。其中的困难在于，在越区切换时，复杂的通信协议转换会导致所有业务都中断一段时间。在5G高速互联的时代，这种百来毫秒的中断对于业务主体会是致命的。 　　“我一早就是NSA的反对者，用于手机恰恰不可行。即便是用同一家的核心网接同一家的基站，如果是4G到5G之间切换，一个越区切换最短时间平均是230-240毫秒。”楚庆向21世纪经济报道记者指出，而且随着移动通信制式的升级，实际上对切换时间的要求越来越高。比如2G时代的GSM一般是200毫秒，4G时代的LTE已经是20毫秒，到了5G将是5毫秒以内的切换速度。而5G更广泛和创新的应用如AR、VR、无人驾驶等必须是基于SA核心网才能够实现。 　　因此展锐的核心团队从2019年1月开始，就将全部研发集中到了SA制式上。 　　两次主要技术路线的选择，是楚庆上任后的新展锐在5G研发初期的一个缩影，得以为展锐在接下来的“五虎”(高通、华为海思、联发科、展锐、三星)发展格局下进一步突破。 　　而在万物互融的5G时代，手机之外的庞大应用市场也在暗自培育，延伸出更大的想象空间，那将是另一番天地。 　　构建生态驱动应用 　　一向被视为“封闭”的海思开始开放了。近日海思宣布，向物联网行业推出首款4G通信芯片。这被视为是面向海量市场生态迈出的一步。 　　在5G时代，开放生态将是必不可少的一大话题。楚庆指出，展锐定位了三大主要市场：消费电子、工业电子、泛连接。展锐认为，尤其在中国市场，需要承担起数字世界生态承载者的责任。 　　“水大鱼大，事实上在生态建设过程中，只有一根柱子是不稳的，欢迎其他柱子一起来支撑，实际上大家的关系更像一种协作者。”他这样告诉21世纪经济报道记者。5G革命发生后，会造成历史上一次最大的新需求，根本不是任何一家厂商能够承载的。“我们非常欢迎所有厂商都加入，一起尽快把这个锅给烧热了。” 　　楚庆表示，如果聚焦核心芯片，消费电子领域，中国芯片已经有百分之十几的占有额，但在工业电子领域可能只有1%，而且中国厂家还未能承担主生态承载者的责任。 　　“我们必须吹响这个号角。”据他透露，工业电子事业部成立的第一年，销售额破了一亿美元。“工业电子在未来可见的时间范围内，我们的增长率应该都将接近100%。” 　　要实现生态构建，还必须拥有技术积累。据楚庆介绍，由于展锐所有的产品中都有CPU，还涉及各方面的连接能力，目前展锐的CPU上承载的代码几乎是以亿为单位。 　　而5G带来的新增代码量有数千万行，其中有展锐自己写的，也有来自开源第三方的，这些代码都承载在展锐的芯片之上，构成承载者的根基。 　　作为本土通信基带芯片的头部企业之一，楚庆指出，思考5G的时候，应该坚持一些亘古不变的条件：要满足市场及客户需求，要符合产业客观发展的趋势。这也是展锐制订战略的核心要点。 　　他强调，要提供符合市场及用户要求的产品，比如用更成熟、更优化的方式切入到未来制式上。展锐在第一代5G芯片时选择12纳米SA的路线，就是在朝这个方向努力。这也是他作为半导体行业老兵对于产业发展的一些建议。 　　“我们必须得把这个‘棚’顶起来，当然也很需要本土对知识产权的保护，目前这对于领头羊公司是很吃亏的。”楚庆坦陈，发展仍存在一些隐形的挑战。“希望我们对拥有知识产权的领头羊企业要给予专门的保护，这也是体现了一个社会的战略远见。如果不保护的话，很可能会造成大殿被蝼蚁搬空的情形。”