CPU自主{權困難重重 嵌入式CPUd突破口 http://tech.tom.com/Archive/1121/1015/2002/9/5-41026.html 2002年09月05日穡虓:矽谷動力簧]偉 石器時代、銅器時代、鐵器時代、蒸氣機時代、電器時代，人類一步步向前發展，以其影響最深的工具作d時代的標誌。自1958年德州儀器(TI)和仙童(Fairchild)分別以光蝕刻技術於矽基底做出積體電路以來，不斷發展的半導體推動人類社會邁入了資訊時代。如今，從IC卡到PC、從手機到通信衛星，半導體晶片作d現代工業社會發展的基礎，無處不在地深刻影響著我們生活的方方面面，也可以說，這是一個半導體時代。微處理器，即CPU，被廣泛應用於各個領域，深刻地改變了人們的生活方式。 對CPU有不同的分類方法，本文不予細緻討論。但大致由通用CPU (包括PC類CPU和高端伺服器CPU)，和嵌入式/專用CPU組成。 PC類CPU是應用於PC領域的x86架構CPU及其x86架構相容的CPU。Intel、AMD和威盛(VIA)等公司擁有該類CPU的核心技術。高端的CPU是應用於伺服器、超級電腦中的高性能CPU，諸如基於RISC技術的HP (Compaq)’s Alpha、Sun Microsystem’s UltraSparc和IBM的CPU。如同使用多個廉價低檔硬碟來構造高可靠高性能硬碟組一樣(RAID)，最近有這樣的趨勢，使用多個較d廉價的PC類CPU來構造高性能伺服器。我們稱這一類PC/伺服器CPUd通用CPU。 另一大類CPU是嵌入式/專用CPU。它們廣泛應用於各種資訊設備，如資訊家電、手機、PDA、平板電腦等{品中的CPU。這些資訊設備並不要求CPU有很強的處理功能或很高的時鐘速度，但卻特別強調CPU的低功耗、低電壓、低散熱、晶片的小面積、和低價格特性。該類CPU包括x86架構的威盛VIA C3，x86架構相容的Transmeta公司Crusoe，和其他非x86架構的ARM (如用於PALM PDA)、MIPS等公司的嵌入式CPU。 近年來在我國，發展有自主知識{權的CPU已成d了人們關注的焦點。CPU在各行各業有著廣大的發展空間。選擇CPU全方位的自我發展路線存在著很高的進入壁壘，現在盲目地從零做起或從很低級做起來進入我個人認d在現在階段是不合時宜的。 一、開發通用CPU的技術基礎障礙和困難 在IC設計人才，設計經驗/環境上，我國因在IC設計環境、設計工具、設計人才和晶片製造工藝等方面還遠遠落後于世界先進水平，而CPU是屬於IC設計的最高端{品。設計出如此高性能高端的CPU仍需要相當的各類資源(設計人才和設計經驗首當)和相當長的時間。大家公認，中國的CPU方面的技術與國外的差距有一二十年。而在同時，我們在許多低端IC{品上還大量依賴進口。在最缺乏的IC設計人才資源上，我國現在只有區區3千到4千人左右(包括中外資企業，包括缺少設計經驗的初級人員)。單INTEL就有數千名很有經驗的高級IC設計工程師。顯而易見，我們現在設計人才和設計經驗還不具備與世界CPU頂尖企業挑戰的能力。我們應當利用這個有限的瓶頸資源去大力發展中低端IC{品以獲取最大的回報，並以此建立IC{業基礎，d今後的發展打下良好的基礎。提供全方位的支援來大辦IC設計人才的教育和培訓是保持高速發展的最重要的一環。 在IC製作工藝水平上，如今的各類CPU已發展到了0.13微米制程，12”晶圓，集成度超過4500萬顆電晶體。我國現在還處於0.25- 0.35微米制程，6-8”晶圓水平上。由於外國的出口限制等，我國還仍有相當困難獲得像高速高精度光刻機等高端設備。在3-5年內，我們還無法達到IC製作工藝水平的世界先進水平。這也決定了，就是我們設計出了有我們自主知識{權並且達到世界先進水平的CPU，我們也無法製作出達到世界先進水平的CPU。然而設計和製作是相輔相成的。同時，Intel的晶片生{能力和革新速度也是全球所有IC生{廠商們所難以媲美的。 在對應的OS上，開發自主CPU並非是單一的CPU IC開發主流的OS必須支援和跟進，其OS核心必須開放。INTEL每一步的發展都和MICROSOFT的支援和跟進互連互動。遺憾的是，我們不存在這樣的主流OS商，也不可能指望MICROSOFT來支援和跟進。這樣，我們需要捆綁在似乎是唯一的LINUX選擇上。LINUX近年來並沒有如初期想象的那樣奪取更大的MICROSOFT OS市場份額。 在高端伺服器CPU上，INTEL Itanium使用開放的體系，比起基於RISC伺服器來，從作業系統到應用軟體都更能得到豐富的支援，且擴充性、操作性也相對更好，對一般企業來說更具實用性。伺服器的大廠商HP/Compaq、IBM都紛紛跳上了Itanium快車，許多廠商也都會逐漸把處理器領域讓給Intel，然後專注於自己的核心技術領域諸如核心的軟硬體系統架構與解決方案。在高端伺服器CPU領域，將可能再次體現“一兩家獨大”的遊戲規則。在這個萓h大廠商都無力招架、紛紛退出的時候，高端伺服器CPU就更不是我們需要發展的了。 二、開發CPU的知識{權障礙和困難 我個人認d，知識{權障礙和困難是一個更嚴重的障礙和困難。世界上有許多著名大公司諸如IBM，MOTOROLA，HP等都有能力設計一流的x86架構CPU及其x86架構相容的CPU確(IBM，MOTOROLA本身已有它們自己的一流的非x86架構CPU)。有這l大的全球市場，有技術設計能力，有CPU研發經驗，又有龐大的全球的營銷網路，d什l它們不去發展x86架構CPU?顯然，這不是技術能力問題。是知識{權障礙和困難和市場壟斷問題。 縱觀INTEL等的發展史，其侵權官司不斷。毫無疑問，知識{權是需要得到尊重和保護。INTEL等老牌CPU廠家，由於早期的市場進入和主導，申請和獲得了不少專利。正如倪光南院士在“NC和自主知識{權CPU”(2002-6-4，中國高新技術{業導報)文中所說，“想繞過INTEL的專利非常難的”。更重要的是，其壟斷了的市場使其獲得了普遍推行的非標準化的廠方標準。一般的大中型公司都無法承受敗訴的後果，起步的或小公司更無從談起。而INTEL有一支極d龐大的非常有經驗的專職律師隊伍，極其深厚的錢口袋，廣泛的專利持有，在其設有大工廠的州市控告侵權，使其佔有非常有利的地位。打官司所用的天文數字的律師費用使得許多大中型公司，不管是否有理，都無法承受(中小企業絕對免談)。類似案例泛泛可見，像諸如MICROSOFT VS AOL/NETSCAPE等。 三、開發CPU的INTEL/AMD市場壟斷的障礙和困難 我個人認d，這是一個最嚴重的障礙和困難。INTEL和AMD已形成對x86架構CPU市場壟斷。高新科技{品在市場上嚴格奉行著“先入d主”、“一兩家獨大”的遊戲規則。爭奪市場必須搶佔先機，並且在經過激烈地競爭後，最終將僅有最大一兩家公司分享整個市場的絕大部分。如微軟的DOS作業系統就是通過在早期捆綁IBM電腦出售，而迅速佔領了市場，建立了不可撼動的地位。而在PC類CPU領域中，Intel和AMD就分享了幾乎所有的市場，就連通過兩次購並在1999年進入CPU市場，在業界排行第三的威盛，也僅能分到小於2%的全球市場份額。品排的認知度和用戶的可接受性是對任何一個新{品的挑戰。在全球經濟全球化的過程中，認d光中國的CPU市場就足夠大的想法(以消化我們自己的CPU)，或以行政干預的手段(相信是有悖於WTO條款的)是非常的幼稚。 打破CPU壟斷的難度有多大可從OS的LINUX VS MICROSOFT看出。LINUX有全球的支援(VS單一國家的小部分用戶支援)。全球開發LINUX沒有像在中國開發通用CPU的技術基礎障礙和困難。全球開發LINUX沒有像開發CPU的知識{權障礙和困難。但是在10餘年之後，在許多雄厚的商界的支援下，甚至政府部門的行政干預下，LINUX仍然有待脫穎而出。可見打破壟斷之艱難。 四、聯合威盛，快速的共同發展我們自己的嵌入式“中國芯/CPU” 資訊時代中，人們需要無處不在的連接和無處不能的資訊獲取能力，對於資訊設備的需求遠遠超過了對PC的需求。我國目前PC年增長率只有30%左右，而網民的年增長率卻達到了200%左右。網路第一次給予了大多數人能夠在同一時間獲得同樣的資訊的可能，消弭了人們在資訊獲取上速度的不平等。d進一步提高資訊化程度，跨越隨之而來的“數位鴻溝”，市場迫切需求多方位、低廉的資訊設備，現在手機、PDA、機頂盒，NC(網路電腦)等{品有著廣闊的市場，作d這些資訊設備核心的嵌入式CPU，在如今顯得彌足重要。 嵌入式CPU領域的現狀與其他領域的“獨大”局面不同，相對來說它呈現的是一個百家爭鳴的景象。因d資訊設備的種類繁多，且每類中的{品也是層出不窮，該類市場現在仍處於迅速擴張的初期階段，無法象PC和伺服器領域一樣形成大公司壟斷的局面。嵌入式CPU的軟體現階段也沒有被少數公司所壟斷的，作業系統方面，我們可以選擇內核開放的Linux。在這個仍處於混戰狀態的嵌入式CPU領域中，歷史第一次給予了我們發展建立自己的標準、建立核心優勢、實現跳躍式發展的極好機遇。在IT業中，沒有什l比“標準”和“晶片”這兩個詞更有含金量的了。如PC領域中，Intel和微軟就掌握了整個{業鏈80%的紅利。在資訊設備領域中，我們擁有世界上最有潛力的消費群市場，如在2001年，我國已超過了美國，成長d全球最大的手機市場。我們還有龐大的IT生{基地。我們完全可以結合自己的市場優勢，發展有自主知識{權的嵌入式CPU，並利用在國內的渠道優勢，用市場推動標準的建立，跳躍性地進入到這個高回報率的領域中來。 一般來說，發展高科技{品可以走自主開發或合作開發兩條路線。一切從零開始的自主開發，普遍認d是不太現實的，市場也不會等待，並且有悖於“創新”和“速度”高科技{品佔領市場不二的法寶，要希望在嵌入式CPU這樣的新興領域中建立自己的標準，就必須選擇一條快速發展的道路。另一條路線就是選擇一個在技術上已處於優勢的合作夥伴共同開發，這樣可以利用現成的技術，快速地提升自己的技術水平和儘早地研製出自己的{品，這不失d一條適合我國發展自主知識{權CPU的道路。有前車之鑒，我們國家的大部分的新興{業都是這樣發展起來的。如果沒有引入外國的技術，很難想象我們今日的汽車工業，化學工業，IT{業，等。 選擇合適的合作夥伴是成功的關鍵。在嵌入式CPU領域中，掌握嵌入式CPU核心技術的公司有Transmeta、威盛(VIA)、ARM和MIPS等。其中ARM、MIPS的CPU採用全新的架構，與這類的公司合作，意味著軟體系統也將受其專利技術的限制。而威盛、Transmeta的CPU採用的是x86或相容的架構，可以很方便地利用現成流行的作業系統和應用軟體，在技術少了一道發展的屏障。 同dx86或相容的CPU架構，威盛、Transmeta的CPU卻要比Intel、AMD等公司的CPU更小巧、更低能耗、更低散熱，更低電壓、這是因d在CPU設計思想上秉承了兩種不同的路線。 Intel等廠商的設計路線，是將CPU設計朝著解碼/執行電路密集化、複雜化的方式邁進，每顆CPU電路設計上，盡可能擠下更多的電晶體，來設計更多的解碼/執行管線，並且去實現一些來自於微處理器理論級的複雜技術，像是SuperScalar超純量架構非循序/非順序執行(Out of order Execution)、暫存器動態命名等技術等，不但增加日後除錯的困難度與耗電量，電晶體數量成倍增長，而總執行效能增效甚微或無。 從市場的發展趨勢看，現在應是改變一味強調CPU不斷升級的時候了，各種BENCHMARK也指出，瓶頸問題不再是CPU的絕對時鐘速度，而是內外部連接。提高一倍的時鐘速度可能才提高10%幾的總的執行效能。威盛提出的“Total Connectivity”是對這個問題的全面解決方案。資訊時代強調的是全方位的連接和應用，如何設計CPU使其能更好地應用於各種資訊設備中，這才是CPU發展的方向。順應資訊時代市場需要大量小巧、輕便的資訊設備的趨勢，威盛、Transmeta的設計路線則是致力於打破以往的『越來越複雜』電路設計的概念，秉持著一個『小巧、簡單』的原則，整個CPU的設計也走向環保、低耗電與效能/電晶體的平衡性去努力。在同樣時效的{品中，因電晶體數少，所以晶片面積小，耗電量、表面散熱量也小。以同時鐘速度600MHz的VIA C3與Celeron相比，C3在1.5V模式操作下耗電量才4.46瓦，比Celeron的5.8瓦耗電量低了23%，就連700MHz時鐘速度VIA C3 1.5V(Samuel2)的5.11瓦耗電量，都比Celeron的600MHz還低，由此可以見到這個全新制程、新核心VIA C3的節電能力了。 發展自主知識{權的CPU還應考慮到本國製造業的發展現狀，現在我國仍無0.18微米制程的晶片生產線，而嵌入式CPU的精簡化設計，使其可以在較低的制程上製造出符合市場的小面積晶片，這將全面帶動我國半導體{業的全面發展。 在萓h擁有嵌入式或通用CPU技術的公司中，除中國人擁有的威盛外全都是非“中國芯/CPU”的國外公司。在與國外公司合作開發CPU上會面臨著種種限制，和最終的關鍵技術很可能不會向我們開放，此外還必須消除橫亙在合作者之間的技術壁壘和政治壁壘。在全方位的考量中，威盛可以是一個能很好地解決這兩道屏障的合作夥伴。作d一個中國人的企業，威盛在業界取得了驕人的業績，2001年晶片設計業中全球排名第四，萓h的自主知識{權和授權(包括CPU和其他領域)，使威盛能夠敢於向Intel說“不”，Intel對威盛的訴訟使屢訴屢敗，而威盛卻能越戰越勇。技術壁壘在威盛面前是幾乎不存在的。威盛在多個國家包括美國(加州，德克州)，德國，英國，等建立了研究中心，大陸地區的研究中心(建於北京、上海、杭州，蘇州，和深圳)則是威盛的今後戰略重點。威盛在若干關鍵領域上在全球處於領導地位，包括全球市場的晶片組(CHIPSET)的領袖地位，在全球市場前幾名的C3 CPU和圖形晶片。因本地化的優勢，共同的中國文化傳統，威盛的在若干關鍵領域上的全球領導地位，和威盛的基於中國的長遠戰略定位，合作將會更加的充分和快捷。政府大力投入{出支援，選擇威盛作d合作夥伴，將能夠更快、更強地跨入到嵌入式CPU的領域，打造我國自主知識{權的“中國芯”而迅速地獲取一片市場。 五、重視IC教育和培訓，全面發展IC{業 孤掌難鳴，單獨發展CPU或嵌入式CPU不足以也不可能帶動整個{業。我們現在還應當把重頭和精力放在我們有能力研發的中低端IC{品上。以充分利用我們現階段的有限的資源。 d保證{業的持續高速發展，國家應使用各種手段大力鼓勵不同途徑的IC教育和培訓，尤其是鼓勵工業界和學校聯合運作教育和培訓專案。要打破條條框框，不管是“黑白貓還是黑貓”，不管是官辦、民辦、大學辦、企業辦、國內資金辦、外資辦，只要能培養出合格的急需的IC設計人才就是“好貓”。威盛電子有巨大的誠意願意在這個領域做出認真的實質性投入，急國家和企業所需，來培養有用的國家和企業急需人才。國家的政策性支援至關重要。