科技猎华为造芯陷入困局，国产集成电路崛起之机？
图片来源@视觉中国
2019 年 5 月，美国商务部正式将华为列入「实体清单」（Entity List），禁止美国企业向华为出售相关技术和产品。
一年后，华为等来的不是解除限制，而是制裁升级。
今年 5 月，美国商务部工业安全局（BIS）宣布将严格限制华为使用美国的技术、软件来设计和制造半导体芯片。
需要特别指出的是，包括那些处于美国以外，但被列为美国商务部管制清单中的生产设备，如果有公司要为华为海思代工芯片，也需要获得美国政府的许可。
在这项禁令真正落地前，华为有 120 天的缓冲期，对于华为来说，今年 9 月份将迎来「至暗时刻」。
众所周知，芯片是华为各大业务线各种产品的关键组件，称其为华为的「命门」也不为过。
影响华为各大业务线的关键芯片，包含了智能手机 SoC 芯片（麒麟系列）、AI 芯片（昇腾系列）、服务器芯片（鲲鹏系列）、5G 通信芯片（巴龙、天罡系列）以及路由器芯片等等。
这些芯片都是由华为旗下的半导体公司海思负责设计和研发的。
美国此次的限制措施，矛头直指海思，进而威胁到华为的各条产品业务线，这里就包括了华为刚成立不久的智能汽车解决方案事业部。
在汽车之心此前的文章中，我们对华为智能汽车相关芯片进行了梳理，目前其产品主要有构建 MDC 智能驾驶平台的 AI 芯片昇腾以及高性能 CPU 鲲鹏，还有应用在智能座舱层面的 5G 通信芯片巴龙 5000。
芯片作为未来智能汽车最关键的「增量部件」，昇腾、鲲鹏和巴龙的这 3 款芯片，很可能成为决定华为智能汽车业务成败的「胜负手」。
但随着美国对华为的制裁升级，这些「胜负手」反过来变成了「卡脖子」问题。
1. 华为海思还能自行设计芯片吗？
一颗芯片的诞生可谓是在头发丝上建造万丈高楼，包含图纸设计、施工、装修等过程，这些过程分别对应的是芯片的设计、制造以及封装测试。
围绕这些组成部分，已经衍生出了完整的集成电路（IC）产业链。
美方此次矛头对准的华为海思，就是典型的芯片设计厂商，业内称之为 Fabless 模式，只设计不生产。
芯片制造的代表厂商则是台积电（TSMC）、中芯国际（SMIC）这样的企业，采用的是 Foundry 模式，只代工不设计。
而针对芯片的封装测试，国内则以长电科技这样的公司为代表。
至于为何要分而治之，是因为芯片生产的产业链很长，每一个环节都需要投入大量的资金，如果一家企业都要包圆的话，其在资金、人才以及技术方面面临压力将非常大。
美国的德州仪器（TI）是很早崛起的既做芯片设计又有自己的晶圆厂的巨头，其模式被称为 IDM（Integrated Device Manufacture）。
早年，国内的中芯国际也想从 Foundry 向 IDM 模式转型，但是因为当时优秀的芯片设计人才极其短缺，转型的想法最终不了了之。
接下来，我们将结合华为海思自研的与智能汽车业务相关的几款芯片，来看看美方对华为的制裁升级带来了哪些「卡脖子」问题。
1）芯片架构
对于芯片设计来说，非常核心的部分就是架构的打造。架构决定着芯片的性能。
华为海思作为一家芯片设计厂商，目前在 CPU 和 GPU 方面都没有自己的核心架构，需要从 ARM 购买架构授权和 IP 核授权。
- 华为在 2019 年 1 月发布的「鲲鹏 920」，就号称是业界基于 ARM 架构的最高算力芯片。
- 另一款 AI 芯片昇腾 310 虽然采用了华为自研的达芬奇架构（Da Vinci），但是达芬奇架构依然是基于 ARM 核心打造的，只不过华为在其中加入了 AI 加速器以及其他组件，形成了一个新架构。
- 巴龙 5000 通信基带芯片与鲲鹏和昇腾不同，属于网络芯片，采用的是华为自研的架构，不受 ARM 架构授权的影响。
上面仅仅是 3 款芯片的案例，ARM 架构对于华为海思芯片的设计影响深远。
那既然是有求于人，也必将受制于人。
ARM 虽然是英国科技公司，但在很多关键技术上要仰赖于美国。
ARM 在 2012 年通过收购的方式取得了 MIPS 公司的多数专利，这些专利主要分布在处理器设计、SoC 设计以及其他技术领域。
大家知道 MIPS 在通信和高性能计算领域有相当重要的地位，而这是一家美国企业，其研发成果自研归属于美国。另外，ARM 的核心 CPU 架构研发中心放在了美国德克萨斯州的奥斯汀市。
而后 ARM 在 2016 年被日本软银收购，迫于美国的淫威，ARM 也不得不站到华为的对立面。
最近 ARM 停止给华为芯片架构技术授权的消息满天飞，ARM 中国区执行董事长兼 CEO 吴雄昂被免职的「罗生门」也闹得沸沸扬扬。
所发生的一切都指向的是同一个问题：未来没有了 ARM 的技术授权，华为的自研芯片将何去何从？
短期看，华为此前已经拿到了一些 ARM 芯片架构的永久授权，可以不受「断供」影响，比如 ARM v8 架构就永久授权给了华为。
但是，从长远看，ARM 的芯片架构以及 IP 核心都会不断迭代升级的。
一旦 ARM「断供」华为，华为就拿不到最新的芯片架构和内核，也意味着研发不出性能更优的芯片产品。
在讲求不断迭代升级的智能汽车产品上，昇腾、鲲鹏这些芯片如果不能持续提升性能，是没有办法和其他的竞争对手一较高下的。
这对于华为刚刚起步的智能汽车业务发展来说，其实产生了不小的影响，是华为未来不得不面对的困境。
唯一的出路就是自研芯片架构，但这意味着包括时间和资金上巨大的投入，而且还要承担自研架构性能跟不上来的风险。
在华为之前，三星、苹果都自研了芯片架构，但是基本上在性能方面都跟不上 ARM，只能在一些低端产品上采用自家架构的产品，其他产品仍高度依赖于 ARM 的架构。
芯片架构之外，美国对华为新的制裁条款里，还特别提到了对「芯片设计软件」的限制。
2）EDA 软件
华为海思的确有自己设计芯片的能力，但是用于芯片设计的高端软件仍然依赖于海外，这不是华为海思一家的问题，这是所有国产芯片开发企业共同面对的问题。
在 IC 设计的 EDA（Electronic Design Automation）工具领域，目前全球公认的领先企业全部来自美国，Cadence、Synopsys 和 Mentor Graphics 三家企业占据了全球 90% 以上的市场份额，几乎形成了垄断之势。
所以华为海思设计芯片，免不了要向这些美国公司购买软件。当美方严苛的半导体政策制裁来临，华为的 EDA 软件供应成为棘手的问题。
事实上，华为在吸取了 2018 年中兴通讯事件的教训后，已经向这些 EDA 公司购买了软件的长期使用权限，所以在短期内，华为海思还能使用这些工具。
但是和 ARM 架构一样，这些 EDA 软件将会随着芯片性能、工艺制程等改进而不断迭代版本，而这些新版本软件，华为未来有钱也买不到了。
其实 EDA 软件本身的研发难度并没有那么大，很多国产供应商也能顶上。
但是对于应用软件来说，生态打造和用户积累是更为重要的，没有生态和用户，再好用的软件也难以成熟。
国产 EDA 软件们的最大问题就在这里。
当然，EDA 软件的国产化突破是必须要实现的，只是不知道这杆大旗会在华为的推动下被哪家企业接过去。
所以在 EDA 软件上，美方对于华为的限制并不是一击致命的，而是长期的折磨。限制的不是眼前，而是扼杀华为自研芯片的未来潜力。
通过对芯片架构以及芯片设计软件的「断供」，美国对华为海思的芯片设计能力进行了精准打击。
这还不够，特朗普政府还要在芯片制造领域对华为进行「绞杀」，如果华为的芯片制造不出来，设计得再好也不过是一堆废电路图纸。
2. 华为芯片制造的困境
华为最为仰赖的芯片代工厂莫过于台积电了，这家中国台湾企业如今已是全球芯片代工界的一哥，其在全球的市场占有率接近 60%，可谓独孤求败。
今年一季度台积电营收达到 103.06 亿美元，高居全球晶圆代工厂营收榜首。
领先不只体现在市场层面，台积电的芯片制造工艺也是全球领先的，特别是其在 7nm、5nm 甚至更低的工艺制程方面，基本上没有像样的对手。
2019 年，华为给台积电带去了超过 50 亿美元的营收，占台积电当年营收的 14%，华为也成为了台积电的第二大客户，仅次于苹果。
在先进的 5nm 制程工艺代工方面，台积电最大的两个客户是苹果和华为。
可见，台积电对于华为来说，重要性非同一般，反过来，华为也是台积电不能割舍的大客户，二者互相成就。
但是这样互相成就的关系却在今年 5 月被美国的一纸禁令无情打破了，台积电将在不久的将来停止为华为代工芯片，这将形成双输的局面。
台积电虽是总部位于台湾的企业，也未在美国本土建厂，但是其最大股东是美国的资本，所以台积电依然要受美国政府的控制。
抛开资本不谈，台积电的很多芯片制造设备、技术，甚至是制造设备里面的工程材料以及光电器件都来自美国，所以美国政府可以对台积电进行管控，有权决定台积电能为谁代工、不能为谁代工。
对于芯片制造而言，最关键的设备就是光刻机了，而全球能提供光刻机的企业屈指可数，其中就包括了荷兰企业阿斯麦尔（ASML），美国企业应用材料（AMAT）、KLA-Tencor 和 Lam Research 等。
这些企业基本都得受老美的管控，芯片代工企业要向这些公司采购设备，都要看美国政府的脸色。
即使是位于荷兰的全球光刻机一哥 ASML，因为他们的设备里使用了美国工程材料和光电器件生产商 II-VI 和美国光学元件供应商 Lumentum 等供应商的技术，所以也难逃老美的「上帝之手」。
2018 年，中芯国际好不容易从 ASML 采购到一台 EUV 光刻机，被美国频频阻挠至今未能交货，这也反映了国内在先进半导体制造设备上的「造不如买、买不如租」的窘境。
在芯片制造工艺上，目前全球两大主流工艺 FinFET 和 FD-SOI 技术的发明人是美籍华人工程师胡正明教授，毕业于加州伯克利大学，他曾是台积电的首席技术官。
从这点也可以看出，台积电在技术上依赖于美国的程度有多深。
再回过头来看华为智能汽车业务相关的昇腾、鲲鹏和巴龙这 3 款芯片，此前都已经确定台积电作为代工厂。
其中，昇腾 310 采用的是 12nm 制程工艺；鲲鹏 910 采用的是更为先进的 7nm 制程工艺；巴龙 5000 也是 7nm 工艺。
短期内，这三款芯片由台积电代工应该问题不大，因为据台湾《经济日报》报道，华为在 120 天缓冲期之前已紧急对台积电追加高达 7 亿美元订单，产品涵盖 5nm 及 7nm 制程，使得台积电相关产能爆满。
其中，5nm 主要生产华为下一代旗舰手机麒麟 1020 芯片，7nm 则是生产 5G 基带芯片，巴龙 5000 基带芯片大概率还是台积电代工。
而在更早的时候，华为已开始将芯片制造订单从台积电分散，比如在去年原本由台积电代工的 12nm 麒麟 710A 已转由中芯国际 14nm 代工。
芯片代工厂的迁移并没有那么简单，因为每家厂商的制程工艺都是不同的，工艺参数也不相同，这就导致了更换代工厂还要进行相关电路的重新设计，耗时、耗力、耗费资金在所难免。
但这都是要挨过去的阵痛，一旦未来台积电完全不接华为海思的订单，即使华为还能从日韩、欧洲半导体厂商中寻找到机会，也难保有一天不被人牵着鼻子走。
归根结底，华为必须要努力寻求芯片的国产化替代。
3. 华为芯片设计和制造的国产化替代
半导体芯片设计和制造的「国产化替代」其实是老生常谈的话题，中国集成电路产业发展一直都是规模不大、实力不强。
华为现在所遭受的困局，正在为整个国产半导体芯片产业敲响警钟，除了崛起和自强，我们没有其他选择。
但自强又谈何容易，国产的 EDA 软件、芯片制造设备、芯片产品本身，其实都没有太多市场认可度。
除了能够自产自销的华为海思芯片，其他多数国产芯片基本都在低端市场里走不出来。
要么就是价格便宜、性能不行，要么就是性能可以、要价太高，在这种没有形成市场正向循环的大环境下，量上不去，价格压不下来，没有出货和现金流，性能提升又无从谈起，国产芯片的自强进入了死胡同。
随着美国对华为制裁的升级，华为本身也意识到了国产替代的重要性，已经开始加大与国产半导体企业的业务量。
而且，华为也开启了与国内相关企业的协同研发，让他们在自己芯片产品设计和制造的更多环节中参与进去。
这是整个国内集成电路产业生态变化的开始。
针对芯片制造领域，在美国新的禁令发布之前，华为海思已经在将订单转移至中国大陆最大的芯片代工厂中芯国际，主要是 14nm 芯片的生产。
为此，中芯国际在今年 2 月花费高达 6 亿美元向美国 Lam Research 公司采购相关的设备用于生产晶圆。
一个月后，又斥资 11 亿美元向美国应用材料（AMAT）、日本东京电子公司采购设备，同样是为了生产晶圆。
不断地投钱、不断地新增设备，中芯国际的目的就是为了扩大 14nm 芯片的产能。
根据中芯国际联席 CEO 梁孟松此前的规划：「14nm 工艺（包含改进型的 12nm 工艺）芯片月产能将在 2020 年 7 月份达到 9K 晶圆/月，在 12 月达到 15K 晶圆/月。」
产能达标后，中芯国际将转而追求更高标准的芯片工艺，其中 N+1 芯片工艺相当于台积电 7nm 低功耗工艺级别，而 N+2 芯片工艺则有着更高标准的性能提升，相当于台积电 7nm 高性能工艺级别。
这意味着，中芯国际直接越过 10nm 工艺，直接跨代研发 7nm 工艺，预计在 2020 年 Q4 季度面世。
但需要认清的现实是，即便中芯国际真能在今年第四季度量产稳定的 7nm 工艺，其与台积电的之间还存在量产时间差和产能差。
此外，根据今年 6 月 6 日中芯国际发布的声明，称其由于美方禁令的原因，无法为「若干客户」代工芯片。
这里的「若干客户」应该包括了华为，这意味着即使中芯国际掌握了 7nm 工艺，也很可能无法向华为海思提供。
这里面最关键的阻挠应该还是芯片制造关键设备——光刻机进口自美国，中芯国际才会受到限制。
在国产高端光刻机真正造出来之前，恐怕这个问题是个死结。
等到 120 天的缓冲期过去，华为的芯片设计以及制造的供应问题将如何解决，目前还看不到明朗的方案。
国产化替代是必须要走的一条路，也是华为现在能选的最好出路，即使现在仍然荆棘丛生、困难重重。
4. 打造中国智能汽车「大脑」
今天华为在半导体领域所面临的困境，也是未来想做大的中国芯片企业们很可能要经历的。
目前国内很多芯片厂商，很大程度上需要依赖于国外，特别是美国厂商的技术、产品和服务，芯片和计算平台真正走向自主化还有太长的路要走。
大方向是不变的：无论是芯片的设计还是制造，未来都必须形成自主的能力。
即使我们不追求将所有技术和产品都包圆，但也要为自己准备好「备胎」、Plan B。不是每一家芯片公司都能像华为海思一样，背后有华为经济体的支撑，有较强的抗风险能力。
回到华为刚刚组建不久的智能汽车解决方案事业部，经过一年多的发展，这个部门已经取得了很多技术和产品上的进展，特别是在自动驾驶计算平台以及智能座舱的通信平台方面。
但老美的禁令一下，这个刚刚有起色的业务线势必受到影响，芯片如果不能制造出来，也不能进行性能迭代，那华为的智能汽车业务也就失去了立身之基。
从这一点看，华为智能汽车业务的未来发展就此被蒙上了一层阴影。
对于国内诸多智能汽车芯片研发企业来说，无论是初创公司独角兽还是集成电路国家队，华为的困局值得警醒。
芯片在智能汽车中扮演的是「大脑」的角色，如果连「大脑」都不受控制，那中国在智能汽车领域要实现弯道超车以及领先世界又何从谈起？
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