科技巨頭跨界造芯，已經(jīng)不是什么新鮮事。
芯東西 9 月 2 日報道，據(jù)日經(jīng)亞洲援引三位知情人士消息稱，谷歌計劃在 2023 年左右推出搭載谷歌 Chrome 操作系統(tǒng)的筆記本和平板電腦 CPU。
而就在前不久，谷歌公布其首款自研智能手機處理器 Tensor。看起來，谷歌正在走一條與蘋果極為相似的路，從自家的手機到平板和筆記本，通通搭載起自主設(shè)計的 SoC 芯片。
自 2010 年以來，“造芯”已經(jīng)不再是芯片公司的專場。無論是美國的蘋果、谷歌、微軟、特斯拉、Facebook、亞馬遜，還是我國的百度、阿里、小米、vivo，都已經(jīng)官宣跨界布局芯片設(shè)計，騰訊和字節(jié)跳動也被發(fā)現(xiàn)在招芯片相關(guān)崗位。
科技巨頭紛紛造芯背后的推力，有這些企業(yè)自身的需求，亦有芯片設(shè)計悄然的變局。
▲ 自 2010 年以來跨界造芯的科技巨頭公布的自研芯片
01. 科技巨頭自研芯片圖什么？
與擁有數(shù)十年芯片研發(fā)歷程的華為、三星不同，在 2010 年前，許多科技巨頭都是芯片設(shè)計界的門外漢。
蘋果雖然在上世紀 90 年代前后嘗試過一個名為“水瓶座”的芯片項目，但該項目在燒光數(shù)千萬美元后黯然落幕，蘋果自研芯片計劃也就此戛然而止，直到 2010 年 A4 芯片問世，蘋果才算正式成為一家“芯片公司”。
對于頭部科技公司來說，直接采購芯片公司的產(chǎn)品省時省力。手機芯片有高通聯(lián)發(fā)科，CPU 有英特爾 AMD，GPU 有英偉達 AMD，F(xiàn)PGA 有賽靈思英特爾，這些公司都是歷經(jīng)激烈競爭笑到最后的佼佼者，他們的產(chǎn)品代表了業(yè)界頂尖水平。
在這樣的背景下，科技巨頭何必涉足毫無經(jīng)驗的芯片設(shè)計，給自己“徒增麻煩”呢？
這來自應(yīng)用端的需求之變。當科技巨頭開始追求更卓越的產(chǎn)品表現(xiàn)，標準化的芯片未必能帶來最強大的性能。而自主研發(fā)，就能從硬件層面開始，完全按自身需求量身定制芯片功能，實現(xiàn)自家軟硬件緊密結(jié)合，從而打造出最好的產(chǎn)品。
蘋果前三代 iPhone 芯片業(yè)務(wù)都被外包給了三星，但芯片性能一直不達預(yù)期，促使蘋果加速組建自己的芯片設(shè)計團隊。谷歌開發(fā)云端專用 AI 芯片 TPU，也是因為當時 CPU 很難滿足自家越來越多應(yīng)用對加速 AI 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算的需求。
“對于未來基礎(chǔ)設(shè)施的多樣化要求，傳統(tǒng)上那種放之四海而皆準的解決方案已經(jīng)不再適用。”Arm 基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部全球高級總監(jiān)鄒挺在近日接受媒體采訪時，談到對互聯(lián)網(wǎng)大廠自研芯片的看法。
自研芯片的另一個好處，就是省錢。
雖然短期內(nèi)組建團隊和投入研發(fā)耗資不菲，但從長遠來看，自家跑通的芯片總歸要比市面上的芯片定價便宜。除此之外，這些科技巨頭自主研發(fā)的 CPU、專用 AI 芯片等產(chǎn)品，往往擁有比市面通用芯片更小的占用面積、更低的功耗。
每顆芯片節(jié)省的成本、面積或許不起眼，然而無論是數(shù)據(jù)中心服務(wù)器還是終端產(chǎn)品，當其規(guī)模大到足夠數(shù)量級，將會帶來可觀的經(jīng)濟利益。
還有一重原因，科技巨頭苦芯片供應(yīng)商久矣。
芯片是電子設(shè)備的“大腦”，如果芯片廠商的產(chǎn)品出了問題，或者產(chǎn)能延期，那么購買該芯片的科技公司產(chǎn)品質(zhì)量及上市進度就會受到影響。自研芯片，則能擺脫這一束縛。
當其他手機廠商還在排隊等高通旗艦芯片，當全球缺芯潮影響至移動設(shè)備供應(yīng)，作為臺積電第一大客戶的蘋果，手握著一眾芯片供應(yīng)商的優(yōu)先供應(yīng)權(quán)，在遍地唉聲的缺芯潮中顯得游刃有余。
在上個月蘋果 Q3 財報會議上，蘋果 CEO 庫克還“凡爾賽”一把，說蘋果不缺高性能處理器，缺的是顯示驅(qū)動芯片、音頻解碼芯片等執(zhí)行日常功能的芯片。這句話的潛臺詞就是，蘋果自研芯片不愁先進制程產(chǎn)能，相對擔心從第三方采購成熟制程芯片。
類似的，云服務(wù)商和大型互聯(lián)網(wǎng)公司如果自主研發(fā)出滿足需求的服務(wù)器 CPU、專用 AI 芯片，則可以實現(xiàn)產(chǎn)品供應(yīng)鏈更為可控，英特爾、英偉達等公司的芯片也不再是唯一的最佳選擇。
總體來說，通過自研芯片，科技巨頭能帶給客戶更好的產(chǎn)品或服務(wù)體驗，大幅節(jié)約整體成本，并提高了自身抗風險的能力。
各家科技巨頭紛紛能研發(fā)出芯片，離不開科技巨頭的固有優(yōu)勢，以及芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)上游的幾處關(guān)鍵變化。
02. 芯片人才從哪里來？
芯片是一件燒錢快、周期長、風險高的行業(yè)。而科技巨頭們最不缺的，就是錢、產(chǎn)品和耐心。
財力雄厚的科技巨頭們，使出了各種廣納芯片人才的招數(shù)，包括并購芯片公司、從芯片公司挖人以及掛出極具吸引力的招聘崗位待遇。
以蘋果為例，從 2008 年到 2013 年，蘋果先后收購高性能低功耗芯片設(shè)計公司 P.A.Semi、Arm 芯片設(shè)計廠商 Intrinsity、以色列閃存控制器設(shè)計公司 Anobit、擅長低功耗無線通訊芯片的加州 Passif 半導(dǎo)體公司。2019 年，它又以 10 億美元將英特爾基帶芯片業(yè)務(wù)收入麾下。
此外，亞馬遜在 2015 年以 3.5 億美元收購芯片設(shè)計商 Annapurna Labs，阿里巴巴在 2018 年宣布收購我國自主嵌入式 CPU IP 核公司中天微，谷歌今年收購了一家開發(fā)用于機器學(xué)習(xí)的片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）系統(tǒng)的創(chuàng)企 Provino Technologies。
這些被收購公司的技術(shù)，已經(jīng)或即將融入到科技巨頭們最新研發(fā)的芯片中。
▲ 科技巨頭的部分自研芯片類型
與此同時，科技巨頭們也在大肆挖人和招聘。
就拿最近造芯勢頭正猛的谷歌來說，2017 年，谷歌曾從蘋果挖角多位芯片業(yè)大佬，比如前蘋果 SoC 芯片架構(gòu)師 Manu Gulati、蘋果芯片專家 John Bruno、Wonjae Choi 和 Tayo Fadelu，谷歌還挖來了高通芯片工程師 Mainak Biswas、Vinod Chamarty 和 Shamik Ganguly 等人。
2019 年，路透社爆料谷歌在印度班加羅爾至少招募了 16 名技術(shù)老兵，致力于自研智能手機和數(shù)據(jù)中心芯片，還有 4 名招聘人員專門從英特爾、高通、博通和英偉達等傳統(tǒng)芯片公司挖人才。今年 3 月，谷歌宣布已聘請英特爾長期高管烏里?弗蘭克為副總裁來運營其定制芯片部門。
此前特斯拉、騰訊、字節(jié)跳動被推測有新的造芯動向，也源自這些公司在其招聘官網(wǎng)上發(fā)布多個與芯片相關(guān)的工程師崗位信息。
今年特斯拉的自研云端 AI 訓(xùn)練芯片已正式發(fā)布。對于自研芯片傳聞，字節(jié)跳動回應(yīng)稱在組建相關(guān)團隊、在 AI 芯片領(lǐng)域做一些探索；騰訊回應(yīng)稱招聘相關(guān)人才主要是為了在某個特定領(lǐng)域研發(fā)芯片，而不是為了突破通用芯片的壁壘。
03. 科技巨頭的造芯底氣：站在指令集架構(gòu)與 EDA 工具的肩膀上
在科技巨頭紛紛涌向芯片設(shè)計領(lǐng)域的背后，芯片產(chǎn)業(yè)上游的技術(shù)迭代正扮演著關(guān)鍵推手。
一顆 SoC 芯片的布局有點像拼圖，由很多不同功能不同類型的模塊拼貼組合。比如蘋果 M1 芯片中，CPU 核、GPU 核、電源管理芯片、圖形處理器、顯示引擎、AI 加速器等等集成在一起。
芯片 IP 供應(yīng)商們將積累的芯片設(shè)計經(jīng)驗固化，形成可復(fù)制的標準化模塊，即 IP 核。
科技巨頭也許只想對其中某些特定模塊進行優(yōu)化，那么其他模塊的 IP 核可以直接從第三方采購，就能做出復(fù)雜的 SoC 芯片。
當 IP 供應(yīng)商研發(fā)的 IP 產(chǎn)品性能愈發(fā)爐火純青，設(shè)計一顆芯片的難度已經(jīng)遠小于以往。
尤其在 CPU 領(lǐng)域，近年來，Arm 和 RISC-V 兩大指令集架構(gòu)不再滿足于在手機和物聯(lián)網(wǎng)終端賦能，而開始向電腦 CPU 和服務(wù)器 CPU 發(fā)起進攻。
即便是芯片設(shè)計實力已經(jīng)錘煉到世界頂尖的蘋果，亦在其各種自研 SoC 的 CPU 核中采用 Arm 的指令集架構(gòu)。亞馬遜則在其自研服務(wù)器 CPU 中采用 Arm 提供的公版架構(gòu) Arm Neoverse N1。國內(nèi)云服務(wù)廠商也在同 Arm 展開基于 Neoverse 平臺的合作。尚未得到官方證實的微軟自研服務(wù)器 CPU、谷歌自研電腦 CPU 預(yù)計也將采用 Arm 架構(gòu)。
阿里平頭哥則是國內(nèi) RISC-V 領(lǐng)域的代表玩家，不僅基于 RISC-V 研發(fā)了高性能處理器 IP 核玄鐵系列，還推出擁有 MCU、AI 等多類加速 IP 的一站式芯片設(shè)計平臺無劍。這些使得芯片設(shè)計變得更容易，研發(fā)周期和開發(fā)成本也進一步降低，許多國內(nèi)芯片公司已推出基于玄鐵 IP 的芯片產(chǎn)品。
據(jù) Semiwiki 報道，2020 年半導(dǎo)體芯片設(shè)計 IP 銷售額同比增長 16.7%，是自 2000 年以來最好的增長年份，其中 Arm 穩(wěn)坐龍頭，市場份額占逾 40%，第二、三名分別是新思科技（Synopsys）和楷登電子（Cadence），這兩家分別是全球 EDA 領(lǐng)域的老大和老二。
▲ 2020 年芯片設(shè)計 IP 市場份額（來源：Semiwiki）
被譽為“芯片之母”的 EDA，是設(shè)計芯片所需的軟件工具，亦是提升芯片設(shè)計效率的主心骨。
近幾年來，EDA 領(lǐng)域逐漸呈現(xiàn) EDA 上云、智能化等趨勢。例如去年 Synopsys 推出業(yè)界首個用于芯片設(shè)計的自主 AI 應(yīng)用程序 DSO.ai，能迅速找到芯片設(shè)計流程中的最優(yōu)解，把原本需多位設(shè)計專家耗時 1 個多月才能完成的設(shè)計時長縮短至 3 天。
不久之前，Cadence 推出了一款完全基于機器學(xué)習(xí)的智能芯片設(shè)計工具，實現(xiàn)了 10 倍生產(chǎn)效率提升和 20% 的 PPA（功耗、性能、面積）提升，并且減少了設(shè)計所需工程量。
谷歌用 AI 取代人類芯片專家、6 小時完成快速芯片布圖布局的研究，在今年 6 月登上了國際學(xué)術(shù)頂刊 Nature，該方法已經(jīng)被用在設(shè)計第五代谷歌專用 AI 芯片 TPU 中，玩起“用 AI 設(shè)計 AI 芯片加速 AI 計算設(shè)計 AI 芯片……”的循環(huán)。
越來越豐富的 IP 核和更加好用的 EDA 工具，不僅降低了芯片設(shè)計的準入門檻，也為研發(fā)團隊節(jié)約了更多時間和人力成本。
芯片開發(fā)正變得愈發(fā)容易，但挑戰(zhàn)依然存在。
04. 挑戰(zhàn)：與芯片巨頭競爭有限產(chǎn)能
科技巨頭所謂的“造芯”，僅局限于芯片設(shè)計環(huán)節(jié)，實力強如蘋果，也要仰仗全球最大芯片代工商臺積電來為它生產(chǎn)芯片。
要沖向更高的性能，不僅需要出色的設(shè)計，也離不開能在同等面積塞進更多晶體管的先進制程工藝技術(shù)。由于全球先進制程賽道的玩家僅剩臺積電、三星、英特爾幾家，英特爾的對外代工業(yè)務(wù)才剛剛開張，先進制程工藝技術(shù)的產(chǎn)能資源相當有限。
選擇自研芯片的科技公司，必然要與英特爾、英偉達、高通等現(xiàn)有頂尖芯片公司爭奪產(chǎn)能。
根據(jù) International Business Strategies（IBS）、貝恩咨詢公司（Bain & Co.）等市場研究機構(gòu)的數(shù)據(jù)，一款 5nm 芯片的設(shè)計成本約為 5 億美元，3nm 芯片的設(shè)計費用約達 5-15 億美元，而采用 28nm 等更成熟生產(chǎn)技術(shù)設(shè)計芯片的成本約為 5000 萬美元。
當然，相比許多小型芯片企業(yè)，科技巨頭顯然“不差錢”，考慮走這條充滿風險的道路，往往是看到更長遠的投資價值。正如前文所言，幾家超大型云服務(wù)商都坐擁大量的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器集群，研發(fā)手機芯片的廠商的出貨量在業(yè)界都是翹楚，當芯片大規(guī)模應(yīng)用，將有望為他們更大的經(jīng)濟回報。
但難點在于，科技巨頭如何說服芯片代工商，在大量的需求面前將其訂單擺在更靠前的位置。
當然啦，蘋果是不必為此擔心的，產(chǎn)能再緊缺，臺積電也會優(yōu)先供給其第一大客戶蘋果。其他科技巨頭則需展示出足夠大的規(guī)模和可持續(xù)發(fā)展的潛力，來說服代工廠商們?yōu)樗琰c排期。
05. 結(jié)語：科技巨頭不斷擴張造芯疆域
這些年，科技巨頭對于定制化芯片這條路，走得更加堅定。
站到移動處理器金字塔頂端的蘋果，已經(jīng)將自研芯片搭載到每條產(chǎn)品線，今年第二代電腦芯片的爆料層出不窮，其收購的英特爾基帶芯片業(yè)務(wù)也蓄勢待發(fā)。根據(jù)天風國際分析師郭明錤發(fā)布的研究報告，蘋果最早預(yù)計從 2023 年發(fā)布的 iPhone 開始搭載自研 5G 基帶芯片。
谷歌亦從起初專注于研發(fā)云端 AI 芯片，擴展至智能手機芯片，以及最新傳聞所提及的電腦 CPU。根據(jù)今年韓媒的爆料，三星電子拿到了谷歌母公司 Alphabet 自動駕駛部門 Waymo 的一個項目，該項目將為下一代自動駕駛汽車研發(fā)計算芯片，不過三星電子未回應(yīng)此事。
在國內(nèi)，百度自研 7nm 昆侖芯片已經(jīng)量產(chǎn)，小米自研 ISP 芯片落地其折疊屏手機，vivo 首款自研獨立 ISP 芯片即將在 9 月 6 日發(fā)布。
總體來看，各家科技巨頭的自研芯片布局主要從公司自身利益出發(fā)，暫時沒有跟專業(yè)芯片公司們搶飯碗的打算。不過隨著這些科技巨頭的芯片團隊實力越來越強大，以后的事情還不好下定論。
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