全定制方法，可以为华为“时间换空间”？

全定制方法，可以为华为“时间换空间”？

• 来源:网络
• 更新日期:2020-07-13

摘要：反脆弱倡导者的塔勒布认为，缺乏创新精神，是因为面对的麻烦不够多。在贸易战、科技战的背景下，高科技产业链的断裂似乎近在眼前，麻烦眼看越来越多，该如何创新？华为这一国家电子工业

反脆弱倡导者的塔勒布认为，缺乏创新精神，是因为面对的麻烦不够多。在贸易战、科技战的背景下，高科技产业链的断裂似乎近在眼前，麻烦眼看越来越多，该如何创新？华为这一国家电子工业的脊梁被硬性规定直接不让流片，如果进一步延伸让国内 IC 设计厂商都要经过美批准甚至不让流片，又如何构建 Plan B 应对 ?

尽管业界迅速凝聚了政策、资本、人才加码，以开放合作的态度来夯实薄弱的 EDA、设备、材料等共识，但在后摩尔时代和多芯片封装集成的加持下，是否仍有新的路径，能在 以时间换空间 的对决中赢得更多的筹码？

对于驰骋于矿机芯片江湖的深圳比特微电子科技有限公司董事长兼总经理杨作兴来说，他笃定认为，定制设计方法学可提供不同的路径，它的利好在于采用落后工艺亦可实现先进工艺的性能，从而在 ASML 光刻机受制于人的局面之下为国内产业链的自主赢得更多的时间。

为何能有这样的底气？从全定制方法一路来的 进化 或可一窥端倪。

进化至第四重

而全定制方法的缘起，是从十多年前的 DDR PHY 发端的。

杨作兴还清晰地记得，因进度问题，2008 年初次尝试用定制方法学解决 DDR PHY，只花了一个月时间，而原来的负责人花了 7 个月还未成功，第一次尝试即显著提高了设计效率。随后没过几年，杨作兴又在某公司的 RFID 芯片再次应用，跳过传统使用层层状态机的方法，直接写门级逻辑网表，结果在功耗层面优化了五倍，功耗 × 面积优化比例达到了 11 倍。经此两役之后，杨作兴更有信心了。

机会再次来临，2014 年杨作兴在区块链服务器芯片再试身手，除了采用手写门级网表外，杨作兴发现 EDA 工具自动摆放的逻辑单元，面积利用率低，运算逻辑速度不够，毛刺功耗占比很大，于是进一步将全定制方法锁定在手动摆放逻辑单元层面，进而将利用率做到了接近 90%，由此亦将全定制方法学推向了一个新的阶段：手动摆放逻辑单元。

在比特币兴起的时代，全定制方法又再次进化。通过杨作兴在比特大陆前身制造了 S7 芯片以及后续比特大陆 S9 芯片的光辉业绩，再次验证了全定制设计方法学将芯片算力提高 56%、功耗减少 50% 的强大威力。杨作兴也一鼓作气，于 2016 年 7 月中成立了比特微，全力继续探索全定制设计方法学。

有了资本和团队，杨作兴的定制方法学开始大展身手。杨作兴提及，为了竞争，比特微第一款芯片 BT1000 做了更深度的定制，从加法器优化，到组合逻辑结构优化，再到逻辑单元利用率等方面都做了大幅度优化，深度定制了关键逻辑单元。而进展也有如神助，从 2018 年 M10 芯片的十几种定制逻辑单元，到 2019 年 1 月 M20 芯片的 30 多种定制逻辑单元，接着又到 7 月流片的 M30 的 100 多种定制逻辑单元，2020 年 7 月流片的 M50 芯片已是 旧貌换新颜 ——全是定制逻辑单元。

而在定制优化逻辑单元取得跃进之后，三星为比特微的 M50 定制的新工艺，更标志着全定制方法学迈入又一个新的阶段：定制工艺。

在多年的洗礼之后，全定制方法学也走在了持续进化的大道上。杨作兴总结了定制方法学的重大突破：从台积电到三星的工艺迁移，解决了很多定制方法学底层工艺的问题。以往三星工艺三极管阈值大范围变动，对性能有影响。经过迭代，了解工艺偏差的规律，将其引入到设计方法学中，在设计阶段就考虑这一情况，让设计更加鲁棒。同时按照漏电和频率分别分类，最后分为 324 档矩阵，设计更加灵活。与三星合作定制的 8nm 全新工艺，兼顾了低成本和低功耗，显著实现了平衡。同时，定制逻辑单元从最初的十几个扩展到几百个，未来逻辑单元将实现全定制化。此外，在被诟病的效率比传统方法趋低的方面，通过不断的实践与完善，无论是布局还是通过脚本生成代码等，都已提升到原来的 7 倍左右，大为改观。

在与时间的赛跑中、在一次次的闯关中，全定制方法在进化的同时亦迎来了新的契机。

新的契机

正所谓时势造英雄，当半导体业处在中美科技战的对抗最前沿，全定制方法有没有可能成为突破堡垒的新 武器 ？

来看美国一招狠过一招的诛芯术，2020 年 5 月 15 日美国对华为的新禁令让海思的芯片设计成为无源之水，实现了对华为海思的全面封锁。杨作兴高度判断，美国对华为的芯片封锁，不是伊朗问题，不是军事相关问题，也不是国家安全和意识形态问题，而是谁让美国感到威胁，美国就要遏制谁的问题。这也意味着美国对中国的半导体封锁是不可调和的，除非我国放弃发展高科技。

除了常规路径奋起取长补短之外，全定制方法学可以用来反制美国的打压。 杨作兴详细解说，与现有业界通常采用的设计方法学相比，全定制方法通过在门级网表、逻辑单元定制、手动布局和工艺定制方面的优化，在同样工艺下可以实现 1 个数量级性能的提升。这意味着采用这套方法学，可在 14nm 工艺上实现普通方法学在 7nm 上的性能。对目前先进工艺所需 EUV 光刻机被禁运的情况下，全定制方法学能为国内半导体设备的自主化定制化赢得时间，意义尤其重大。

反观国内的重重危机，芯片设计上华为依然需要 ARM 等公司在芯片架构上的授权；芯片生产上，中芯国际仍然绕不开荷兰 ASML 的光刻机。而在芯片设计环节，EDA 等设计软件也存在严重垄断。全球做 EDA 的厂商有六七十家，Synopsys、Cadence 及 Mentor 三家公司垄断了国内 95%、全球 65% 的市场份额。

显然，走向自主之路道阻且长。对全定制方法寄予厚望的杨作兴强调，全定制方法学已走到工艺定制阶段，下一步将走向设备、材料等高阶定制等等，而这一流程可不受国外技术封锁的限制。同时，这将有利于形成自己的一套设计工具链。更重要的是，能够争取更长的时间让国内的光刻机等发展起来，只要有应用的需求，定将走向成功。

正如某业界人士所言，以日本为视角，我国半导体产业对抗美国的核心思路就是：拉长战线。把美国引入全产业链的对抗当中，让美国发现，限制华为，让中国半导体产业在领域 B 又有了发展，再去限制 B，又会有 C 快速发展。而不是直接和美国硬碰硬制裁某些美国科技公司，要在周旋与迂回中不断解锁，步步突围。

打造全工具链

在摸爬滚打多年之后，如今的全定制方法走过了手动门级网表的第一阶段，手动摆放逻辑单元的第二阶段，在定制逻辑单元和定制工艺的第三和第四阶段业已全线开通。未来全定制方法学又将如何纵深挺进呢？

杨作兴提出了自已的看法，即定制半导体设备和定制半导体材料是定制方法学的第五和第六阶段，直到最后形成全定制方法的 IDM 模式，这是一个宏大的愿景，就需要庞大的投入和相当长的时间周期。

在纵向的路径探索上，全定制方法走得稳健而扎实。但问题也很突出，即如何将其横向拓展至更广泛的芯片领域？

毕竟，依靠全定制方法学，我国在矿机芯片这一高效能计算领域已处于全球领先地位，也验证全定制方法学的 精髓 所在：即可实现低功耗、低成本。2019 年比特微创造了 41 亿元的收入，2020 年上半年在疫情、市场行情及其不利的情况下，依然实现了 17 亿元的销售收入，成为践行全定制方法实力的有力 佐证 。

杨作兴提出了自已的期望，即全定制方法将在 AI、物联网等对功耗和成本有极致需求的领域扩展。而且随着定制脚本和工具的完善，将逐渐降低设计者的门槛，而定制的领域将会逐步扩大到监控 SoC、手机 SoC 和服务器芯片等领域。他乐观估计，预计 10-20 年左右的时间，定制和普通的 APR（自动布局布线）方法，将在设计界平分秋色。

十年、二十年看起来依然遥远。 最难的事是让业界认可全定制方法可以应用在矿机芯片领域之外，这需要先行者‘吃螃蟹’来证明这是行得通的。我也期望华为海思、紫光展锐之类的设计巨头和业界内仁能加入进来，采用全定制方法来开发自已的门级网表、逻辑单元等，这一定会普惠的。杨作兴的话中藏着殷切的期望。

在这一被 接纳 的过程中，他也坦言，全定制方法一方面要全链条走通，从定制化脚本到工具再将工艺直至设备材料，这的确还需要时间；另一方面，定制其实就是因地制宜、量体裁衣、因材施教，面向不同应用领域，芯片底层的库都是一样的，只是功能更加复杂，而定制方法化可通过左右 护法 来实现，一是门级网表、逻辑单元等的自动化，将不断提升效率。二是层次化管理，从底层的三极管到加法器乘法器，再到功能单元如编码解码等，从底层逐步定制化和硬化，像搭积木一样解决复杂芯片的设计规模问题。

持久战的打法

面对波谲云诡的形势，除了要在全定制方法学上 以正合，以奇胜 之外，也要充分意识到，中美科技之战是一场备受关注的世界大战，亦是改变世界产业格局的博弈大战。

这注定了既是资本战、市场战，又是人才战，也是持久战。杨作兴分析，美国对我国芯片产业的封锁是一个长期的过程，我国的反封锁也需要作持久的打算，参照《论持久战》中的三个阶段，即防御、相持和反攻。

杨作兴具体剖析到，在防御阶段需要低调、隐忍、降低损失，为自主研发赢得时间，这一时间大致需要 3 年，要加强在半导体设备、材料、制造和 EDA 四个领域加大自主研发的力度，以当前的量产设备为目标，进行跟随模仿。

从具体思路来看，杨作兴认为，防御阶段需要在 5 个比较薄弱的半导体产业环节涉及设备、材料、工艺、EDA 和 IP 成立 5 个国家级重点实验室，解决上述环节的基础研究问题。同时，在这些比较薄弱的产业环节前 3-5 名的企业设立企业研究中心，国家成立半导体产业工作组为 5 个国家级重点实验室和企业研究中心提供支持。

到了相持阶段，这个阶段的特点是各有所长、你追我赶。 这个阶段大概需要 5 年的时间。 杨作兴认为这个阶段的进入点应是在国内企业的销售额占据全球的 10% 左右。在这一阶段，政府需要在知识产权和贸易制裁方面对企业进行一定的保护，同时企业需要开始创新性研究，走差异化的芯片设计和工艺设计路线。

而当国内企业的销售额超过全球的 20%，就意味着开始进入反攻阶段，这可能需要 10 年时间。杨作兴直言，此时国内企业开始引领行业，担当行业开拓者，那时更要有开放的心态，允许和鼓励竞争，这样才能跑得更快。

在历史周期转型和切换的关口，带来的将是难以避免的牵动和旧秩序的碎裂声。在百年未有之变局面前，在时代的机遇面前，全定制方法还需要多久迎来自已的 分庭抗礼 ？

（校对 / 范蓉）