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吳鑫岩:電子行業的困境與出路

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當時蘋果公司內心變得十分矛盾,一下子改換生產廠家又有些不放心。於是,蘋果公司就採用了一種折中方案,讓三星和台積電這兩家公司同時提供芯片。三星公司採用的14納米技術,其芯片比採用16納米技術的台積電芯片小一些。可是,在測試過程中發現,台積電的芯片比三星的芯片更省電。於是,蘋果公司決定放棄了三星公司,把A10芯片的生產全部轉交給了台積電。

最近中興通訊公司遭到了美國商業部的制裁,禁止本國公司與其進行商業往來,此舉對中興造成了毀滅性打擊。由於失去了一大批集成電路的供貨,公司的業務面臨著停擺的危機。從表面來看,中興公司有違反契約的行為,還被美國抓住了把柄。從深層次來看,此事也反映出了中國在集成電路產業的落後狀態。

如果從技術本身來看,中國在電子行業倒是有彎道超車的機會。目前大多數電子產品都是以CPU(中央處理器)為核心的,這種布局有點像蒸汽機時代;那時工廠的中心是一台蒸汽發動機,整個工廠的動力都是由此通過傳動機構來提供的。到了二十世紀初期,電力系統和電動機技術開始成熟和普及,這才出現了工業流水線,從而極大地提高了生產效率。與流水線模式相對應的是GPU(圖形處理器),它由高達幾千個微型處理器(core)組成,可以進行大規模的並行計算,因此在圖像處理方面其效率可以比CPU提高至少一個數量級。不過,GPU並不能取代CPU,前者只適合某些特殊的運算,而後者卻可以應付各種需求。其實,GPU的能耗也是很高的,在便攜式設備中受到了一些限制,用手機玩遊戲的人對此一定深有體會。下一波的發展浪潮是ASIC(專用集成電路)技術,它能把很多功能硬件化,在同等能耗的條件下,其效率可以比GPU可以再提高一個數量級。可以預見,在可穿戴設備和物聯網(IoT)等領域,ASIC技術會大有前途。

如果做個比喻的話,人腦就是由很多ASIC處理器組成的。儘管只消耗20瓦左右的功率,人腦的功能還是相當強大的,因為在處理各種感官信息和體內信息的區域有不同的功能模塊。然而,如果人們使用外語的話,處理母語的ASIC模塊無法發揮效用,只好用位於前葉額的CPU模塊來進行信息處理,結果就變得事倍功半,感覺十分吃力。很多外國人在美國抱怨所謂的「玻璃天花板」問題,其實在很大程度上是我們的語言能力比老美差很多,這在管理崗位是致命的缺陷。除此之外,文化背景的差異也是不可忽視的因素。

二十多年前ASIC曾經熱過一陣子,後來就被邊緣化了。那時,摩爾定律還在按部就班地發揮作用,每過18個月半導體技術就向前推進一個節點。ASIC的電路設計和實施趕不上這樣快的發展節奏,因此像CPU和FPGA這類通用的器件一直佔據着主導地位。然而,在通訊系統中使用通用器件給黑客們大開了方便之門,如今網絡安全在世界範圍內引起了人們的廣泛關注。如果大量採用ASIC器件,黑客們就無從下手了,軟件是對付不了硬件的。因此,摩爾定律的終結和新的市場需求終於迎來了ASIC技術的春天。

ASIC電路在設計方面的工作量很大,像中國這種人力資源充沛的國家很有優勢。相比之下,西方人在這方面卻劣勢明顯。二十多年前當我們學集成電路設計時,班裡的美國同學還是多數。如今的情況已經大不相同了,亞洲人在這一行業已經佔據了絕對多數,因此有人把IC(集成電路)戲稱為印度人和中國人的縮寫。從某個角度來看,互聯網和智能手機毀了一代西方人。去年蘋果公司的一些投資人就對此表達了強烈不滿,認為智能手機對美國青少年的智力發育造成了嚴重傷害,影響了他(她)們在就業市場上的競爭力。這也是中國應該引以為戒的問題,因此政府應該制定一套對手機進行分級的政策:少年兒童、青年學生、成年人和老年人應該使用具有不同功能的手機。例如,少年兒童和老年人很容易上當受騙,因此他(她)們使用的手機只能接收一些預設電話號碼的來電,可以訪問的網頁也十分有限。除此之外,他(她)們的行蹤也可以受到親屬的跟蹤。

中興公司遭到美國制裁以後,國內出現了群情激憤的場景,紛紛要求政府大力支持集成電路的自主研發。然而,急功近利的措施往往並不能有效而健康地發展IC行業。中國應該繼承和發揚改革開放的成功經驗:政府提供基礎設計建設,讓企業按公平的市場規則來發展。在集成電路領域主要有以下一些「基礎設施」:其一是生產集成電路的工廠(Fab),其二是設計軟件,其三是知識產權管理體系,其四是建立行業協會和技術人員信息庫。

最近幾年中國在集成電路生產設施方面投入很大,台灣的聯電和台積電也紛紛在大陸設廠。當然,這些設施與世界上的最先進水平還是有一兩代的差距,然而問題並沒那麼嚴重。如今摩爾定律所遇到的問題其實倒不是物理極限,早在二十年前IBM公司就預測CMOS技術可以達到5納米的量級。在以往的四十年中,半導體技術每前進一個節點,都伴隨着大幅度的性能提高和價格下降。然而,在達到28納米節點以後情況出現了變化:性能的提高變得十分有限,而價格卻不降反升。因此,那些對信息處理速度要求不是很高的器件往往就不必使用最新的技術來生產。此外,在進入10納米以後還會遇到一些其他技術問題,包括器件使用壽命的縮短和漏電流造成的功耗問題。

僅僅縮小晶體管尺寸並不一定就能提高產品性能,這一點早在第六代蘋果手機中使用的A9芯片中就有所體現。此前幾代蘋果手機的芯片都是由韓國三星公司生產的,可是三星的Galaxy手機又是蘋果手機的主要競爭對手。當時蘋果公司內心變得十分矛盾,一下子改換生產廠家又有些不放心。於是,蘋果公司就採用了一種折中方案,讓三星和台積電這兩家公司同時提供芯片。三星公司採用的14納米技術,其芯片比採用16納米技術的台積電芯片小一些。可是,在測試過程中發現,台積電的芯片比三星的芯片更省電。於是,蘋果公司決定放棄了三星公司,把A10芯片的生產全部轉交給了台積電。

在集成電路設計過程中,CAD軟件的功能是至關重要的。然而,開發集成電路的設計軟件的難度十分巨大,需要很高的投入和長期的經驗積累。如今,人工智能和VR技術出現了突飛猛進的發展,因此出現了一個設計軟件更新換代的契機。與世界其他民族相比,中國人的吃苦耐勞精神是有目共睹的。但是,在出現技術革命的時候,勤勞反而會變成一個陷阱。當一個新技術剛剛出現的時候,其效果往往並不令人滿意,因此往往不會引起人們的注意。例如,當火藥槍剛出現的時候,其作用其實還不如傳統的弓箭。此外,當計算機剛出現的時候,用起來也是十分費事,程序輸入全靠在卡片上打孔。在這方面,西方人對開發和使用工具的熱情遠比東方人高,所以西方國家能夠引領科技潮流。

集成電路芯片在電子技術領域的確起到核心的作用,但是,對外圍元器件系統的研究也不能忽視。十年前系統集成芯片(System On Chip)的前景十分誘人,但是遇到了很多技術難題,至今也沒有實現全面的突破。首先,把不同功能的單元放到一塊芯片上必然導致故障率增高和良品率的下降。其次,數字電路產生的噪聲也會干擾敏感的模擬電路。後來出現了系統集成封裝(System in Package)技術,也就是把各種功能的芯片封裝在一起,從而可以有效的節省空間。蘋果手錶就採用了這一技術,才能夠把那麼多元器件塞進如此小的空間內。在全球半導體產業鏈中我國在後端的封裝領域佔有相當大的市場份額,在這方面也是可以大有作為的。

責任編輯: 江一   來源:華夏文摘 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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