觀點丨半導體，一萬年也要搞出來–中國的芯片設計國產化

中國的經濟升級，最大的兩個領域是汽車制造工業和集成電路工業。反過來說，我們要實現最終打垮西方列強，也就是要在這兩個超級產業完成逆襲。未來的十年，我們要做好長期戰斗的準備, 如果我們成功了，那中國就是真正的超級大國。如果這兩個領域我們失敗了，中華民族復興就不能稱之為成功。

這個地球上最強大的國家美國，它有哪些百億美元利潤級別的公司？除開能源和金融行業以外，有大約17家左右。Facebook，通用電氣，IBM，思科，英特爾，寶潔，強生，微軟，蘋果，沃爾瑪，迪士尼，通用汽車，甲骨文，Alphabet（谷歌母公司），Verizon，AT&T，Comcast，再具體一點，零售業1家，日化業2家，娛樂業1家，汽車業1家,其他制造業（通用電氣）1家，總共6家。ICT領域呢，11家！17家百億美元凈利潤公司有11家在ICT領域，因此可以說，ICT產業已經成了美國的立國之本了。谷歌，亞馬遜，臉書，思科，IBM，英特爾，微軟，甲骨文，Verizon，AT&T為美國貢獻了巨大的利潤。

美國的強大是什么撐起來的？是這些偉大的公司。反過來說，這些公司沒有了，強大的美國也就不存在了。我們可以看到，在美帝立國之本的ICT領域，非常顯然中國是美國的最大挑戰者，中國移動，華為，中興，阿里，百度，騰訊，網易，小米，浪潮，紫光等不僅在中國本土獲得了優勢，而且在對外擴張中，同時這些公司大多數凈利潤超過10億美元，要知道全球凈利潤超過10億美元的公司全部算在一起也就是三四百家。這也是為什么美國對中國集成電路產業如此關注的原因，集成電路是ICT領域的上游技術，是硬件的基石，如果中國集成電路產業也起來了，受到沖擊最大的還是美國，而這是美國的核心領域之一。

中國目前每年進口的工業品，只有兩個大類超過了500億美元，一個是汽車及其零部件，我們每年進口746.1億美元，另外一個超過500億美元的進口工業品，就是大家熟知的集成電路了，中國每年進口的工業品，集成電路進口遙遙領先所有其他工業品，排在第一位，其進口金額2271億美元，是第二名的汽車及其零部件746億美元的三倍。

我們看看下面一組數字，在過去的七年，我們的進口替代進行的如何？答案是令人遺憾的。和其他行業我國制造能力逐漸上升，逆差逐漸減少不同，集成電路的逆差在過去七年處于不斷上升的狀態。從2010年的1277.4億美元上升到了2016年的1657億美元：

2010年集成電路進口1569.9億美元，出口292.5億美元，逆差1277.4億美元

2011年集成電路進口1702億美元，出口325.7億美元，逆差1376.3億美元

2012年集成電路進口1920.6億美元，出口534.3億美元，逆差1386.3億美元

2013年集成電路進口2313.4億美元，出口877億美元，逆差1436.4億美元

2014年集成電路進口2176.2億美元，出口608.6億美元，逆差1567.6億美元

2015年集成電路進口2307億美元，693.1億美元，逆差1613.9億美元，

2016年集成電路進口2271億美元，出口613.8億美元，逆差1657.2億美元

到2017年，這個趨勢仍然沒有扭轉，1-5月中國集成電路（芯片）進口額為954.8億美元，同比上漲17.9%，出口256.6億美元，同比增長11.3%，逆差繼續拉大。

要看到差距，也要看到進步。

首先我們要知道集成電路這個產業，全球市場容量有多大?不同的機構有不同的數據，都稍微有誤差，我們就以IHS的數據為例子，2016年全球半導體市場規模達到3389.3億美元，同比小幅增長1.1%。當然，全球市場規模的數據各家機構不一樣，有的是3300多億美元，有的是3400多億美元，不過基本是在這個區間。

我們把這個數字和我國每年進口2271億美元集成電路的數字對比下，我國一年的進口額是全球市場的67%，這并不奇怪，因為全球90%的筆記本電腦，90%的智能手機，還有其他的大量電子設備，都是在中國制造，中國世界工廠的名稱，不是吹出來的，而是實實在在的。因此，在我國集成電路產業世界份額達到全球70%之前，我們都是要進口集成電路的。我國進口集成電路多，并且還在不斷增長，一方面固然是我國集成電路產業比起美國，歐洲，韓國，日本差距巨大，另一方面是因為我們下游的制造業和自主品牌發展太迅猛，世界市場份額不斷向中國品牌集中所致。以2017年為例子，中國品牌智能手機已經占到世界份額50%左右，而蘋果和三星手機也大多是在中國制造。

基于這個現實：中國不僅是世界制造中心，而且在下游的消費電子品牌的份額也在呈現向中國品牌集中的趨勢，所以相當長一段時間內，我國還會維持集成電路高進口額的趨勢。

所以中國國務院在2015年發布的《中國制造2025》的報告里面說，2020年中國芯片自給率要達到40%，2025年要達到50%，這其實是一個非常高的目標，因為這意味著2025中國集成電路產業規模占到全世界35%，也就是超過美國位列世界第一。當然這個是指總體產值，就產業結構而言，仍然是美國在高端，中國在中低端和部分高端。

如果按照工信部的規劃更激進，2025年要達到70%芯片自主化，也就是中國集成電路產業規模要占到全球49%, 這意味著什么呢，2025年中國集成電路產業從產值來說將是世界最高的國家，不僅能夠供給全中國的需要，而且還要搶占相當一部分的世界市場。

不過我們也要注意，不管是國務院還是工信部的規劃，都是把在華外資企業算到國產里面的，也就是說，即使2025年完成了70%自主化這一目標，我們占到了世界的49%，其中仍然有一部分是在中國的外資企業完成的。

那么我們能不能達到這一目標呢？或者說，現在處于什么什么水平呢？下圖是IC insight發布的2016年全球半導體20強，竟然前20位都沒有中國公司，這是非常罕見的現象。在其他幾乎任何一個地球上存在的大型產業，世界前20位都沒有中國公司的，幾乎找不到。有9家公司營收超過100億美元，前20強的門檻是44.55億美元。

不過大家也不要灰心，我國半導體產業銷售額最大的公司是華為旗下的海思半導體，2016年銷售額為303億人民幣，折合美元也是大約44.5億美元，剛好和第20名的44.55億美元幾乎不相上下。所以不出意外，今年海思半導體將會中國第一家沖進全球20強的半導體公司。這將是歷史性的突破。當然，這意味著會有一個倒霉蛋被擠出全球20強，沒辦法，人生就是這么的殘酷。

2016年中國集成電路產業銷售額達到4335.5億元，同比增長20.1%，集成電路分成三個部分，設計、制造、封測三個產業銷售額分別為1644.3億、1126.9億及1564.3億，增長速度分別為24.1%、25.1%及13%。這里面有一個好消息和一個壞消息，好消息是增速20.1%,這是非常快的，四年翻一倍，8年后就是現在4倍的規模，這是非常驚人的。壞消息是什么呢，我國集成電路產業這個4335.5億元銷售額是包括了在華外資企業的。所以要摸清我國集成電路產業的真正實力，還是要看血統純正的中國公司。

本文先從集成電路的設計部分看起。

首先是芯片設計，大家都知道，在PC機的時代，Intel和AMD壟斷了電腦CPU市場，中國公司和他們的差距可以說隔著一個銀河系，只能站在地球上仰望外星文明。在21世紀初，可以說中國唯一像樣的芯片廠家是珠海炬力科技，做出了mp3芯片，成為世界最大的兩家mp3 芯片供應商之一，我們看下當年新聞的原文：“2005年炬力的SoC芯片出貨量達到了4980萬片，比2004年的1220萬片增長了308%。該公司的MP3播放器SoC芯片的銷售額也從2004年的5410萬美元增長到了1.479億美元。”一家中國芯片公司，在十幾年前能夠做到這個水平是相當不容易的，然而炬力科技當然崛起的前提，也是國產MP3品牌在市場上占據了大量份額，那個時候mp3播放器非常昂貴。

在消費電子領域無法和美國競爭，中國芯片產業卻意外的從電信產業發展中受益，由于巨大中華（巨龍，大唐，中興，華為）在電信產業的崛起，中國逐漸開始實現了通訊設備制造的自主化，通信設備制造產業的崛起，卻意外的給中國帶來了一個沒有料到的結局，那就是中國的芯片產業開始伴隨著中國通信產業崛起開始萌芽。華為的海思，中興微電子，大唐都成為中國最大的芯片廠家之一。到了手機和平板電腦時代，由于中國本土手機廠家和平板電腦廠家的崛起，中國的展訊，全志，瑞芯微等公司也獲得了發展機會。

下圖是IC insight的報告，全球純芯片設計公司50強，2009年中國只有一家，也是中國第一家闖入世界50強的是華為旗下的海思公司，2016年增長到了11家，包括海思，展訊，中興，大唐，南瑞，華大，銳迪科，ISSI，瑞芯微（Rockchip），全志（All winner），瀾起科技（Montage）。

可以看到前面九名，海思，中興，大唐都是電信產業出生，南瑞是為智能電網提供芯片，全志，瑞芯微，展訊等是為手機，平板電腦等提供芯片。可見中國在通信，電網，消費電子產業的發展對上游的帶動作用。所以一個國家產業的發展，必然是整體性的，下游發展不起來，上游也一定發展不起來，中國芯片產業不可能脫離中國整體產業升級的大環境而獨立發展。2016年，中國已經有了160家芯片設計企業銷售額超過了1億元人民幣，可以說芯片設計正在中國全面開花。中國最大的兩家芯片設計公司海思和紫光展銳都已經躋身世界前十，2015年海思是世界第六，紫光展銳是世界第十，而且在前十名里面，海思和紫光展銳增長速度最快。2017年第一季度，中國芯片設計產業整體增長高達23.8%，銷售額達到351.6億元，中國自主設計芯片全球市場占有率已經高達全球8%，中國市場占有率達到13%以上。

按照中國半導體行業協會的中國芯片前十名，和IC insight的排名有所不同，下圖是2016年中國半導體行業協會公布的中國IC設計公司排名，可以看出，通過紫光集團對展訊和銳迪科的整合，中國已經出現了兩家金額超過100億人民幣的本土IC設計巨頭，海思和紫光展銳。

這10家公司里面真正算有前途的就五家：海思，紫光（包括展訊，銳迪科），匯頂，中興，士蘭微。例如杭州士蘭微2017上半年財報。公司上半年實現營業收入12.98億元，同比增長22.90%；實現凈利潤8442.55萬元，同比增長243.77%。保持了高增長的勢頭，利潤也開始逐漸恢復。其他五家：華大，大唐，智芯就是吃國家的飯。敦泰是臺企，中星微主要做監控安防攝像頭之類的圖像芯片，技術水平一般，發展前景不明。

十強以外，還有一些很有意思的中國IC設計公司。首先是存儲芯片領域，中國每年進口的集成電路之中，存儲芯片和CPU占了大概75%. 可見存儲芯片的地位。在存儲芯片領域，有兩家中國公司在試圖進擊，一個是兆易創新，一個是長江存儲。

未來的希望：寒武紀

為什么要特別提一下寒武紀，人工智能是人類所有產業發展的大勢所趨，在這個領域，專用芯片將會成為未來的主流。幾乎所有的ICT科技公司，不管是國內的百度，阿里，騰訊，華為，還是美國的谷歌，facebook，亞馬遜，微軟，都在朝人工智能方向發展。2017年8月，由中國科學院計算技術研究所(中科院計算所)陳云霽、陳天石兩兄弟創立的寒武紀科技(Cambricon Technologies)宣布完成阿里巴巴領投的1億美元A輪融資，此輪融資令寒武紀估值達到10億美元。這也是中國第一家集成電路產業的獨角獸公司（估值超過10億美元），這可以算作一個里程碑。

值得一提的是，寒武紀團隊成員的平均年齡只有25歲，很多骨干成員在校期間已開始從事相關領域的工作。創始人陳云霽和陳天石是兄弟倆，都是學霸。陳云霽14歲進入中科大少年班，在創立寒武紀前，陳云霽在大學的最后一年，就參與了中國第一塊通用CPU芯片龍芯1號的研制項目，2002年，陳云霽來到了中科院計算所，跟隨現在的龍芯公司董事長胡偉武研究員碩博連讀，成為當時龍芯研發團隊中最年輕的成員。博士畢業后，他留在了計算所。25歲時，陳云霽就已經成為8核龍芯3號的主架構師。他在2015年入選《麻省理工科技評論》35歲以下的全球最佳35名創新人士。

非常有意思，寒武紀推出的人工智能芯片型號名字叫DianNao，也即是中文電腦的拼音，目前DianNao已衍生出1A、1H等多個型號。DianNao這個型號名字來自寒武紀研發團隊里一位法國人，這個法國人叫OlivierTemam，來自法國國家信息與自動化研究所（Inria），他建議說，與其取一個平淡的英文名字，還不如反其道而行用中文的拼音來命名，這樣對外國人來說是“外語”，他們反而會覺得十分“洋氣”。

最值得一提的是，DianNao芯片不僅是寒武紀的自主架構，而且是寒武紀自主開發的指令集，名字也很有意思，叫DianNaoYu（電腦語）， 這是世界首個深度學習指令集，DianNaoYu指令集的論文在2016年的計算機體系結構領域頂級國際會議ISCA2016（International Symposium on Computer
Architecture）所接收，其評分排名所有近300篇投稿的第一名。具有突破性的意義。之前中國自主研發的龍芯芯片，也是使用的MIPS指令集免費授權的形式，雖然可以自主修改，也不會被限制，但是使用指令集還是來自國外。用中科院計算所的話來說意義是這樣的“指令集是計算機軟硬件生態體系的核心。Intel和ARM正是通過其指令集控制了PC和嵌入式生態體系。寒武紀在深度學習處理器指令集上的開創性進展，為我國占據智能產業生態的領導性地位提供了技術支撐。”

寒武紀人工智能芯片和傳統的通用處理器如何比較？寒武紀是人工智能的專用芯片。請注意專用兩個字，因此寒武紀的芯片和通用處理器并非替代關系。由于CPU和GPU基本框架結構都不是為人工智能設計，如果要用通用處理器搭建一個人腦規模突觸的神經網絡，可能需要建一個電站來給它供電。AlphaGo下一盤棋動用了1000個CPU和200個GPU，每分鐘的電費就高達300美元，而網絡規模只有人腦的千分之一。”寒武紀AI芯片恰恰解決了這一問題——它能在計算機中模擬神經元和突觸的計算，對信息進行智能處理，還通過設計專門存儲結構和指令集，每秒可以處理160億個神經元和超過2萬億個突觸，功耗卻只有原來的十分之一，未來甚至有希望把整個AlphaGo的系統都裝進手機。其他的FPGA方案雖然迭代快，但從計算速度和能耗比來說，和專用的人工智能芯片相比仍然有差距。因此除了寒武紀以外，其他國外公司也在跟蹤寒武紀的研究成果，比如谷歌的TPU。

寒武紀的AI芯片在兩個大型產業都可以有廣泛的應用，一個是云端，一個是終端。在目前云計算蓬勃發展的情況下，云端服務器面臨更大的大數據計算壓力，AI芯片逐漸必不可少。另外終端的智能化程度和計算要求不斷提升，也需要使用AI芯片。2017年9月2日，華為在德國IFA展上發布麒麟970處理器，首先用于華為Mate10智能手機上，雖然沒有公開宣布，但其背后的AI芯片就是來自寒武紀，麒麟970整合的人工智能芯片，華為稱之為NPU（NeuralProcessingUnit，神經處理單元）。搭上了華為這條大船，寒武紀的銷售額將會迅速增加，目前猜測，華為和寒武紀采取的是IP授權的形式，寒武紀作為全球第一家人工智能芯片獨角獸公司，也是全球第一家大規模量產人工智能芯片的公司，同時芯片架構和指令集完全自主，在未來大有可為。

半導體行業，美國超級強勢，韓國在存儲領域優勢大，歐洲有三家一流的半導體公司，NXP，英飛凌和意法半導體，其中NXP在和高通談并購，如果高通并購NXP并購成功，那么歐洲只剩下兩家了。日本之前有三家一流半導體公司，瑞薩電子，索尼的CMOS圖像芯片和東芝半導體。這其中索尼的CMOS圖像處理芯片是近年來日本公司幾乎僅有的實現大逆轉的產業，索尼憑借圖像處理芯片大大提升了市場份額，獲得了大量利潤。東芝目前已被海信并購了，那么日本也只剩2家半導體公司。我們可以看到，美國超級強勢，中國，韓國都在上升，歐洲和日本在小幅衰退，除此之外，另外一個衰退比較嚴重的是臺灣了，臺灣半導體協會預估2017年臺灣半導體產業整體產值較2016年小幅成長1%，而2017年全球半導體市場規模將較2016年成長9.8%，也就是臺灣“生命線”半導體產業世界份額在不斷下降。

另外網友比較關注的我國超級計算機上用的國產芯片，例如全球速度最快的神威太湖之光超級計算機，芯片就是國產化的申威，指令集和架構都是在美國DEC公司的Alpha架構下擴展而來，但是這款芯片只適用于超算領域，在民用市場由于生態問題和性能問題，不會有競爭力。因此也是小眾芯片。

另外就是龍芯了，胡偉武博士是個堅持自主研發的人，他也培養出了寒武紀創始人陳云霽，培養出了一批自主研發芯片的人才，我覺得這才是龍芯的最大貢獻。至于在商業化上面，龍芯幾乎沒有什么希望，建立生態必須要有強大的商業實力和地位，目前龍芯芯片只能在一些專業領域，例如北斗衛星上用的防輻射芯片，或者一些專用領域比如服務器，工控，嵌入式控制等等。龍芯能在這些領域占據較大市場份額，就是一種成功了。龍芯2015年銷售首次過億元人民幣，是一家非常弱小的公司，2016年相信銷售額也是1億元多點的規模，而2016年中國銷售額過1億人民幣的芯片設計公司有160家，龍芯在里面毫不起眼。 胡偉武是個技術人才，龍芯現在的待遇，以及類似科研院所和國企的運行體制，也暫時無法獲得優秀的高端商業人才。龍芯在未來十年能夠做到10億人民幣，20億人民幣就很不錯了。即使到2027年能做到100億人民幣的規模，10年增長100倍，到那個時候龍芯也進不了中國芯片的第一集團。

中國芯片產業的未來必須要走商業化可盈利的路，從這條路來看，只有以海思，紫光，寒武紀為首的國產芯片公司，以及華大，大唐，士蘭微，匯頂科技等第二梯隊，以及未來可能成長起來的第三梯隊才是中國芯片設計產業的未來。

而芯片設計這個產業，從中國，美國，歐洲，韓國，日本，中國臺灣六強的發展趨勢來看，中國保持現狀20%的發展速度，每四年翻一倍，到2025年將是現在的4倍，是未來美國最大的挑戰者，韓國依靠對存儲芯片的高強度投資，將保持世界列強地位。中國紫光的存儲芯片2019年才能夠量產64層的NAND Flash，那個時候距離三星和海力士還是有技術差距，所以短期內韓國存儲芯片產業是打不垮的。DRAM目前還不知道什么時候能量產。而歐洲，日本，中國臺灣，由于其下游消費電子品牌的衰落，不可避免會影響到上游芯片的產值，這其中最危險的是臺灣，因為歐洲和日本還有蓬勃發展的汽車電子產業，消費電子這邊衰落了，還可以從汽車那邊來彌補。例如日本，雖然東芝在衰落，但是瑞薩電子的汽車業務發展就挺好。臺灣就比較危險了，芯片設計業不斷下滑是大趨勢，因為消費電子品牌不斷往中國大陸集中，而大陸的自產芯片占有率在不斷提高，而臺灣又沒有汽車品牌產業來彌補損失，設計業下去了，保住臺積電的制造業是臺灣面臨的首要問題，從這個意義上來講，發展中芯國際抵消臺積電的發展，就是促進兩岸統一。

本文轉載自知乎作者寧南山，鏈接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/29407726。

材料牛石小梅編輯整理。