2019 年来看，逻辑芯片的技术发展如何，市场前景怎样？ 第1页

欢迎关注作者公众号“硬件加速与EDA”！

结论：数据中心和边缘计算或将撬动产业需求

一、逻辑芯片“芯芯”向荣的前景

虽然在过去的2018年晶圆代工行业整体产能略宽松，但是，近年来随着人工智能、物联网、自动驾驶、5G等新兴应用场景强势崛起，给逻辑芯片的算力和能效比带来了巨大挑战，挑战即意味着诱惑，作者认为如下两个趋势丰富了逻辑芯片在未来的美好愿景。业界普遍看好逻辑芯片的未来发展，三星、苹果、华为、Xilinx、英伟达等公司纷纷投入巨资发展逻辑芯片，并陆续收购有潜力的初创公司。

1、云端和数据中心算力需求欲壑难填。

当前，云端和数据中心已成为CPU/GPU/FPGA巨头厮杀的修罗场，Intel、NVIDIA、ARM、Xilinx等都期望研发超高算力的逻辑芯片来在未来的数据中心中独占鳌头。机器学习，人工智能（AI），深度神经网络和大数据分析等新兴云应用创造了对更强大数据中心的算力需求，为了应对这些挑战，数据中心必须采用新型架构和专用高性能或高能效比的算力芯片，传统的CPU已经难以应对。为此，Intel、Xilinx、NVIDIA在异构分布式计算逻辑计算系统领域各显神。

2018年10月，Xilinx推出了ACAP架构FPGA，该架构整合了硬件可编程逻辑单元、软件可编程处理器、以及软件可编程加速引擎的计算平台，同时在今天宣布收购了Solarflare通信公司，已加速Xilinx向数据中心算力提供商转型；NVIDIA于2019年3月宣布收购Mellenox，以增强其GPU与互连方案在数据中心的竞争力；Intel先后将Altera、eASIC、Omnitek收入麾下，并于2019年4月宣布推出Agilex FPGA，充分结合了基于Intel10 纳米制程技术构建的FPGA 结构和创新型异构3D SiP 技术，将模拟、内存、自定义计算、自定义I/O ，英特尔eASIC和FPGA逻辑结构集成到一个芯片封装中。

面向数据中心以及云端高性能算力需求的异构架构逻辑芯片，在未来将面临软硬件协同设计、高效任务和资源调度、多芯片集群与可重构计算、高速互连等技术挑战。

2、边缘计算节点算力需求强劲，通用计算渐行渐远，可定制计算方兴未艾。

除传统的云端算力需求外，IDC去年发布的《中国制造业物联网市场预测2016-2020》报告中显示，边缘计算将成为下一个热点，未来有超过50%的数据需要在网络边缘侧分析、处理与储存。到2020年将有超过500亿的终端与设备联网，未来超过50%的数据需要在网络边缘侧分析、处理与储存，边缘计算所面对的市场规模非常巨大。根据思科全球云指数的预估，到 2019 年，物联网产生数据的 45%将会在网络边缘进行存储、处理、及分析，而全球数据中心总数据流量预计将达到 10.4ZB。到 2020 年， 连接到网络的无线设备数量将达到 500 亿。[本段文字引用自Weisong Shi, Jie Cao, Quan Zhang, Youhuizi Li and Lanyu Xu, Edge Computing: Vision and Challenges, IEEE Internet of Things Journal, Vol. 3, No. 5, October 2016, pp. 637-646.]

通过这些数据可以得出两个结论：（1）未来以物联网等为代表的新兴应用势必再次引爆集成电路的需求。（2）依托物联网产生的边缘计算将无处不在。智能家居、智能交通、智慧城市、无人驾驶等越来越多的应用服务计算都将在本地的局部边缘完成计算和处理，而不再通过云端服务器完成。从“云”和“边缘”的角度来看，处于边缘环境中心的计算设备必须具备强大的数据分析和处理能力、高效的数据压缩能力、完备的安全防护能力，这样才能确保安全、高效地完成本地边缘环境中的高速实时计算，同时借助有限的网络以更高传输效率与“云”中大型计算设备进行通信。

因此，以物联网为依托的未来边缘计算场景具有如下的特点：极具差异化的边缘环境、更高更快更强的边缘处理设备。差异化的边缘环境，将导致基于通用CPU的计算无法满足差异化的功能和算力需求，有可能将引导芯片设计趋于可订制化计算，甚至在逻辑芯片设计方法学中出现如下设计理念：在差异化中寻求最大公因子，积累IP，沉淀快速重构软件方法学，通过搭积木当方式快速完成差异产品的设计和服务的部署。

3、航天航空等特殊领域也面临前所未有的算力需求，逻辑芯片可为人类探索太空助力。

以平方公里射电阵（Square Kilometre Array，缩写为SKA)为例，SKA是一个巨型射电望远镜阵列，仅SKA一期，每秒产生的观测数据规模为160TB，一年观测产生的数据规模为300PB。因此，如何实时处理和分析如此巨大的数据，已经成SKA项目面临的问题。当前，SKA项目中的科学家采用了FPGA作为算力核心芯片，以加速信号处理过程。

二、欲变轨超车的中国逻辑芯片行业

2018年，“中兴事件”将中国半导体行业的窘境推到前台，随着“中国制造2025”的实施，我国正在从“制造大国”向“制造强国”转型，引进消化吸收再创新”的技术路线已难以满足高质量发展需求，中国高铁、5G通信、人工智能等领域必须走自主创新的中国技术路线。2018年，集成电路再次被写入政府工作报告，位列实体经济发展第一位。

当前，大陆在逻辑芯片设计领域，RISC-V和AI风头无二，上海等多个地方政府分别推出了支持RISC-V处理器和AI芯片的优惠政策。此外，据数据统计显示，2018年全球25家Fabless半导体初创公司融资排行榜中，共有7家中国公司入围，其中寒武纪更是成为全球人工智能领域第一个独角兽。

同时，依托我国在全球整机领域的优势，整机厂商陆续进入逻辑芯片设计领域。2018年8月14日格力电器10亿元注册集成电路全资子公司——珠海零边界集成电路有限公司，正式将芯片产业作为未来发展战略的重要组成部分。中兴事件期间，阿里全资收购了拥有国产自主可控处理器技术的中天微，2018年9月19日，阿里巴巴宣布成立的芯片公司“平头哥半导体有限公司”，同时还投资了寒武纪、Barefoot Networks、深鉴科技、耐能（Kneron）、翱捷科技（ASR）等知名芯片初创公司。阿里巴巴认为半导体芯片在阿里生态中处于上游，是平台构建的基础，没有芯片，不仅云计算、金融、物联网等难以开展，阿里平台上沉淀的海量数据的价值更无法充分挖掘。

此外，在逻辑芯片的晶圆代工领域，中芯国际的14纳米FinFET技术研发正在顺利推进，预计于2019年内实现生产。随着摩尔定律节奏放缓，中芯国际在14nm节点的突破，将证明中国的晶圆代工水平迈入全球中高端水平，受益于此，国产逻辑芯片将可能更上一层楼，受到更多高端智能设备的青睐。

背景知识：

一、什么是逻辑芯片？

所谓的逻辑（logic）芯片，通常主要是跟模拟（analog）芯片、射频（RF）芯片对比来说。简单地说，我们身处的自然界是一个模拟信号的世界。我们每时每刻听到的声音、看到的景象、触摸到的凹凸感，以及周围环境和物体的温度、湿度等等，都是模拟信号。还有，诸如物体（飞机、汽车等）移动的轨迹等，也是模拟信号。除此以外，电磁波、微波等人体无法感知的信号，也是模拟信号。

逻辑芯片，顾名思义，其理论基础就是数字逻辑代数，“0”和“1”就是逻辑芯片的一切，0-1只表示两种不同的逻辑“假”或“真”，并无大小量纲。鉴于模拟信号无法存储，自然界的声音、图像、温度、湿度、运动轨迹等模拟信号被采样和量化后，便转化成了数字0/1信号的编码，我们就可以使用存储将这些编码存储下来，即使过若干年，也能完整的重现。如录音笔、数码相机等。更为重要的是，这些存储的信息，还可以进行信息提取、压缩和处理等。可以说，数字信号及其相关学科是使得现代生活变得如此便捷和丰富多彩的重要科学基础和技术手段。而处理这些0/1信号的芯片，就是我们所说的逻辑芯片。

在生活中，大部分电子设备都同时搭载了逻辑芯片和模拟芯片。以手机为例，逻辑芯片主要包括CPU、ISP、音频编解码器等，其主要负责数字信号的逻辑运算。逻辑芯片工艺比较统一，目前大多已经SoC化，手机中大部分逻辑芯片都集成到了几个核心芯片中。其工艺制程紧紧跟随摩尔定律，尤其是应用于高性能计算的处理器，几乎每款高端产品都使用了当前最先进的工艺，如华为海思的麒麟980。模拟芯片主要包括RF收发器、功率放大器、电源管理芯片、PLL等，工艺各异，每块芯片的功能相对都比较单一。除非有极低功耗和极高性能的需求，模拟芯片一般不要求先进工艺，但是工艺线各具特色，目前业界大部分公司仍然用0.18um/0.13um等。

二、逻辑芯片产业格局

当前，逻辑芯片的产业已经进入了一个高度专业化的格局，形成了IDM（集成设计与制造）、Fabless（无晶圆设计）、IP Vendor（IP供应商）、Foundry（晶圆代工）等细分领域。Intel和三星是当今少有的几家IDM公司，即同时拥有芯片设计部门与晶圆制造厂。Intel在前几年开放了晶圆产线，希望吸引其他fabless公司共享其先进的工艺以获得新利润增长点，但运营情况不佳。三星的晶圆厂除制造本公司的芯片外，还有代工业务，但是外部代工收入占比较少。

（1）IDM与晶圆代工领域

尽管三星在晶圆制造、芯片设计两个方面同时面临台积电、苹果、高通等强有力的竞争对手，但是依然保持了极强的竞争力。据知名市调机构Gartner发布的2018全球半导体市场营收报告显示，2018年三星电子全年营收759亿美元，以15.9%的市场份额力压Intel排名榜首，同比2017年增长26.7%。

TrendForce发布的最新研究报告显示，2019年第一季度，三星位列晶圆代工营收榜单第二名，超越了GlobalFoundry、UMC等一系列对手，仅次于该领域的王者台积电。

（2）Fabless领域

2019年三月，DIGITIMES Research发布了2018年全球前10大IC设计公司排名，其中美国占6家：博通、高通、英伟达、AMD、Marvell、Xilinx(赛灵思)；中国台湾3家：联发科技、联咏科技(Novatek)、瑞昱(Realtek)；大陆只有华为海思入围，排名第5，距离亚洲第1的MTK只有一步之遥。得益于华为长期以来对芯片设计的高研发投入，海思的营收增长率一骑绝尘。