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为什么 OPPO、vivo 等一众厂商不造手机芯片?

图片:jplenio / CC0

Hellc,IC专业在读,文章比代码写的好一点

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回答 4DAY 后补充:

没想到有 4k+ 的赞了。补充一些有参考价值的数据吧。

  1. 评论区有人批评我没有给具体数据,那我还是说一下嘛~就我目前接触过的几次实验性流片(指芯片给台积电、中芯国际这种厂子,走 MPW 生产几百片芯片出来)的花费,TSMC 上古亚微米级(几十几百纳米,具体多少我不记得了)工艺一次在 30 万左右,台积电 28nm 一次百万以上?;卮鹬兴蛋僖诳湔帕斯?,不过最新工艺 7nm 这种价格也绝不会便宜)。
  2. 评论区有人批评我没有说手机基带的问题。说来惭愧,基带芯片应该属于射频领域,我对数字芯片了解比较多,射频领域了解很少(通常芯片分为数字、模拟和射频三种用途,有着完全不同的设计模式)。不过有一点,手机 SoC 并不一定非要包括基带,比如大名鼎鼎的苹果 A12 本身并不带基带啦。
  3. 单纯写一个 CPU 并不困难的,据我朋友说,中国某?;ê芎每吹?985 计算机系本科大三就要求学生自己写一个带 5 级流水线的 MIPS 结构 CPU(道听途说,如果不对请轻喷)。而且当年 x 芯也不是没有做出成果,并不是完全骗钱的,其实离成功只差一步了(如果有机会我能更清楚地了解那段历史的话,我很愿意写一篇文章去分析~)。
  4. 中国的 IC 行业应该已经火起来了。而且我们绝对不是无芯可用,很多领域的专用芯片,都有很多大小公司在默默奋斗,大部分都拥有了自己的产品。人工智能领域的芯片更是非?;?。通用芯片中国起步晚,制约多,请给我们一点时间。
  5. 讲个小故事,我曾经接触过一家位于上海的小半导体初创公司。跟曾经与 AMD 合作过的大工程师、后来是台湾某公司的大老板聊天时,他说一个芯片设计团队通常需要 120 人左右才比较完整。而那家小公司,整个公司全体技术人员只有 70 人,负责芯片的更是只有不到 20 人,但是他们也做出了自己的芯片。我想说的是,也许我们在大谈特谈尖端技术,谈高性能芯片,谈 7nm5nm 这种追求物理极限的东西,但是也有这么一批默默扎根行业的从业者,也是这片土地上最有热忱的一群人,他们用不了技惊四座的技术,因为决定着他们生死的,仍然是市场。但希望之火有大有小,不论技术高低,只要有人坚守在这个行业,有千千万工程师、创业者为之奋斗,星星之火终可燎原。

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这年头对 IC 全行业(即从设计开始到最后芯片问世)的科普还真不多,索性借着这个问题好好回答一下。

看到题目的第一瞬间,我也很想像其他答主一样喷一喷提问者对技术的一知半解,以及由此带来的蔑视。后来冷静想想,这其实反映了普通人对集成电路行业的不理解。毕竟集成电路行业里有一件很令人头痛的事,就是如何如何在形象描述 IC 产业各类基本概念的同时表达清楚这个行业的复杂程度——不说芯片是沙子做的,普通人理解不来芯片是何方神圣;但沙子离芯片的距离,中间附加的技术和智慧,可是比石头到世界第一高楼哈利法塔还要遥远千倍万倍。

  • 以下是正经科普,希望能借回答题主疑问的机会,让读者对 IC 产业有一个大概的了解。

如果您有耐心看完对这四个问题的回答,您应该可以了解网友们日常用来吐槽的“买 ARM 授权”到底是什么意思,为什么造一块芯片如此困难。如果您足够聪慧,还应该能感受到芯片作为 21 世纪人类智慧的结晶,其光芒是多么耀眼。


为了方便叙述,我们假设一家叫“ov”的公司,财大气粗,其 CEO,著名企业家段不平先生,于 2019 年 3 月 22 日突然在微博上宣布,ov 决定自主研发“饕餮 890”手机 SoC。

某微博红人雷兵先生随即在评论区要求段不平回答下面四个问题,并称如果回答不好,就亲自给他科普手机厂商自己造芯片的种种坏处。

  1. “手机芯片”是什么?
  2. ov 能不能从 ARM 买到造芯片的“图纸”?
  3. 有了图纸,ov 还需要什么才能造出一枚芯片?
  4. 台积电拿到图纸以后在做什么?

一、”手机芯片“是什么。

我赌五角钱,段不平先生虽然在商界叱咤风云多年,打造过诸如“小霸主”、“步步低”等红极一时的产片,但是他对芯片的了解,恐怕仅限于“面积指甲盖大小”和“不好造”这两个印象。

关于芯片的定义很多,这里我给出一个我认为最好理解的说法。

芯片就是把过去用一堆堆电缆、开关、磁带这些巨大无比的电器实现的功能,在一片尺寸通常不超过 2cmX2cm 的小东西上实现出来并集成成千上亿个。
换句话说,如果你见过收音机拆开以后,里面的原件长什么样(尽管你可能依旧不知道那些原件是做什么的,但至少应该有个感性的印象),那么如今芯片的几乎所有功能,也同样能用收音机里面的零件实现,只不过复杂一点的芯片需要拆几亿个收音机才能凑够这些零件而已(同时也意味着几亿个收音机的功耗和奇慢无比的速度)。

此时你可能惊讶道,这是怎么做到的?且慢,我们先不去考虑是怎么实现的,我只能提前告诉你,不要想象成在 2cmX2cm 的纸片上用打印机打印上亿个图形,而是需要想象成在 2cmX2cmX1mm 的小石块上雕刻一幅有上亿个小动物的、镂空的 3D 风景画。

同时我们要注意到,ov 要做的是“饕餮 890”手机 SoC 芯片。这 SoC 三个字母不加不要紧,一旦加上,这个芯片又不太一样了。此时,系统软硬结合两个词语又浮上水面。

回到之前收音机的比方,可能一枚“收音机芯片”的功能就是“接受特定频率的电磁波,并把它翻译成语音输出到音响系统“。这枚芯片也还算简单。但 SoC 呢?

SoC,全称 System on Chip,在芯片上的系统。说到系统,我很喜欢一个词:“麻雀虽小,五脏俱全”。系统意味着它有一整套完善的体系结构。你可以这样理解,普通的芯片,只需要做好一件事,比如计算、比如储存;SoC 也是芯片,但 SoC 几乎就是一台完整的电脑,他要能计算、能储存、能实现数据在自己内部各??橹淞鞫?。

说 SoC 是一台去掉显示器、键盘鼠标,但是有 CPU 有显卡有主板有声卡有硬盘有内存的电脑,其实并不为过。而这一切都集成在那块指甲盖大小的芯片上。

这就带来一个巨大的问题。我们都知道,电脑这东西,上有 Windows 操作系统,下面内存硬盘各有各的接口标准。这些东西如果要浓缩到一块芯片上,怎么办?

此处我不展开说,否则太浪费时间。读者只需要记住一个词——软硬件协同设计,然后慢慢品味吧。

二、ov 能不能从 ARM 买到造芯片的“图纸”?

答案:可以。但“图纸”种类比较多,绝大部分图纸并不可以直接拿到台积电“工厂”去生产。

我没有和 arm 打过交道,还真不知道从 arm 买手机芯片,尤其是大家关心的手机 SoC 芯片 ARM 具体怎么卖。

但是 ov 表示无所谓,我财大气粗。但是 ov 再有钱,其在 ARM 只能买到以下三种图纸(IC 行业称之为 IP 核):

  • 软核
  • 固核
  • 硬核

为了不涉及复杂的技术词语,我用盖大楼的图纸来描述这三种东西。

软核,类似于开发商对大楼“画大饼”?!罢庾舐ヒ还彩徊?,每层分成一百个隔间,每层的隔间分别是 5x6m,10x30m……”这张详细的“饼”将大楼的所有设计理念、设计逻辑、执行标准、达成的效果以及用几个楼梯、几个电梯去达成这些效果描述的很清楚。

固核,类似于效果渲染图。渲染图下,这栋楼每层用什么材料、外表看起来够不够炫酷,柱子够不够结实,已经能够看个大概。

硬核,就如名字一样“硬核”,是大楼的施工图纸,每一寸都规划好了,建筑商拿着这图纸直接施工就完事了。

聪明的读者此时应该可以想到,硬核似乎是方便省事的图纸了。但对于 ov 公司来说,它其实不太想要这个,因为画的完美的图纸,你完全无法对其进行改造优化,也看不出来设计师最初的设计理念。而软核图纸呢?虽然拿到以后没法直接施工,但是我完全可以把外墙颜色修改成绿色,同时加两个电梯,印上我公司 logo,再让设计师把它搞成硬核图纸拿去生产。

简而言之,软核距离生产线最远,但是灵活可修改,同时有一定的风险(鬼知道你蓝图画的这么好,建起来会不会直接倒掉)。硬核拿过来就能去生产,但是几乎不能定制修改。固核介于两者之间。但是,任何一种方案都不可能让 ov 百分百满意,ov 必须在生产难度、定制程度等方面权衡。

但这还是小麻烦,最最重要的是,ARM 卖的图纸不!是!SoC??!ARM 卖的只是 SoC 中的计算???,其它所有设计,以及设计与设计之间怎样配合工作,都需要 ov 自己去搞定。如果它买 ARM 家的 IP 核,软核自然是灵活,灵活意味着方便和自己芯片内的其他设计迁就配合,但是就需要承担接下来做成成品的风险。如果买硬核,那就是买了一个写死的设计,自己所有的设计都要配合它来,分毫不能差。

对了,ov 公司还要顺手把这个芯片的驱动写了,才能在上面跑起来安卓。

一句话,有钱就有图纸,但你要用起来,还真费劲。

三、有了图纸,ov 还需要什么才能造出一枚芯片?

假如 ov 决心很足,东拼西凑搞出了“饕餮 890”的完整图纸。它可以把它放进工厂生产了吗?

段不平先生不愧是商业大佬,他在看完这个烧了几个亿才搞出来的图纸,眼看就可以统治手机市场之时,问了首席工程师一句话:我怎么知道你的图纸设计是对的,没有 BUG?

工程师一愣,然后说:我们……测试一下?

段不平大吼一声:你哄三岁小孩呢?没东西你怎么测试??这样,别着急投入市场,先让台积电给我造两片出来,你们测试没问题再投入市场

工程师:段……段经理,台积电说,我们的芯片,开模费 100 亿,以后每造一片只要十块钱……您不管是产一片还是产一万片,其实价格差不多,做瞎了,整个公司就没了……

段:我……nmd,为什么?

没错。困扰芯片行业的巨大问题之一,就是生产芯片的特点。其实每片芯片并不是太值钱,但是哪怕只做一片,也需要造很多异常精密的掩模版。这部分花销无论如何都不能避免。这也就意味着,几十几百亿的钱投入生产前,没人知道这芯片能不能工作。这个风险之大,不是普通企业可以承受的。

当然,芯片投产前也不是完全不能“测试”。我们管生产前找芯片 BUG 的工作叫“验证”。这又是一个非常大的领域,而且验证一片芯片的其复杂程度,其实并不比设计一块芯片低。这不难理解——用户拿到手机以后,可能下载各种软件,在屏幕上左滑右滑点来点去,可能接收到无数种可能的数据,你怎么知道用户的某一个行为不会触发 BUG?显然,用户的行为无穷无尽,而验证不可能验证这片芯片上所可能发生的所有事情。这里面的学问,也大的很。

四、台积电拿到图纸以后在做什么?

其实这不是 ov 公司要考虑的问题,这是台积电的问题。限于篇幅(懒)我也不展开说了。我在重复一下在问题一里的那句话:

芯片就是把过去用一堆堆电缆、开关、磁带这些巨大无比的电器实现的功能,在一片尺寸通常不超过 2cmX2cm 的小东西上实现出来并集成成千上亿个。
换句话说,如果你见过收音机拆开以后,里面的原件长什么样(尽管你可能依旧不知道那些原件是做什么的,但至少应该有个感性的印象),那么如今芯片的几乎所有功能,也同样能用收音机里面的零件实现,只不过复杂一点的芯片需要拆几亿个收音机才能凑够这些零件而已(同时也意味着几亿个收音机的功耗和奇慢无比的速度)。

同时补一个 B 站视频,是英特尔公司官方动画讲解的芯片制作

【60FPS】 60 帧的 Intel 芯片制作过程?。?!


朋友,如果你看完了,你觉得,从 ARM 买一个图纸,在整个手机芯片设计中,有多重要呢?

反正 ov 老板表示:等一下,我这里有个 X28 要发布,芯片的事先缓一缓。

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