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移动芯片如何走出“高水平均衡陷阱”?
时间2021-01-29 23:37

  “内卷化”这个略显残酷的名词,已经成为了当代年轻打工人互相调侃的社交密码。而整个行业一旦内卷,却是腥风血雨的肉搏战。这个场景,对于移动芯片领域的玩家来说,并不陌生。

  如果你关注近年来的半导体行业,会发现几乎有实力的芯片厂商都陷入了一个所谓的“高水平均衡陷阱”。

  比如迄今为止业界能达到的集成度最高、可规模化量产的芯片制造工艺——5nm制程,就在两个月左右的时间,几乎集齐了全球手机SoC芯片设计界的“五张王牌”。

  10月份,苹果iPhone 12系列手机搭载的A14,抢下了5nm芯片的全球首发;随后华为Mate40系列搭载的麒麟9000系列芯片,又成为当时工艺最先进、晶体管数最多、集成度最高和性能最全面的5G SoC。而就在前不久,三星又发布了全球第二款5nm制程、集成了5G基带的芯片Exynos1080。高通、联发科、英伟达虽然还没有流片,但也早有媒体爆出了将开始 5/4nm 量产的消息。

  众所周知,芯片制程越先进,单位面积内需要容纳的晶体管数目就越多,就越逼近物理体系的极限。业内已有共识,那就是在5nm制程之后,芯片设计会面临更加复杂的物理效应问题,难度指数级增加,也意味着研发和制造成本的上升。

  今天的移动芯片领域,似乎与内卷化及其所导致的“高水平均衡陷阱”异常契合。

  美国人类学家吉尔茨认为内卷化是边际效用持续递减的过程,一种社会或文化模式在某一发展阶段达到一种确定的形式后,便停滞不前或无法转化为另一种高级模式的现象。那么,从移动芯片的“内卷化”中,我们能够读出什么?

  美国经济学家曼瑟尔·奥尔森曾经用“集体行动的逻辑”,来解释现代化国家内卷化的成因。一个公平正义的制度,能够让人们按照亚当斯密的自利原则展开活动,进而促进公共利益最大化。但“集体行动的逻辑”会击溃这一制度,进而导致增长有限,陷入内卷。

  显然,如今半导体领域被作为政治博弈工具,进入逆全球化模式的情况,正是一种内卷化的制度。失去了共建、合作、贸易动能的移动芯片市场,就如同闭关锁国的国家一样,因为割裂而卷得干脆。

  除了制度方面的原因,智能手机作为高性能芯片的最大消费市场,如今的增长环境和商业模式也都发生了重大变化,各个厂商都进入了存量市场的白热化竞争中,当产品增速超过市场增速,相关产业链自然也就进入了漫长而痛苦的调整期。

  为什么集体选择要在制程上掰手腕?“摩尔定律已死”的话已经喊了好多年,大家都知道它的物理瓶颈近在眼前。量子计算虽然美好,但尚未进入实践阶段,距离落地微型移动芯片就更加遥远;新型半导体材料的产业化生产,也有着酱酱酿酿的技术问题有待解决;光芯片、脑芯片则更停留在畅想阶段。主力军还是只能跑在摩尔定律的制程大道上。

  当然,这一路径的天花板也是清晰可见的。按照苹果官方公布数据,A14相比A13,工艺制程从7nm升级到了5nm,但CPU只提升了17%,GPU只提升了8%,和理论值差了不少。

  “八仙各显神通过独木桥”的场景,决定了芯片厂商们必须精耕细作才能拥有机会,但最终的解决之道一定是告别无止境地内卷,向外寻找更高远的天空。

  历史上成功突破内卷的国家有很多,比如农耕文化深重的法国就转型出海,荷兰、英国、美国也曾在发展中挣脱内卷化的魔咒,其中典型的推动力如亚当斯密的《国富论》、瓦特的蒸汽机等,恰恰说明了新技术与新思想的开放、交流,最终打破内卷化。

  中国信通院的数据显示,2020年1-9月,中国市场5G手机累计出货量达到 1.08 亿部,这是移动通信行业里产业发展节奏最快的一年。

  骤增的市场需求,也吸引了各家厂商群雄逐鹿。苹果、华为、三星、高通争先领跑,联发科、紫光展锐等也在积极布局。

  苹果的5G手机也在今年千呼万唤始出来。虽然有了5G,但大家一看,有点傻眼。中国台湾地区《联合新闻网》发布的iPhone 12拆解文章中确认,A14芯片是外挂高通X55基带芯片。

  而紧随其后的麒麟9000、三星Exynos1080,都采用了将应用处理器和5G基带集成在一起,也就是SoC的方式来制造5G芯片,这样做的好处是,性能更强,功耗低,更加省电。业内的跟随也证明了麒麟路线的正确性。

  目前看来,已经推出了三代5G SoC芯片的华为显然在5G方面更加游刃有余。麒麟9000内置了华为自研基带芯片巴龙5000,5G通讯比苹果A14明显强不少。

  在麒麟9000上,支持200M的双载波聚合,在Sub-6G SA网络理论下行峰值速率达到4.6Gbps,上行峰值达到2.5Gbps,在测速软件中可以达到2.6Gbps,超出平均水平一倍,也让5G超高速率传输的特质充分落地到用户体验端,在5G SA现网环境下能打造了目前业界最快的5G体验。

  为什么苹果、高通等头部玩家坚持“外挂模式”,因为5G SoC对设计和IP方面的要求很高,天线设计、信道测量,甚至基站、现网协议匹配等等,都是学问。

  作为业界唯一能提供端到端SA/NSA解决方案的供应商(含系统、芯片、CPE/手机),华为和麒麟9000在5G领域的基本功毋庸置疑。技术品牌本身就是一种“话语权”,在移动芯片必须拥抱5G的趋势下,麒麟9000和华为在5G领域的积累与突破,也让中国头一次跻身通讯革命浪潮的头号牌桌上,只要上了牌桌不下去,一切皆有可能。

  随着人工智能等新能力的出现,移动芯片纷纷开始强调异构协同,整合CPU、GPU、NPU、DSP等单元,针对不同终端、不同任务提供弹性调用。

  要根据不同产品的受众来打造差异化体验,采购高通、联发科等的芯片显然不够,所以苹果、华为、三星都涉足了自研架构,VIVO也选择与三星深度合作来试图扩大核心部件的差异点。

  其中,苹果凭借其软硬件一体优势,其芯片领先于安卓芯片一直是业内所公认的, A14使用的自研架构,跑分成绩就超越了依靠ARM公版架构的其他芯片。

  麒麟9000全新升级Cortex-A77 CPU,采用1+3+4三档能效架构CPU,大核主频突破3.1GHz。GPU搭载了ARM架构上的G78微架构,在极小空间堆了24个GPU核心,与上一代麒麟990相比增加了一半,在性能和能效上协同打造最佳手机体验。另外值得一提的是NPU升级到了达芬奇架构 2.0 版本,创新采用双大核+微核架构,卷积网络性能翻了一番,欢乐麻将,可以灵活应对复杂或简易的AI任务。

  Exynos1080 则是三星放弃自研架构后,与 ARM、AMD 深度合作打造的。采用新一代 ARM 架构,增加了NPU和AI解决方案,大家可能注意到了,相比CPU等等传统计算单元,NPU的存在与升级,就像GPU专用于图像计算一样,凭借其在机器学习上的特殊能力,引起移动芯片厂商的广泛重视。高通骁龙 845 发布之时,还因为没有顺应 NPU 的趋势而 AI 能力落后,遭到了批评。

  这种神经网络处理器,也是在2017年由麒麟970首次引入手机的。适应AI趋势,苹果则在华为推出NPU同期选择了用传统硬件模块进行AI适配。高通的AI Engine(人工智能引擎)也是用调整CPU、GPU、DSP等多个硬件模块来达到NPU的效果。如果遇到高通量计算,就需要将数据上传到云端进行AI推理再回传到本地。

  自研架构被业内称作是移动芯片设计领域的“成神之路”,到底有多重要?举个例子,苹果处理器一开始对比安卓并没有绝对优势,直到开始自研CPU,从基于ARM Cortex-A8架构的A4芯片开始,摆脱了对三星的依赖,也逐步形成了自身的性能优势。可以预见的是,接下来的移动芯片架构之战,依然还是苹果、三星、华为这样拥有底层自研技术的巨头同台竞技。

  每到手机新品发布会环节,参数对比或许不是所有人都能看懂,但一到AI拍照、人脸识别、AR互动之类的创新应用分享,观众们立马精神起来。而当代用户最离不开的基础功能之一,就是摄影摄像。

  iPhone的相机功能从第一代产品开始,就不断有创新出现,比如2012年的全景拍摄,2015年的光学图像稳定,2016年的肖像模式等等。

  安卓阵营也在不断追赶,近年来有许多令人印象深刻的创新,像是算法层面的AI摄影,以及最近麒麟9000在硬件层面将NPU与ISP芯片相结合,打造出了差异化视效。

  ISP图像信号处理,是图像处理的硬件核心,拍摄时的对焦、曝光、合成等都离不开它,也直接决定了成像效果。传统的手机芯片,并不会集成ISP,而麒麟9000则创新性地将NPU的AI能力与ISP的影像能力融合在一起。

  这样做的好处是,影像处理有了强大的算力支撑,能够在每一帧的时间里做复杂的算法处理,同时让手机有了从“看清”走向“看懂”世界的能力,比如实时包围曝光HDR视频合成,即使在暗光下也能实时捕捉光影细节,再合成出细节充分展现的视频。

  带来的改变也是用户可以直观感受到的影像体验提升,在看视频时自动调节视频网站的清晰度,将网络不稳定或是片源质量比较差的视频,利用AI让原本低分辨率的图像变得清晰;

  又或在拍摄视频转场时,突然的明暗变化会导致细节消失,不得不暂停或分开拍摄,而搭载麒麟9000的手机则可以很好地捕捉和处理不同光线条件下的细节,为手机影像的提升提供了基础保障。

  站在今天,麒麟9000令人惊艳的革新与它面临的难题,让我想到了一首诗:如果不被河流接受,那就成为一艘船,等待风雨过后即可。纵被浪击,也绝不沉没。

  美国政治学家萨缪尔·P·亨廷顿在《文明的冲突与世界秩序的重建》中指出,高水平的经济相互依赖“可能导致和平,也可以导致战争,这取决于对未来贸易的预期”。如果各国预期高水平的相互依赖不会持续,战争就可能出现。

  显然,全球半导体产业链的相互依赖关系,必然会在地缘政治局势下变得充满不确定性,因此,各大厂商之间的战争恐怕会变得更加激烈。

  所以我们会在内卷化的同时,看到一些微妙的故事,华为高端麒麟芯片的供应困境,OV米对高通芯片采用比例下调,三星迅速入场有制衡高通的意味,高通又将骁龙875 5G芯片交给了三星来生产……一切都说明,没有人永远是这个舞台上的主角。

  在移动芯片的牌局上,中国占据的位置、手中的牌面,也备受关注。关于未来,我们没有答案,而是想讲两个故事:

  中美韩纷纷研究新材料以期替代硅材料制造半导体,日本学者曾向当局抱怨“政府支持不足”,英特尔CEO Bob Swan 也曾写公开信号称“先进芯片在美制造比例不足”,希望美国政府鼓励建生产厂。到底应该像日本一样牢牢抓住自己的产业链优势,还是像美国一样选择查漏补缺、全面撒网,对于多年造芯的中国半导体产业来说,需要选择的智慧。

  另一个故事发生在不久前,2018年华为手机出货量首次超过苹果,这是麒麟970(首款搭载了NPU处理器的华为芯片)在市场上收获的漂亮一仗。其实这款产品推出时,苹果和谷歌也都曾在产品上强调过AI,但并未深挖,这给了华为Mate10系列凭借AI摄影、GPU Turbo等技术打破了智能手机线性发展的固有路径,遇上了洗牌品牌认知、冲击原本市场结构的窗口期。

  在以技术为原力的移动芯片世界里,劳而无功的事情经常会发生,但超车机会是否会在一次次碰壁、探索中出现,考验的是勇气与毅力。

  1793年,马戛尔尼率领英国使团访问中国,当时大国余威仍在,耕地面积不断增加,人口增加到3亿,几乎达到了农耕文明的极限,年逾八旬的乾隆自得地自称为“十全老人”。

  然而上,封闭的帝国其实早已陷入了“停滞”。黄宗智在《 长江三角洲小农家庭与乡村发展》中将康乾盛世时期评价为“没有发展的增长”,即“内卷化”。但乾隆没有感觉,他拒绝了使团扩大贸易的要求,“一点儿新鲜事物都为之胆战心惊”,希望他们速速回国。

  对新事物始终保持一点敏锐、一点盼望、一点希冀,或许是行走在逆旅之中的全球移动芯片行业,以及中国都需要学习的。



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