麒麟絕唱,華為「芯」傷

「華為Mate 40搭載了強大的麒麟9000芯片,是華為史上最強大的芯片。」余承東在華為Mate 40的發佈會上介紹到。                                              

根據余承東的介紹,麒麟9000是世界上首個採用5nm製程的5G手機SoC,集成153億個晶體管,相比於A14多了30%,集成8核CPU、24核GPU和NPU AI處理器,另外還搭載華為自研第三代5G移動通信芯片,與同類旗艦芯片相比均有速度方面的提升,表現優異。

不過這一款「世界尖端的5G SoC」,在備受打壓之下即將成為華為手機芯片史上的絕唱。

「絕唱」一詞,給予麒麟9000肯定的同時略顯悲壯。

悲壯之外,華為從自研手機芯片發展至今,還經歷了什麼樣的變化?

復盤華為手機芯片的發展歷程,可以用「一切皆有可能」概括之。

從GSM到華為終端公司

在華為手機芯片發展史上,有兩個不可或缺的部分,華為終端公司和海思半導體。

華為最早以交換機起家,之後注重無線技術領域的產品研發,成立終端公司則是一次戰略失誤后的決定。

早在1995年,華為就看好無線通信網的未來,鑒於CDMA的高端技術幾乎被美國高通所壟斷,華為選擇了另一種無線通信技術——全球移動通信技術(GSM)產品的自主研發。

1997年,中國移動採用的GSM設備在國內移動用戶佔有率達到42.5%,在國內移動通信市場取得巨大成功。看中這塊市場,同年7月,華為用第一代自研GSM系統成功撥通第一通電話后,便立即集中火力投入到GSM商用產品的研發,甚至為避免資源分散,放棄了已經取得一點成績的CDMA的研發。至於當時從日本傳來的小靈通(PHS)技術,華為認為該技術落後,很早就放棄了。

然而,世事難料,郵電拆分后,中國電信遲遲拿不到移動牌照,選擇了PHS,而中國聯通也選擇了CDMA,華為既沒有打入中國電信和中國聯通的市場,也遲遲未進入中國移動的主流GSM市場。不過華為沒有屈服,而是反倒以更強的力量投入到GSM產品的更新換代之中,順勢開始研發3G,這才有了後來的終端公司。

「當年我們沒有想過做終端,是被逼上馬的。華為的3G系統賣不出去,是因為沒有配套手機可以用。」任正非談及成立終端公司的原因時說到。

2003年,華為斥資十億做手機,並成立了獨立的終端公司。在很長的一段時間裡,華為手機的發展並不順利,為了在手機紅海中殺出一條路來,華為手機選擇做搭配自己的3G系統做運營商定製機,但利潤率極低,甚至險些在2008年被賣掉。

但正是這在風暴中存活下來的華為手機,日後成為華為手機芯片成長路上的「最強輔助」。

終端公司與海思手機芯片,從單幹到合體

在華為終端公司成立不久后不滿一年的時間裡,海思半導體也成立,其設計的芯片獨立核算、獨立銷售,內部稱為「小海思」。

海思半導體的前身是1991年成立的華為集成電路設計中心,在華為的支持下,海思半導體成長迅速。根據ICinsights數據顯示,2017年海思的銷售額已達47.15億美元(約317億元人民幣),躋身全球十大芯片設計公司,位居第七。

在做手機芯片之前,「小海思」做過SIM卡芯片、視頻監控芯片、機頂盒芯片等業務。雖然海思半導體和華為終端公司成立時間間隔不久,但根據華為老兵戴輝的介紹,海思決定做手機芯片,是被渴望賺快錢所刺激的,與終端公司並沒有什麼關係。從華為手機芯片初期的商業模式來看,確實如此。

2006年,聯發科推出GSM的交鑰匙解決方案,山寨的GSM功能機產業迅速崛起,海思看得眼紅,希望能夠複製聯發科的模式,同年着手啟動GSM智能手機交鑰匙解決方案的開發。

歷經三年,終於在2009年,海思推出第一個GSM低端智能手機解決方案,採用Windows Mobile操作系統。其中基帶處理器(BP)技術自研,技術源自華為GSM基站。應用處理器(AP)芯片名為K3V1,採用110nm工藝製程,當時競爭對手的工藝製程已經達到65nm、55nm甚至是45nm。

這裡的工藝製程代表的是集成電路的精細度,一般而言,工藝製程越先進,器件的特徵尺寸越小,集成度越高,功耗就會降低,器件性能得到提高。110nm相對於45nm而言,意味着高功耗和低性能,加上Windows Mobile操作系統也已日落西山,有方案沒客戶,華為第一代GSM戰績慘烈。

即便是借鑒聯發科找山寨廠做整機也沒能大賣,K3V1最終還是淪為「試錯」產品。這也讓華為意識到,聯發科的模式無法複製,要想讓華為的芯片存活,就要依靠自己的手機,移動終端和手機芯片必須結合起來。

2009年,移動終端芯片從海思半導體轉移到華為的移動終端公司體內,也就是內部所稱的「大海思」,為補償海思半導體的前期投入,移動終端公司為其支付3千萬美元。

自此,海思移動終端芯片的商業模式徹底改變,並由有「拚命三郎」之稱的王勁負責移動終端芯片的研發。

王勁帶領團隊設計出用於處理通信協議的「巴龍」芯片后,時隔兩年,即2012年開發出第二款手機SoC芯片K3V2,採用Arm架構,支持安卓操作系統。

這顆芯片有很多突破性的成績,它是第一顆用在華為自家手機上的芯片,是當時業界最小的手機芯片,也是繼英偉達tegra3之後的第二顆四核A9處理器。

突破性成績的另一面,是台積電40nm工藝製程和比較少見的來自Vivante公司的GC4000 GPU,同時期的高通APQ8064和三星Exynos4412都已經用上了28、32nm的工藝。相比之下,K3V2功耗高發熱量大,GPU兼容性差。

當時分管海思市場營銷的艾偉曾表示,K3V2雖然是當時較為成熟的一款產品,但相比同時期高通的旗艦處理器仍有明顯差距。K3V2帶給手機用戶的糟糕體驗並沒有獲得市場的認可。

華為Ascend D 手機,圖片源自愛搞機

儘管K3V2飽受詬病,但是華為一直堅持在自家的手機上用這款芯片,不斷從軟件側和硬件側改進,從D系列開始,P系列、Mate系列均是搭載K3V2,直到P6,連余承東都開始動搖了,任正非還是堅持要用。當時有網友調侃余承東:「海思恆久遠,一顆(K3V2)永流傳」。

至於為什麼要堅持用K3V2,這是華為相比於其他手機廠商的優勢,華為手機為海思芯片提供了試錯的機會,而海思芯片正是在不斷試錯中一點一點改進。在任正非看來,海思芯片是華為手機的長遠戰略投資,是需要聚焦的主航道,需要花大力氣投入,為此任正非還不惜砍掉了歐洲運營商上千萬的定製手機。

華為將自研芯片最終賭注押在P6上。P6是一款定價較低的超薄旗艦手機,厚度6.18毫米,採用大量前沿工藝,依然搭載做了少許改進但本質上並沒有太多變化的1.5GHz的海思K3V2四核處理器。

無論是從P6的生產上,還是從P6的傳播上,華為幾乎都耗盡全力,拚死一搏,生產時研發團隊沒日沒夜地在生產現場蹲守、推廣時地毯式地廣告轟炸和媒體投放。

終於,P6成為中端機型中的爆款。不幸的是,王勁在此次「戰役」中勞累過度,因病逝世,幸運的是,王勁及其團隊的努力沒有白費,華為手機芯片開始走上坡路。

華為手機加麒麟SoC的高光時代

王勁之後,胡波接任,華為手機芯片厚積而薄發。

正如「麒麟」這一中國神獸的名字一樣,作為華為的「神獸」,麒麟芯片帶領華為走向新高度。

2014年初,華為海思推出了首款手機SoC麒麟910,作為全球首款四核SoC芯片,搭載4x A9 1.6GHz CPU,Mali-450 GPU,支持LTE 4G網絡,實現了性能與功耗的平衡,華為Mate2、P6 S、P7、H30等手機均搭載麒麟910,贏得得了良好的口碑。

這也是華為海思麒麟SoC時代的起點。

事實上,繼K3V2之後,2012年底,華為內部針對要不要繼續開發K3V2 Pro版本討論過一段時間,但後來覺得其競爭力弱,停掉此項目,並於2013年立項了名為「K3V3」的新項目,期望在做一顆規格領先的獨立芯片,外掛一顆全球首發支持的LTE Cat.6的巴龍720芯片,採用應用處理器外掛基帶的模式交付終端客戶。

不過,就在項目按計劃進行時,華為芯片研發主管William指出這種交付模式的成本競爭力不夠,希望能夠在保證規格競爭力的同時降低整體成本。團隊最終決定,採用整合AP和BP的SoC方式,並確定於2013年4月投片。

麒麟910之後,與其并行開發的麒麟920也於同年推出,大膽採用四大核A15與四小核A7 CPU相結合的架構,性能與功耗均衡,取得突破性成績。當時搭載麒麟920的Mate 7發佈時十分火爆,華為手機部門的老員工都搶不到貨。

2014年,華為首款64位手機SoC麒麟620發佈,搭載該顆芯片的榮耀6X成為華為首款出貨量超過一千萬的手機。至於麒麟600系列首款SoC為何叫麒麟620而不是610,是因為華為此前規劃了32位的麒麟610,後來轉為64位,計劃終止。

2015年,華為海思相繼推出麒麟930和麒麟950,麒麟930是900系列從32位向64位轉化的節點,麒麟950更是取得突破性成績,直接跳過20nm工藝製程,是業界率先使用台積電16nm FinFET(鰭式場效應晶體管)工藝的SoC。

儘管隨着摩爾定律的演進,16nm放在今天已經不能算是特別尖端的工藝,但在2015年卻站在全球半導體工藝的最前沿。當時的海思規模小,在台積電的客戶排名上處於50名開外的位置,想要率先導入16nm工藝,不僅面臨著工程化難題,還面臨著合作難題。

麒麟能夠率先用上16nm工藝,得益於華為海思總裁何庭波的前瞻性,她很早就意識到手機芯片工藝的技術極限,在手機芯片主流市場普遍使用28nm的時候,就開始思考2年後的麒麟該何去何從。

2012年底,何庭波拜訪FinFET晶體管技術發明者胡正明教授,請教FinFET技術在16nm工藝上的可實現性,此後決定直接跳過20nm,專註16nm的技術突破。

2013年1月,何庭波帶領海思骨幹成員去台灣拜訪時任台積電輪值CEO劉德音,儘管2013年的華為海思手機芯片產量不大,但台積電卻看到了海思芯片在華為手機未來全球版圖規劃中的重要性,促使兩者在此次會面中達成戰略協議,海思成為台積電16nm首發合作夥伴。

除了先進工藝,麒麟950還有其他跨越性成績:首次實現自研ISP(圖像信號處理)、DDR(雙倍速率同步動態隨機存儲器)、Phy(端口物理層)、PMU(電源管理單元)並商用,採用新一代自研芯片,支持全國漫遊……

據悉,相比於麒麟930,麒麟950在性能提升11%的同時,功耗降低20% ,圖形生成能力提升100% 。

後來,從麒麟960到麒麟990的迭代,麒麟SoC也分別率先使用10nm和7nm+工藝,華為海思一次又一次站上世界半導體工藝的最前沿,躍升為台積電的第二大客戶。

今年4月,國內分析機構CINNO Research發佈的月度半導體產業報告顯示,華為海思在中國智能手機處理器市場的份額達到43.9%,首次超越高通。在之後IC Insights公布的2020年第一季度全球前十大半導體廠商中,海思首次位居其中,而這些成績也逐漸被國際科技巨頭視為有力的競爭對手。

重重打壓,麒麟9000或成絕唱

從古至今,似乎可以將打擊分為兩種,「落後就要挨打」和「槍打出頭鳥」,華為屬於後者。

2018年,美國政府開始針對華為採取制裁措施:反對華為與美國電話電報公司 AT&T 簽約,禁止華為手機進入美國市場;美國政客多次表示華為手機留「後門」並竊取用戶數據,呼籲盟友禁用華為設備;8 月簽署《國防授權法案》,禁止美國政府和政府承包商使用華為和中興的部分技術等等。

最終在2019年5月15日,華為公司及其 70 家附屬公司被美國商務部工業與安全局(BIS)列入出口管制「實體名單」,儘管海思的備胎一夜之間全部轉正,但不得不面對麒麟芯片原先所依賴的全球產業鏈斷裂、生產陷入困境的事實。

華為採取了許多補救措施,一邊瘋狂加碼產能,一邊尋找實體名單之外的公司尋求合作,但是美國政府的打擊力度越來越大,被列入實體名單的公司越來越多,華為最擔心的事情還是發生了:自2020年9月15日起,台積電等代工廠不再為華為代工。

余承東在中國信息化百人會2020年峰會上遺憾地表示,今年可能是麒麟高端芯片發展的最後一代。與此同時,原本應該發佈的麒麟1020處理器「憑空消失」,麒麟9000取而代之,這一行動被外界解讀為是華為將原本的麒麟1020處理器改名為麒麟9000,期望在未來靠自己的力量來彌補從1000到9000的差距,不僅有設計芯片的能力,還有自己製造手機芯片,即從只做設計和銷售的Fabless模式轉變為還包括製造、封裝測試在內的IDM模式。

不過,從全球半導體產業商業模式的發展來看,為了擴大生產規模和提高競爭力,從IDM轉變為Fabless的公司較多,礙於全球已有的半導體產業鏈格局和資金風險,幾乎沒有Fabless成功演變為IDM公司。

轉變或者不轉變,擺在華為面前的,都是難題。

雷鋒網小結

縱觀華為手機芯片發展歷程,在不到20年的時間裡,從堅持不做手機到轉變觀念成立終端公司,從備受群嘲的K3V2到一騎絕塵的麒麟芯片。

雖然華為手機芯片之路暫時將在麒麟9000畫下句點,但華為手機芯片的明天同樣值得期待,就像當初華為堅持在自己的手機上用K3V2時,沒有人能夠預料華為能夠設計出業界領先的麒麟芯片。

華為手機芯路,一切皆有可能。

文中未標註圖片源自華為

本文參考來源:

1.《華為研發》,張利華,2017

2.《熵減:華為活力之源》,華為大學,2019

3.《一位前華為人親歷的華為手機發展史:最牛產品是如何煉成的》,上觀新聞,戴輝,2018

4.《華為手機往事:一個硬核直男的崛起故事》,張假假,2019

5.《華為芯片20年》,陳杭,2019

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