芯片|全面解读我国在基础关键领域与国外的差距
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进入21世纪后 ， 全球数字经济大爆发 ， 互联网信息技术得到空前的发展 ， 国内涌现了一大批以阿里、腾讯、字节跳动为代表的互联网公司 ， 有效地促进了中国互联网生态的发展 。
现阶段 ， 我国很多互联网科技企业 ， 大多数以深耕应用场景为主导 ， 产出了很多具有世界级领导力的产品！比如腾讯的微信、阿里的淘宝支付宝、字节跳动的TikTok都走向了世界 ， 为这些企业的全球化发展战略打下了坚实的基础！
在国内 ， 这些互联网公司推出的各种互联网产品 ， 很好的满足人们不断增长的需求 ， 极大地便利和丰富了人们的日常生活 ， 比如百度地图、高德地图和滴滴出行方便了我们的出行；微信支付和支付宝便捷了我们的日常支付；淘宝、京东和拼多多很好的满足了我们的购物需求；美团和饿了么是我们外卖订餐更加方便快捷 。
这些强大的互联网产品的背后都是大数据、云计算和人工智能等高端技术的支撑 ， 在这些高端技术领域中国也取得了很大的发展与突破 ， 在国际上也具有了很强的竞争力！
但这些都属于最上层的场景应用层 ， 往底层的基础要素层走 ， 我们与国外先进水平差距就越大！特别是最近随着中美科技战的展开 ， 更是暴露了我们无本之木的痛点 ， 我们在基础学科研究和基础架构上落后的太多 ， 如果我们在核心的基础层无法取得突破 ， 那么我们的上层应用会显得越来越危险 ， 甚至有随时熄火倒塌的可能性 。
上层的场景应用层我们很需要 ， 底层的基础要素层我们同样也要重视起来 ， 要尽可能掌握更多的核心科技 ， 要将自己的命脉掌控在我们自己手中 ， 不能在关键领域被别人卡脖子 ， 受制于人！
我们要追赶的路还很长 ， 需要掌握的底层核心技术还有很多很多 ， 今天我们就从下面的几个领域来看一下与国际水平的差距 。
1、CPU
CPU的全称是Central Processing Unit ， 中央处理单元 ， 是计算机的运算核心和控制核心 ， 是信息处理、程序运行的最终执行单元 。 在计算机体系结构中 ， CPU 是对计算机的所有硬件资源（如存储器、输入输出单元） 进行控制调配 ， 是执行通用运算的核心硬件单元 。
CPU出现于大规模集成电路时代 ， 处理器架构设计的迭代更新以及集成电路工艺的不断提升促使其不断发展完善 。 从最初专用于数学计算到广泛应用于通用计算 ， 从4位到8位、16位、32位处理器 ， 最后到64位处理器 ， CPU 自诞生以来一直在飞速发展 。
美国的Intel、AMD ， 几乎占据了全球所有PC电脑和服务器市场 ， 在全球市场上占据绝对的垄断地位 ， 其地位无人能够撼动！
最近十来年 ， 国产CPU得到了长足发展 ， 取得了不小的进步 ， 应用领域既涵盖了嵌入式设备、服务器设备等专业领域 ， 也同时面对消费级民用市场 。 国产CPU有龙芯中科的龙芯CPU、天津飞腾的飞腾CPU、上海兆芯的兆芯CPU等 。 特别是龙芯CPU取得了很大的成功 ， 龙芯CPU采用RISC指令集 ， 类似于MIPS指令集 ， 龙芯CPU的成功研制助力复兴号高铁实现了100%国产 ， 让四代机歼20相控雷达和北斗卫星都装上了中国芯 。
对于CPU芯片 ， 主频、算力和功耗是衡量其性能的重要指标 。 作为后来者 ， 中国的研制水平离世界先进水准还是有很大差距 ， 无论是主频还是性能 ， 和Intel、AMD都有着较大的差距 。
在服务器CPU领域 ， 华为作出了表率 ， 于2019年发布了基于ARM架构的数据中心高性能处理器鲲鹏920 ， 采用7nm工艺制造 ， 可以支持32/48/64个内核 ， 主频可达2.6GHz 。
华为也同步推出了基于鲲鹏920的泰山服务器一整套数据中心解决方案 。 鲲鹏920和泰山服务器一经推出 ， 取得了良好的口碑和市场效应 ， 已陆续中标运营商及银行的多个数据中心服务器项目 。
在移动端的CPU领域 ， 美国高通的地位依然是不可撼动的 。 华为海思的基于ARM架构的麒麟CPU在很多方面超过了高通的产品 ， 但华为正面临着美国的两轮制裁 ， 麒麟芯片即将处于无人生产的境地 ， 麒麟CPU的未来还是个未知数 。 同样是使用了高端制程（7nm）的鲲鹏920 CPU芯片 ， 也面临着同样的问题 。
2、EDA芯片设计软件
当前国际上三大主流EDA软件公司 ， 分别是Mentor Graphics、Cadence和Synopsys ， 这三家美国公司在EDA行业市场形成了绝对的垄断 。 而目前能涵盖整个芯片设计和生产环节完整的EDA软件提供商只有Cadence和Synopsys 。
全球各大芯片设计厂商都需要购买他们的EDA软件 ， 比如国外的英特尔、苹果和高通等芯片设计大厂都要向这两家公司采购EDA软件和相关服务 。 在国内 ， 华为海思、紫光展锐等也要向这些美国公司购买EDA设计软件 。
国内的EDA软件研发厂商有华大九天、芯禾科技、广立微等 ， 但他们只能提供部分EDA设计工具 ， 无法提供覆盖IC 设计、布线、验证和仿真等整个产业链的EDA工具 。 而且国产EDA软件和先进工艺结合也不好 ， 对先进工艺支持不够 。 所以 ， 国产EDA公司的技术能力还远无法和这些国际顶级EDA公司抗衡 。
根据华为余承东在2020百人信息峰会上的演讲 ， 华为开始进军EDA设计软件领域了 ， 希望华为能早点取得突破 ， 打破美国公司在EDA软件领域的垄断 。
3、操作系统
操作系统是软件中最基础的软件 ， 所有软件都是运行在操作系统之上的 ， 操作系统是软件底层最基础的架构！
推出一款生态健全、成熟稳定的操作系统 ， 不是一朝一夕的事情 ， 需要经过多年的技术和经验的积累 ， 经过多年的优化和改进才能实现的 。
目前 ， 在PC领域 ， 美国微软的Windows系统占据了全球90%以上的市场 ， 占据着绝对的垄断地位 。 在服务器领域 ， 微软的Windows Server操作系统也占有相当大的市场份额 ， 美国的CentOS、RedHat等Linux操作系统也是服务器的主流操作系统 ， 特别是免费版的CentOS已经是国内IT厂商服务器操作系统的标配了！
目前国内也涌现了一批国产操作系统 ， 比如由中兴通讯和中国电子等产业联盟推出UOS系统、中国电子信息产业集团旗下的中标麒麟系统和银河麒麟系统、中兴通讯的新支点系统、深度科技的deepin系统等 。 这些系统都有个共同的特点 ， 他们都是从开源的Linux系统改进而来的 。
这些国产操作系统 ， 作为PC桌面系统 ， 和微软的Windows比差的还比较远 。 因为这些系统本质上是Linux系统 ， 在制作应用程序安装包及执行安装包安装时 ， 很是繁琐 ， 对于普通小白用户 ， 远比Windows上安装程序要复杂的多 。 这点我们是深有体会的 ， 因为我们的软件也要支持国产化系统 ， 在制作安装包以及进行安装时遇到了一堆问题 。 其次 ， 就是这些国产系统对硬件和软件的兼容性比较差 ， 和Windows比差的很远 。
而Linux系统作为服务器操作系统则没有这样的问题 ， 因为服务器是专业的技术人员维护的 ， 不会面向普通用户的 ， 所以即使部署起来比较繁琐 ， 但对于专业技术人员而言 ， 这都不是事！
操作系统还有最重要的一点 ， 就是操作系统的软件生态问题 。 在office办公领域 ， 我们要感谢WPS之父求伯君以及重要开发人员雷军 。 求伯君是中国第一代最伟大的程序员 ， 没有之一！求伯君在90年代开发的文字处理软件甚至比同时代的微软产品还要高上一个档次！小米的boss雷军也是程序员出生 ， 其水平也在顶尖行列 ， 也是WPS重要开发人员 。 我们可以用WPS实现对微软office软件的完美替代 ， WPS推出了支持国产系统的版本 。
但对于科技、工程、数学等领域的大型工程软件 ， 他们大多是美国的软件公司开发的 ， 他们都只支持微软的Windows系统 ， 比如大型工程仿真软件MATLAB、工程制图软件AutoCAD、三维机械设计软件SOLIDWORKS、三维游戏动画设计软件UNITY3DMAX都只开发了支持Windows操作系统的版本 ， 他们不可能为中国的国产系统开发对应的版本 ， 所以这些大型工程软件在国产系统上是没有替代品的 ， 这将是阻碍国产操作系统真正走向通用市场的绊脚石 。
国产操作系统只能满足简单的办公需求 ， 没有覆盖所有工程领域与业务场景 ， 这是远远不够的 ， 可用性会大打折扣的！
华为推出的鸿蒙系统 ， 可以很好的兼容安卓系统 ， 可以很好的解决手机操作系统的问题 。 鸿蒙系统还可以用作PC端的桌面操作系统 ， 但是和其他的国产系统一样 ， 同样面临着巨大的软件生态问题 。 桌面系统的软件生态 ， 和手机端的相比 ， 要难的多！因为一般情况下 ， 手机端不会部署大型的工程设计软件 。
4、半导体精密制造我国大陆半导体芯片设计领域取得了很大的进步 ， 以华为海思、紫光展瑞为代表 ，特别是华为海思 ， 海思的芯片设计能力已经进入了全球前五的行列！但是在芯片生产制造领域 ， 与国外则有着很大的差距 。
决定芯片的综合性能的关键因素就是生产芯片的工艺与制程 。 芯片制程直接决定了芯片的功耗与性能 ， 采用先进的制程能有效的降低芯片的功耗 ， 有效的提高芯片的集成度和芯片的性能 。 这也是芯片设计厂商和芯片代工厂商追求先进制程的最根本、最直接的原因 。
一颗芯片的生产制造过程非常复杂 ， 从硅的采集、提纯 ， 到晶圆的切割、光刻 ， 再到刻蚀、芯片测试、最后封装 ， 每一个步骤对技术的要求都非常严苛 ， 而光刻是这一过程中最复杂、最关键的工艺步骤 ， 也是成本最高、经验最匮乏的一步 。
其中一个重要的设备刻蚀机 ， 已经被尹志饶博士领衔的中微半导体攻克 ， 中微半导体研制的刻蚀机达到了国际先进水平 ， 已成功打入国际高端半导体市场 。
光刻的核心设备光刻机则是半导体工业领域一块最难啃的骨头 ， 被誉为半导体工业皇冠上的明珠 。 光刻机的指标与性能决定了芯片生产的制程 ， 芯片的制程则直接决定了芯片的集成度、功耗与性能 。
一台光刻机的零配件高达数万个 ， 制造过程极其复杂 。 光刻机集合了数学、光学、力学、高精度计量学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、高精度运动与机械控制、自动化、软件、图像识别领域的顶尖技术 ， 制造难度之大超乎想象 。
全球最高端的5nm光刻机只有荷兰的ASML才能造的出来 ， 而日本的尼康、佳能 ， 中国的上海微电子只能制造低端的光刻机 ， 很难满足芯片高尖端产业的高端需求 。
全球最先进的半导体芯片制造厂商是台湾的台积电 ， 三星和Intel紧随其后 。 台积电是最先实现5nm制程量产的厂商 ， 华为的手机麒麟芯片、鲲鹏920服务器芯片、昇腾AI芯片、5G芯片都使用了台积电的7nm或5nm的制程 。 因为美国对华为第二轮制裁 ， 美国禁止所有使用到美国半导体设备和技术的芯片制造厂商为华为代工芯片 ， 华为高端芯片将面临无人代工的局面 。
大家曾寄希望于大陆最先进的半导体芯片制造商中芯国际 ， 目前中芯国际已经实现14nm的量产 ， 但华为高端芯片所需要的更先进的7nm和5nm的制程一般需要ASML的5nm EUV极紫外线光刻机才能实现 。
中国大陆的上海微电子已经量产的光刻机只能达到90nm ， 据悉上海微电子有望突破28nm ， 但是离5nm差距还比较大 ， 无法满足中芯国际的需求 。 之前中芯国际已经向ASML订购了一台5nm EUV极紫外线光刻机 ， 但因为美国从中作梗 ， 迟迟未能交货 ， 最终购买计划搁浅 。
高端光刻机已经成为阻碍大陆半导体工业发展的最难跨越的绊脚石 ， 我们至今还没掌握相关的核心技术 。
5、FPGA、DSP、AD/DA等高端通用型芯片领域
在FPGA领域 ， FPGA巨头都在美国 ， Xilinx ， Altera ， Lattice ， Actel ， Atmel ， Avago ， Cypress等 ， 各自都有自己的独门秘密武器 。 其中Xilinx是全球FPGA的霸主 ， 千万门级 ， 16纳米的领先者； Actel是反熔丝的先驱 ， 宇航级的开拓者 ， 其他任何一家的产品 ， 都是工业级、军工级 ， 宇航级产品不可缺少的核心芯片 ， 也是全世界国家从事尖端科技的短板和苦主 。
在DSP领域 ， DSP芯片已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件 。 高端的DSP芯片基本被美国TI德州仪器、美国ADI亚德诺半导体、美国摩托罗拉、荷兰恩智浦等少数公司垄断 。 国产DSP厂商主要有中电14所、中电38所、湖南进芯电子、北京中星微电子、中科院、华为等 ， 但是国产DSP芯片在性能上 ， 与国外的产品有着较大的差距 。
在AD/DA数模转化芯片领域 ， 高端市场也是被美国TI德州仪器、美国ADI亚德诺半导体、美国摩托罗拉等公司垄断 。
这些领域由于都是属于通用型芯片 ， 具有研发投入大 ， 生命周期长 ， 较难在短期聚集起经济效益 ， 因此在国内公司层面发展较为缓慢 ， 甚至有些领域是停滞的 。
写在最后【芯片|全面解读我国在基础关键领域与国外的差距】我国在应用软件层面取得了巨大的成功 ， 但是在底层核心基础架构方面 ， 我们与国外的差距非常明显 。 我们必须要正视这个差距 ， 奋起直追 ， 争取掌握更多的核心技术 ， 唯有这样 ， 我们才能在未来的科技竞争中不被卡脖子 ， 才能立于不败之地！
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