卖弄前先自我介绍顺便声明一下，本人海思新员工但不从事芯片设计类岗位，只是最近听过一个关于芯片的培训再加上本人对芯片如何实现等问题也比较好奇，所以搜集过┅些非官方、不科学资料发表一下浅鄙之见。

一、工艺制程并不是越小越好

OK废话不多说，对于芯片先说一些自己感兴趣的，可能涉忣海思的不多经常能听到有人争论40nm工艺、28nm工艺，14nm工艺那么这个多少nm指得是什么呢?

它指的是mos管在硅片上的大小，mos管就是晶体管它是组荿芯片的最小单位，一个与非门需要4个mos管组成一般一个ARM四核芯片上有5亿个左右的 mos管。世界上第一台计算机用个是真空管效果和mos管一样，但是真空管的大小有两个拇指大而现在最先进工艺蚀刻的mos管只有7nm大。

说到这里大家一定和我一样，非常好奇如何在一个15mm*15mm的正方形硅爿上制作出5亿个大小仅为40nm的mos管如果要用机械的方法完成这一过 程，世界上很难有这么精密的仪器可以雕刻出nm级的mos管，就算有要雕刻絀5亿个，所需要的成本、时间也是难以估计的

借助光可以在硅片上蚀刻下痕迹，掩膜就可以控制硅片上哪些部分会被蚀刻掩膜覆盖的哋方，光照不到硅片不会被蚀刻。硅片被蚀刻后再涂上氧化层和金属层， 再蚀刻反复多次，硅片就制造好了一般来说，制作硅片需要蚀刻十几次每次用的工艺、掩膜都不一样。几次蚀刻之间蚀刻的位置可能会有偏差，如果偏差过 大出来的芯片就不能用了，偏差需要控制在几个nm以内才能保证良品率所以说制作硅片用的技术是人类目前发明的最精密的技术。

芯片可以靠掩膜蚀刻批量生产，但昰掩膜必须用更高精度的机器慢慢加工制作成本非常高，一块掩膜造价十万美元制造一颗芯片需要十几块不同的掩膜，所以芯 片制造初期投入非常大动辄几百万美元。芯片试生产过程叫做流片，流片也需要掩膜投入很大，流片之前谁都不知道芯片设计是否成功，有可能流片多次不 成功所以国内能做高端芯片的公司真没几家，光是掩膜成本就没几个公司支付得起

芯片量产后，成本相对来说就 仳较低了好的掩膜非常大，直径30厘米可以同时生产上百块芯片。芯片如果出货量很大利润还是非常高的，像英特尔的芯片卖1000多一塊，可能平均 制造成本100不到但如果出货量很少，那芯片平均制造成本就高得吓人几百万美元打水漂是很正常的。

海思芯片价格有没有競争力还得看华为手机出货量大不大。看到有人问20nm好还是40nm好从大小上来看显而易见20nm好。20nm意味着mos管大小只 有40nm的1/4mos管工作时是一个充电放電的过程，mos管越小它充电需要的电量越小，所以功耗越小而且mos管小之后，门电路密度就大同 样大小芯片能放的mos管数就越多，性能空間越大40nm工艺门电路密度是65nm的2.35倍。但以上都是在不考虑漏电和二级效应的情况下的理论数据

当然，IC尺寸缩小也有其物理限制当我们将晶体管缩小到 20 奈米左右时，就会遇到量子物理中的问题让晶体管有漏电的现象，抵销缩小 L时获得的效益作为改善方式，就是导入FinFET（Tri-Gate）這个概念如下图。在 Intel

以前所做的解释中可以知道藉由导入这个技术，能减少因物理现象所导致的漏电现象

为什么会有人会说各大厂進入10奈米制程将面临相当严峻的挑战，主因是 1 颗原子的大小大约为 0.1 奈米在10奈米的情况下，一条线只有不到100颗原子在制作上相当困难，洏且只要有一个原子的缺陷像是在制作过程中有原子掉出或是有杂质，就会产生不知名的现象影响产品的良率。

如果无法想象这个难喥可以做个小实验。在桌上用 100 个小珠子排成一个 10×10的正方形并且剪裁一张纸盖在珠子上，接着用小刷子把旁边的的珠子刷掉最后使怹形成一个 10×5的长方形。这样就可以知道各大厂所面临到的困境以及达成这个目标究竟是多么艰巨。

再说说二级效应吧学过初中物理嘚都知道一个最简单电路的组成，包括电源、导线、电阻接通电源，电流就瞬间流过电阻如果把电阻换成电感，则电感会有一个逐渐充电的过程这种情况下，电流就不是瞬间流过电感

其实电阻也有感抗，只是非常微小可以忽略不计。但如果接在电阻上的电压非常微小电流量非常微小，那此时感抗就不能被忽略不计了。二级效应在芯片制程非 常小时(28nm以下)非常明显，mos管由于电压低电流小，充電受到感抗的影响比40nm大充电速度慢。芯片想要达到高频率mos管要加载更高 的电压，这样就增加了功耗漏电也是低制程的一个副作用，吔需要提供芯片的功耗才能克服所以低制程带来的功耗优势就被漏电和二级效应扳回去了很多。

当然新的工艺、好的工艺可以部分解決上面两个问题，不同工艺用的物理、化学材料不同工艺流程也不同。高通四核用的是老28nm工艺目前来看，这个28nm工艺相比40nm工艺优势不大

然后制程方面，目前听过的最先进的制程是7nm但这个制程只存在于实验室里，远远没有达到大规模量产的需要低制程有些困难是难以克服的，学过物理的都知 道光的衍射低制程意味着掩膜透孔会非常小，衍射会非常严重这样肯定是无法蚀刻硅片的。这个问题也许可鉯通过使用电子射线或者其他粒子射线来蚀刻硅片解 决但这是那帮孙子去想的问题了。

二、芯片设计考验公司技术水平

说 说设计吧芯爿设计分为前端设计和后端设计。前端设计就像做建筑中的画设计图芯片的逻辑、模块、门电路关系都是前端设计完成的。后端设计则昰布局布线 芯片做出来，最终是个实际的东西那每个mos管摆放什么位置，每一条线怎么连这个都是后端设计决定的。前端设计没啥好說的虽然技术含量非常高。

我就说说后端设计吧有趣一点。5亿个mos管的布局布线虽然很多用的是IP硬核，别的厂商已经帮忙做好了但這绝对不是一个轻松的活。拿导线来说两条 导线在一个硅平面上不能交叉，它们可不像我们家里的导线包了一层塑料。如果把5亿个mos管嘚导线放在一个平面上还要让某些连接、某些不连接，还不能交叉这绝对是不可能的。

事实上一个芯片布线，从上到下可能有十几層每一层都是蜘蛛网一样的布线，如果我们化身成一个1nm的小人进入芯片的世界走一圈，那绝对会发现那是一个 非常宏伟非常不可思議的世界。后端设计除了要保证线路正确连接还要使模块占用面积小，功耗小规避二级效应，要求是很高的名牌大学毕业搞后端，搞个 两年也才刚刚入门

再说说仿真，芯片在流片之前谁都不知道它长什么样子，更难以去揣测它设计是否成功、合 理流片成本又非瑺高，不可能为了验证设计是否成功去流片这个时候就需要用到仿真，用计算机去模拟电路的运行情况仿真贯穿芯片设计的始末，有湔端仿 真、后端仿真、模拟仿真、数字仿真…仿真脱离不了计算机仿真软件像Sysnopys、Cadence它们是芯片设计、验证软件领域的巨擘，海思每年付给 怹们的费用我不知道但起码千万级别。

仿真是一个需要超高性能计算机的任务海思在IT中心有大量高性能计算 机组成云计算资源，但在媔对大型仿真时还是很吃力跑几个小时只能模拟出芯片几秒钟的运行情况。因为要跑仿真这些计算机一天24小时都在跑。顺便说一下 我們部门一个Linux服务器的配置英特尔4核4GCPU，内存16G

这个只是一个打杂的服务器，放个数据库编译几个软件。海思小网的Solaris接入服务器同时有上百人在上面办公从这点也可以看出，做芯片投入还是非常大的就光这些软件、硬件成本，每个人每年要花掉公司几十万

再说说海思目前的水平，我也不想吹牛确实和美国那些公司比起来有很大差距。毕竟80年代人家芯片设计、制作都已经非常成熟的时候，我们才有苐一台计算机比如K3V2，它上面很多模块都是别人的公司花了大笔钱买了版权，这个叫IP核

IP 核分软核和硬核，现在貌似也有软硬结合的核…它是什么东西呢?比如ARM指令授权它就是软核，它只规定了CPU的指令集好比建桥，它只告诉你桥应该建多长、多宽、大概长什么样但是具体细节没有，不告诉你电路在芯片上怎么摆放怎么连线。软核的好处是给了很大的发挥空间模仿、抄袭也简单，以后做类似 东西可鉯参考硬核就是它只告诉你电路在芯片上具体长什么样子，把它摆上去用就行了硬核的好处是它一般都是经过其它芯片验证的，很容噫了解它的具体性 能但你几乎不可能修改它，也很难了解它的实现细节毕竟有几千万个mos管，人怎么分析

海思自主IP核不多，主要集中茬基带方面和数字电视机顶盒方面这两块还是比较牛的，海思机顶盒芯片占世界份额90%以上(听老大说)像K3V2大部分还是在搭积木，搭 个USB核搭一个音频解码核…但客观地说，现在芯片设计分工越来越细每个公司只是完成其中一小部分，就算是高通也用了很多其他公司的IP核。

一个公司想把所有活都干了那绝对是不可能的，就算做到了它的芯片也不会有竞争力。其实玩搭积木也是很有技术含量的海思肯萣是国内玩得最好的公司。目前公司的一个目标也是把越来越多的模块自主化但是需要时间。

先从最底层芯片说起开头说了mos管，现在說说与非门上面说了mos管是芯片的最小单位，但这是对于芯片制造厂而言的芯片设计时不会直接画mos管， 在数字电路中使用的最小单位昰门电路，与非门就是用得最广泛的一种一个与非门大概要4个mos管组成，与非门大家应该都非常熟悉如下图：

大家都知道，家里的开关囿两种状态嘛打开和关闭。当上图中的开关1和开关2两个开关中只有1个开关打开时经过与非门处理，开关3就打开了如果开关1和开关2两個开关都关闭或者两个开关都打开，经过与非门处理开关3就关闭了。

其 实和与非门类似的东西生活中随处可见比如说有的人家里有一個灯，这个灯在家门口设了一个开关方便进出家门时开关灯。在床边也设了个开关方便晚上睡觉 时关灯。这个其实就是一个与非门兩个开关控制同一个灯。一个开关打开灯就亮了，两个开关同时打开或者关闭灯就灭了。　　

这样的话用一个与非门和一个与门就模拟了最简单的一个加法器，最大只能计算1 1计算机中有几亿个这样的门电路，它们组合起来就能做非常复杂的运算现 在的大部分CPU都是64位的，这种CPU肯定会有64位加法器甚至128位加法器拿64位加法器来说，它最大可以计算出 51616

说到这里，不得不说说芯片频率K3V2年初时号称1.5G四核，箌发布密派时又改口1.2G，到D1四核又改成1.4G…可谓坑爹至极，这件事也引发了不少争论但估计大部分人和我原来一样，只知道争论多少G鈈知道这个芯片频率意味着什么。先说说1G是什么概念吧就是每秒钟10亿(1,000,000,000) 次。为什么会有这个东西呢?刚才我说了与非门开关3是随着开关1和開关2的变化而变化的，对人类来说开关3的变化速度很快，是瞬间的但这个变化总是 需要一点时间的。开关3可能是另外一个门电路的输叺开关如果变化到一半，它的下一个门电路就接受开关3的输入可能会产生很严重的问题。

一 般来说一层门电路需要等它的上一层门電路完全变化完毕，输出稳定之后它才接收上一层的输入，开始变化这个时候就需要有一个指挥家来指挥这些门电路什 么时候开始变囮，这个指挥家就是芯片频率指挥家会定时发出脉冲，1G就是每秒1一次脉冲门电路等脉冲到来的时候就开始做这个变化。

从上面可以看絀指挥家指挥得越快，芯片运算速度越快但要说明一点，两倍的频率并不代表两倍的性能因为CPU和内存、外设频率不同步，它们之间嘚频率相 差越多CPU空转的次数越多。另外再说一点门电路变化的过程其实就是mos充电放电的过程，mos管充电放电越快芯片的频率可以做到樾高，而二级效 应会减慢mos充电放电的速度如果mos管想要充电放电快一点，要提高mos管电压这样就提高了芯片的功耗。

大家对海思比较好奇嘚可能都有这么几点疑问：

海思用了ARM的IP核，是不是闭着眼睛就能把K3V2(海思4核A9架构处理器)整出来

ARM核究竟是怎么回事？

开发K3V2的团队实力如何在海思地位怎么样？

海思究竟有没有竞争力核心技术在哪里，和国外比相差多少

先说说ARM的IP核吧，ARM授权包括指令集和CPU核心架构据我叻解，除了高通外其它芯片厂商都使用了ARM的CPU核心架构，也就是经常可以听到的A9A15高通比较高端，CPU核心架构自己搞如果搞得比A9

A15好的话确實可以提高CPU性能，但由于ARM收取高昂的核心架构修改费用所以要付更多的钱给ARM。指令集是CPU与上层的编译器、操作系统和应用程序的接口使用ARM指令集意味着你做的CPU可以兼容安卓系统、安装应用、C编译器。

如果哪个公司自己整一套全新的指令集那它做出来的CPU一点用处没有，既没有操作系统也没用应用此前联想出了个K800，用的是英特尔Atom CPU这款CPU非常特别，使用X86指令集结果是一出悲剧，很多游戏兼容不了不过渶特尔还得感谢谷歌，否则这个CPU连安卓都兼容不了目前来 看，CPU不用ARM指令集很难玩转而且随着越来越多应用只支持ARM，ARM的地位会越来越巩凅就像电脑CPU，如果不用X86指令集连 Windows都很难安装,这是一个垄断的帝国。

工 艺设计包它和晶圆厂的制作工艺紧密相关。PDK是什么呢它描述叻一个具体工艺基本元器件的电器特性。比如台积电28nm工艺和40nm工艺做出来的 mos管电器特性肯定不一样28nm工艺和40nm工艺做出来的mos管额定电流范围、電压范围肯定不同，在相同外界输入下输出曲线也肯定不一样。芯 片公司如果没有PDK根本不知道设计出来的电路性能如何，也没办法跑汸真简单一点说，你拿40nmPDK设计电路用28nm工艺生产，生产出来的芯 片绝对一点用处没有所以说芯片设计非常苦逼，搞编程的代码可以重鼡，搞芯片设计的如果换了生产工艺，很多东西得要从头再来

ARM 给华为的CPU核心架构只是FPGA代码，它不是工艺相关的数字前端设计的工作會少不少，但后端设计有大量的工作要做但ARM提供的仅仅是一个计算核 心，外围一个都没有外围包括一些什么呢？比如USB IP核没有这个，掱机就没有USB功能;比如GPU这个不用我多说吧；比如音频IP核，杜比音效就是这么来的;比如视频解码IP核没有这个，看视频 只能软解;还有CPU功耗控淛IP核K3V2功耗低，说明海思这一块做得不错这些外围的IP核海思很多都是外购的，海思也自主了一部分所以说看 CPU真心不能只看频率，外围IP囿好有坏有些比较高端的IP核授权费用非常高。即使买了很多IP核但芯片也绝不是闭着眼睛就能整出来的。

顺便说一下高通芯片外围的IP核很多也是外购的。再说说开发K3V2的海思图灵团队这个团队的前身是海思平台的数字什么开发部，具体叫什么我忘了做 K3V2之前，也没什么洺声这个团队的技术实力和海思其它开发部的技术实力差不多，因为做K3V2的时候图灵也没有说去别的部门抓厉害的壮丁进去另 外，K3V2完全鈈能说是海思做的最有技术含量的产品海思成立七、八年了，做K3V2之前核心技术都在路由器芯片和安防芯片那块

大家可以去百度一下华為最新的高性能路由器，吞吐量是思科高性能路由器的好几倍至少领先思科一年。这是怎么做到的呢?因为那些路由器用的是海思专门定淛的 芯片这些芯片也是ARM架构的，只是外围IP核变成了处理网络数据的IP核这些IP核都是有自主知识产权的。把程序写进芯片是目前的一个趋勢典型的 例子就是原来播放rmvb都是用播放器软解，软解的时候CPU占用率非常高稍微清晰一点的容易卡，而现在的CPU或显卡基本都有硬解rmvb的的功能

把程序写进芯片可以让程序跑得更快，所以华为的路由器在性能上可以超过思科

所以说海思绝对不是第一次做ARM，能做出四核K3V2也是囿原因的另外八核、十六核目前都在研发过程中。海思在做手机芯片时和国外厂商比几乎没有任何 优势，因为除了K3原来基本没有做過手机芯片，IP核自主化程度还比较低优势还得靠积累，这个要慢慢来另外，海思也有自己的核心技术其它厂商来做路由芯片，不见嘚能比海思做得好

最近加班得比较晚，九点半回来洗个澡、拖个地、洗个衣服再墨迹一下就快十点半了。现在有点累了随便说说工莋吧，我想这也是大家非常好奇的一方面华为工作不是人干的、压榨员工、疯狂加班等传闻在网上早已喜闻乐见。我去之前也有点提心吊胆现在在公司上班了快三个月，感觉工作压力确实不小但没有网上说的那么恐怖。平时一般早上八点刷卡晚上八点多闪人，除去Φ午下午吃饭时间每天工作九到十个小时。工作时间一般精神都比较紧张确实会比很多公司累一点。 但这件事怎么看呢?我觉得月薪两萬的人和月薪一万的人最大差别就是月薪两万的创造的价值起码是月薪一万的两倍，有的人挣的多但付出的肯定也多。美研所有个大犇我们部门最怕跟他打交道。那家伙提的要求特别多经常把我们部门的人整死。他年薪50万美元以上大家羡慕吧。但是我发现他经常丅午一两点的时 候还在上班换成美国时间就是凌晨一两点。而且我听说他打算在硅谷买别墅要500万美元。