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中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

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中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

  海天出版社約我寫《華為傳》,我第一時間想到的,就是要挖掘出華為芯片的“黑”歷史。

  今年適逢集成電路發明六十周年。1958年,Jack Kilby(德州儀器科學家)與Robert Noyce(仙童科學家)分別發明了集成電路,可以將多個晶體管制作在一小塊晶片上。后者基于“硅”的集成電路技術,造就了“硅谷”!

  我們經?;崽岬槳氳繼澹╯emiconductor)、芯片(chip)、集成電路(IC、integrated circuit)、超大規模集成電路(ASIC)等四個名稱,其實通常指的都是ASIC。

1991年,徐文偉牽頭做出了華為第一顆ASIC

  集成電路發明32年之后的1990年,我踏入了東南大學的校門。

  此時,自控系碩士畢業生徐文偉(“大徐”)剛剛去了深圳,在鼎鼎大名的港資企業億利達從事高速激光打印機的開發。電路設計和匯編語言是他的強項。

  1991年,徐文偉因其杰出的硬件設計能力,被隔壁一家名叫“華為”的startup一眼看中,于是被小老板任正非“忽悠”了過來。億利達不開心,搞了點震,大徐還吃了些苦頭。

  那個時候,離開知名港企加盟前途未卜的小公司,委實需要巨大的決心。同為億利達工程師的高梅松,在聽了小老板任正非描繪的玫瑰般夢想后,不為所動,一笑置之!

中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

1991年的照片,任老板連像樣的皮帶都買不上啊

  當時的華為剛結束代理生涯,研發用戶交換機HJD48,鄭寶用負責整個系統的開發。

  大徐來了之后,建立了器件室,從事印刷電路板(PCB)設計和芯片設計。

  恰在此時,集成電路行業已經有了偉大的變革,臺積電創始人張忠謀先生打破了大一統的格局,初創企業也有機會設計芯片了!

  半導體誕生之初,Intel、IBM等少數美國公司包攬了芯片的設計和生產(所謂IDM集成設計與制造),初創企業根本無法插足半導體行業。

  大一統的局面被臺積電的張忠謀先生終結了。1987年,張忠謀在臺灣新竹科學園區創建了全球第一家專業代工公司——臺灣積體電路制造公司(臺積電),并迅速發展為臺灣半導體業的領頭羊。他開創性的定義了Foundry(芯片代工廠)這個行業,將設計和生產分開,為初創企業開辟了生存空間。

  從此后芯片設計企業只需要做輕資產的無晶圓設計(Fabless Design),拼的是人才、知識和市??;生產(包括流片)環節就外包給臺積電這樣的Foundry。大陸最有名的是中芯國際,但加工精度不及臺積電。

  北方的聯想在總工倪光南的指導下,自主研發了五顆ASIC(超大規模集成電路),并成功地應用于漢卡、微機和漢字激光打印機。1990年,他們的當家產品聯想漢卡(7型),就使用了自研的ASIC,奠定了聯想的江湖地位。

中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

倪光南展示采用自研ASIC的激光打印機

  交換機上數量最大的器件是用戶板,一塊板接8或16對用戶線,接口控制和音頻編解碼(CODEC)芯片用量很大。如果使用大家都用的通用芯片,產品就會陷入價格戰的汪洋大海中。要生猛甩開競爭對手,只能開發自己的芯片。

  大徐首先在PAL16可編程器件上設計自己的電路,在實際應用中驗證,如果有問題還可以修改。等到成熟之后,再將可編程器件上的方案,委托一家擁有EDA能力的香港公司設計成ASIC芯片后,去德州儀器(TI)進行流片和生產。

  代價是不菲的,一次性的工程費用就要幾萬美元。90年代初有外匯管制, 外匯額度非常稀缺。這今天看來是區區小錢,當時任老板可是左思右想才痛下決心拍的板!

  當時華為面臨著巨大的資金壓力,任正非不得不借高利貸投入研發,他曾站在六樓辦公室的窗邊,說過這樣一段話:“新產品研發不成功,你們可以換個工作,我只能從這里跳下去了!”

  大家日以繼夜的埋頭苦干。每天晚上9點許,任正非都會提著一個大籃子,裝著面包和牛奶,前來勞軍。

  天佑華為,一次流片成功!這在當時并不是一個大概率事件,可見兄弟們的武藝高強。

  就這樣,1991年,華為首顆具備自有知識產權的ASIC誕生了,這就是華為芯片事業的起點!

中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

1994年訪問美國,左起劉啟武、李一男、楊漢超、徐文偉、鄭寶用、黎健、毛生江

  它不負眾望,降低了成本,提高了性能,產品自然也賣得越來越紅火。

  老一代研發人員陳光先和吳育華回憶說:當時就叫它ASIC,居然都沒有人想起給它取個輝煌的名字。百密一疏! 芯片元老李征回憶,當時大家都說,如果那次流片失敗,幾萬美元打了水漂,后果難以想象。

  一方面,吃飯的產品沒有了差異化競爭力,就會卷入無休止的價格戰中。另外一方面,新產品的研發要采購境外的器件和設備,要大量美元。因此,即便任老板初衷依舊,也未必還有能力去研發新產品,也就沒有今天的華為了。

  相關芯片技術如下,非專業讀者可直接略過。 可編程器件(SPLD如PAL16、EPLD或者后來的FPGA)適應于在芯片開發階段或者芯片用量小的時候使用,可以快速反復地編程、修改、調試,并使用專用設備“燒”進芯片。不用去做昂貴的一次性流片。但單顆器件的成本十分昂貴,一顆要頂幾個月的工資。

  等到代碼穩定,可以設計成ASIC(超大規模集成電路芯片)的時候,就要進行昂貴的一次流片了。單顆芯片的制造成本也會因用量大而飛快降低。

  EDA是電子設計自動化軟件工具的簡稱,在現代集成電路產業里,充當了芯片設計和制造的對接橋梁。簡單來說,EDA是一個電子自動工具,工程師們借助于EDA,就可以在電腦上對芯片設計的前后端技術和驗證技術進行操作和仿真。

  華為這顆應運而生的芯片是顆多功能的接口控制芯片。當參數為00的時候,用于用戶板,為01的時候,用于E/M中繼板,為10的時候,又可有其他用途。

1993年,華為有了第一顆自己使用EDA設計的芯片

  1993年,徐文偉領銜開發的JK1000,以很小的代價,在最后關頭獲得了電信局的入網證,華為戰略轉型,進入了利潤豐厚的電信市場。

  隨后開發出來的數字程控交換機C&C08,大賣成為行內的主流機型,開啟了華為的輝煌大業。

  自研芯片成為了提升競爭力的關鍵,任老板嘗到了甜頭后,又有了新的夢想:芯片開發更進一步!戰略既定,大家就擼起袖子大干吧。

  徐文偉領導的器件室挖來了一個重要的人,他就是無錫華晶中央研究所從事芯片設計的李征?;槍壹傻緶?08工程中最重要的項目,培養了不少人才。

  李征曾參與了上世紀末為打破禁運,由國家牽頭的國產電子設計自動化軟件(EDA)的開發,國產EDA先后在工作站和PC上開發成功。甫一成功,西方世界就立馬解除了對中國的EDA禁供。

  這就是西方大國的博弈之道:首先對你封鎖,將你限制在一窮二白的境地。但如果一旦壓不住,就馬上張開懷抱吸納你進入他們的陣營,他們成熟的技術和產品任你使用。熱情的表象后面,動機是要把你自己的產品扼殺在幼年期。自從西方的EDA傳入中國后,國產EDA的發展就很緩慢了。國產億次機和光傳輸等,遭遇同樣的經歷。

  解禁之后,李征被派去美國學習西方EDA的使用和芯片設計,改行做了芯片設計師,隨后加入華為。

  任老板咬咬牙,花大價錢買來了西方的 EDA設計系統,從此有了自己的EDA 設計平臺,不用再委托香港公司了。最近了解到,國內不少政府都建立了共享的EDA設計平臺,此舉甚好。

  當時,2000門的數字程控交換機(C&C08 A型機)只能用小容量的通用器件級聯使用來實現時隙交叉(就是數字交換),要用整整一個機柜的器件來實現。因此迫切需要瘦身,自研一款芯片就成了當務之急。

  還是一樣的套路,但說來容易做來難。先用可編程邏輯器件調試時隙交叉系統網片,再把調試好的可編程邏輯器件用自己的EDA設計成 ASIC ,送到國外流片和加工。

  1993年,第一顆用自己的EDA設計的ASIC 芯片問世,成功實現了數字交換機的核心功能——無阻塞時隙交換功能,這就是基于TDM的2K X 2K 交換矩陣。

  這次徐文偉給它取了個大氣的名字“SD509”,S代表“semiconductor半導體”,D是“數字芯片“。后來還有了模擬芯片“SA“系列,厚膜電路“SH系列。

  C&C08程控交換機的畫風一下子從粗獷變得柔麗起來。一個??橛昧礁鯪ET板(熱備份)就可以輕松搞定時隙交叉功能!

  下圖是交換網板(NET板),紅色圈里是可以根據需要撬起來的EPLD可編程邏輯芯片,綠色長條里的就是四顆SD509了。

中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

交換網板

  作為對比,讓我們回憶一下最原始的電話的接續。電影《列寧在1918》中有這樣的場景:眾多妙齡女孩白皙的手紛飛穿梭于千百個接口之中,用柔美的聲音問你:“請問您要接哪里?”

中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

手工接續

  華為進入快車道。氣勢磅礴的“中央研究部”正式成立了,其下成立了基礎業務部,李征任總工。這個部門存在的唯一目的就是為通信系統做芯片,用任老板的話,叫“為主航道保駕護航”。

  任老板經常得意地帶著客人參觀EDA實驗室。EDA設計時,等結果有時要等很久,年輕的開發工程師百無聊賴之際,就玩玩Windows自帶的挖地雷。有次,挖得正爽時,撞見了任老板。他非常擔心地問:“你們玩游戲不怕電腦得病毒嗎?” 無言以對。后來,不知道哪個有才的家伙在門口貼了張條子“開發重地,閑人免入”,從此,老板帶客人就只在玻璃窗外指指戳戳,里面的大家也就放心地挖地雷了。

  銷售員黃燦還經歷過一件往事。某日郵電部一位處長訪問華為,當時公司所在的辦公樓樓下排隊買股票的人擠滿了整條街,喧囂塵上。樓上華為做開發的年輕人卻平心靜氣無暇他顧。這位處長感慨道:“如果這樣的企業不能成功,天理難容!”

  劉平在《華為往事》一文中,這樣評價徐文偉:“基礎業務部的總經理是徐文偉,基礎業務部主要是研究芯片設計的。徐文偉是研發部資格最老的領導了,模擬交換機JK1000開發的時候就是項目經理。后來又擔任過無線業務部總經理,預研部的總裁。但他沒有參與C&C08的開發,所以在中研部一直是千年老二。有一段時間相當不得志。不過他的性格很好,無論什么情況都處之泰然?!?/p>

  徐文偉升為研發副總裁之后,劉啟武、葉青等人相繼負責過基礎業務部,但徐文偉常常踱步來指導工作并鼓舞士氣,或者叫“督戰”!

  從事系統開發的鄭寶用和李一男等人,不論在內部還是外部,知名度都遠遠超過徐文偉。但如果站在歷史的漫漫長河里,你會發現,徐文偉等人扎扎實實做的基礎芯片技術,奠定了華為成功的基石。

中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

華為早期芯片的一些型號

  猶記當年,我在1998年進入華為市場部,常帶客人去展廳。一角的陳列柜里,聚光燈照射著幾顆黑不溜秋的芯片。我自豪地介紹:“這是華為自己設計開發的芯片!”客人會問:“哪里生產的?” 我說:“精度實在太高,國內無法加工,是送去美國做的!”

  和屌絲可以逆襲的互聯網行業不同,芯片行業因高度專業化,從業者幾乎都是科班出身。

  九十年代初正是全球電子行業的黃金時期,清華生無論是出國還是到體制內捧金飯碗都占絕對優勢。來深圳闖蕩的更多的是“胸有大志而身無分文”的二流重點大學的畢業生,尤以東大、華科、西電、成電、西工大為多。首家“909”工程集成電路設計公司國微電子的創始人祝昌華和黃學良分別是東大和西電的,做指紋識別的匯頂科技創始人張帆是成電的,李征也是畢業于西電。 留美大軍中,有一些選擇回國創業。我所認識的有中國最早和最大的CMOS成像芯片格科微的創始人趙立新,和高端交換機芯片盛科網絡創始人孫劍勇。他們都做得很好。

世紀之交,第一塊高集成度數?;旌閑酒?/strong>

  我的前同事胡慶虎曾經歷了程控交換機和移動通信交換機的硬件開發。他認為:自研芯片是降低成本最關鍵的環節,尤其是在用量非常大的用戶板上。

  華為開發了數字芯片來處理音頻CODEC(編解碼)和接口控制,也開發了SLIC厚膜電路芯片SH723。

  后來還有更加牛叉的4COMB(型號為SA506)芯片,干脆把SLIC及接口、SLAC等都組合到了一個芯片里,并使用在32路用戶板上。自家有了“芯”,底氣十足,海量出貨的交換機和接入網產品不僅集成度更高,價格還敢比競爭對手低上一大截。

  胡慶虎提到的4COMB芯片是第一塊高集成度的數?;旌閑酒?,難度高,李征到處抓人來攻關。項目曾經一籌莫展,徐文偉一直鼓勵大家:不怕失敗,放手干!

  歷經三年努力,終于在世紀之交,4COMB成功了。曾經歷艱難歲月的孫洪軍(綽號“小二”),郭輝(昵稱“輝輝”)等年輕一代的芯片專家們迅速成長了起來。

  在窄帶數字程控交換機領域,C&C08 iNET (100萬用戶,128??? 程控交換機終于坐上了世界第一的交椅,實現了任老板多年前的宏愿:“我們以后要將上海貝爾遠遠甩在后面,要追上AT&T!”。

  時任128模研發總裁的曾浩文,站好了這最后一班崗,然后昂首進入了面向未來的云計算領域。

系統芯片大爆發,構筑了華為的核心競爭力

  很長的時間里,華為只為自己的系統設備開發芯片,包括光傳輸、3G、IP數據通信等。

  和我同級的東大校友Jeffery Gao,在《厚積薄發》一書中寫了一篇《和光速賽跑》的文章,講了光傳輸芯片開發的故事:

  “外購芯片價格昂貴,成本壓力巨大,不利于我們在性價比上的競爭。從第一代傳送產品開始,我們就走上了核心芯片自研之路。當時何庭波負責開發芯片,而我負責開發產品,由于產品和芯片都用到同一套儀表,經常出現我和她爭奪設備的情況。為顯示紳士風度,我每次都會讓著她,但這不是長久之計,于是我們有一個“君子協定”:白天她調試,晚上我調試......

  功夫不負有心人。第一代核心芯片成功交付,而后續一系列芯片相繼成功推出,累計銷售超過千萬片,使得傳送網“同步數字傳輸SDH”產品在成本和競爭力方面持續領先?!?/p>

  大家都刻骨銘心的是美國對中興的芯片禁供,導致偌大的中興瞬間休克。一時間全體國人惡補芯片知識。經此事件,大家都知道了基礎技術的重要性。

  但需要說明的有三點。一是中興的子公司中興微電子也在為通信設備做配套芯片。二是華為的很多通用芯片也是外購的,如云計算領域中使用了大量的Intel CPU,FPGA的四家全部來自美國等。再往深處看,即使是自研的芯片,也得基于國外的一些IP(知識產權)和架構。

  因此,中國芯片的未來發展之路,是要更好地融入世界。妄自尊大自成一體是不可行的。

  最近有一句話在業內流傳:芯片領域沒有彎道可以超車。意思是,“板凳要坐十年冷”,要一點一點地追趕西方先進水平。

2004年,成立海思做消費電子芯片

  時至今日,華為儼然作為國產芯片的脊梁為國人廣為傳誦,這得益于華為海思(Hisilicon)的消費電子芯片業務,尤其是用于手機的麒麟CPU(基于劍橋的Arm架構)。

  其中的人與事,將在另一篇文章《華為海思是如何崛起的?》中詳細描述,正如單老爺子常說的:預知后事如何,請聽下回分解!

滄海遺珠

  今年暑期我在硅谷做了個科技教育營,在斯坦福大學旁租了個大HOUSE。朋友們過來,暢談過去數十年的IT科技發展史,同時對硅谷學區房高昂的價格感慨萬千!

  硅谷芯片企業的成長壯大,華人立下了汗馬功勞,因此有人戲稱“IC”中的“C”就是“Chinese”的意思。知名芯片公司博通、Marvell和英偉達,以及最大的EDA公司Cadence的創始人都是華裔。了解到在當地工作的華人中,僅是清華大學畢業生就有一萬多人。

  九十年代,加州大學伯克利分校胡正明教授,在FinFET和FD-SOI工藝技術上取得巨大突破,使得摩爾定律得以延續至今。光刻機巨頭ASML才能做出7nm的技術,也才有華為的麒麟980。

中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

戴輝、楊如春、陳伯友、Aviad(A總)、傅軍、冀運景、Nancy、Jinqiu

  我參與的明銳理想科技,在SMT的自動光學檢測(AOI)領域非常領先,并且率先進入了芯片封裝的視覺檢查領域。CEO冀運景這次來硅谷朝圣。

  蘇仁宏是華為3G移動通信的研發人員。離職后他加盟了總部在舊金山的基金公司華登國際,跟隨著黃慶博士,在國內IC設計最為迷惘的時候,投了好些企業。他現在單飛,依然對芯片一往情深。

  孫洪軍創立了上海艾為電子做模擬/混合信號器件,在手機音頻芯片領域是當仁不讓的國內第一,最近我更是觀摩了他們推出的通過屏幕發音的古怪技術。

中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

  孫洪軍、楊如春、老夏和我都是東南大學90級的同學, 我們都在南京的浦口新校區做過拓荒牛。那里也叫浦口大學,簡稱PKU,撞臉北大!

  那年,千余人窩在偏僻的山區里,挖地三尺,將溝里的小龍蝦和山溪里的螃蟹吃光光!

  那年,窗外走過的芳齡十八青春無敵的女生們,牽動著我們無處安放的心!

中國芯崛起:華為的芯片事業是如何起家的?

  對過眼神,我們是一路的!

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