深度：華為芯片的自研之旅

當今數(shù)字化時代，萬物互聯(lián)帶來數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長，向IT基礎(chǔ)架構(gòu)的計算能力提出了更高要求。IDC預(yù)測，到2023年，全球計算產(chǎn)業(yè)投資空間高達1.14萬億美元，中國占比近10%，是全球計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動。

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為滿足新算力需求，華為圍繞“鯤鵬+昇騰”雙算力引擎，打造了“算、存、傳、管、智”五個子系統(tǒng)的芯片族，實現(xiàn)了計算芯片領(lǐng)域的全面自研。華為是唯一同時擁有“CPU、NPU、存儲控制、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、智能管理”5大關(guān)鍵芯片的廠商。我們將重點圍繞核心芯片“鯤鵬+昇騰“展開分析。

布局一：鯤鵬系列

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鯤鵬系列包括服務(wù)器和PC機處理器。早在十余年前，華為開發(fā)的嵌入式CPU Hi1380小有所成，成為鯤鵬處理器的開端。后歷經(jīng)鯤鵬912、916兩代產(chǎn)品，最終開發(fā)出當下的旗艦產(chǎn)品鯤鵬920與鯤鵬920s，分別用于服務(wù)器和PC機。

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鯤鵬處理器具備“端邊云算力同構(gòu)”的優(yōu)勢。其基于ARM V8架構(gòu)，處理器核、微架構(gòu)和芯片均由華為自主研發(fā)設(shè)計。市場上目前存在超過500萬基于ARM指令集的安卓應(yīng)用，與ARM服務(wù)器天然兼容，無需移植即可直接運行，且運行過程中無指令翻譯環(huán)節(jié)，性能無損失，相比X86異構(gòu)最高能夠提升3倍性能。

2019年1月，華為宣布推出業(yè)界最高性能ARM架構(gòu)處理器——鯤鵬920，以及基于鯤鵬920的TaiShan服務(wù)器和華為云服務(wù)。

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鯤鵬920采用7nm制造工藝。規(guī)格方面，支持64內(nèi)核，主頻可達2.6GHz，集成8通道DDR4，支持PCIe4.0及CCIX接口，可提供640Gbps總帶寬。鯤鵬920主打低功耗、強性能，在典型主頻下，SPECint Benchmark評分超過930，超出業(yè)界標桿25%；同時，能效比優(yōu)于業(yè)界標桿30%。之前的記錄保持者是富士通的7nm A64X，每個芯片可以達到2.7 teraflops的性能。

布局二：昇騰系列

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在摩爾定律逐漸失效的情況下，AI芯片有助于解決算力問題。昇騰系列是華為全面AI戰(zhàn)略的重要支撐。2018年華為全聯(lián)接大會上，昇騰310與910同時發(fā)布，證實了外界對華為研制AI芯片的猜測。

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昇騰310面向邊緣場景，高效、靈活、可編程。基于典型配置，八位整數(shù)精度（INT8）下的性能達到16TOPS，16位浮點數(shù)（FP16）下的性能達到8 TFLOPS，而其功耗僅為8W。基于已實現(xiàn)量產(chǎn)的昇騰310，華為發(fā)布Atlas 200、Atlas 300、Atlas 500、Atlas 800等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于安防、金融、醫(yī)療、交通、電力、汽車等行業(yè)。

昇騰910面向訓(xùn)練場景，具有超高算力，其最大功耗為310W，自研的達芬奇架構(gòu)大大提升了其能效比。八位整數(shù)精度下的性能達到512TOPS，16位浮點數(shù)下的性能達到256 TFLOPS。昇騰910的測試表現(xiàn)遠超NVIDIATesla V100和Google TPU v3。2019年8月，910正式發(fā)布，標志著華為AI戰(zhàn)略的執(zhí)行進入新的階段。

未來，針對不同場景，華為仍將持續(xù)推出更多的AI處理器，提供更充裕、更經(jīng)濟、更適配的AI算力，華為部分在研與規(guī)劃的AI芯片包括用于自動駕駛開發(fā)的昇騰610、310升級而來的320（計劃2021年推出）以及910升級而來的920。

3、從追趕到領(lǐng)跑的SoC芯片：麒麟

手機SoC（System-on-a-Chip）芯片由應(yīng)用處理器（AP）與基帶處理器（BP）組成。其中，AP包括CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理器）、ISP（圖像處理器）等，負責(zé)操作系統(tǒng)、用戶界面和應(yīng)用程序處理；BP包括基帶和射頻部分，負責(zé)通信信號處理。

近年來，各大芯片廠商開始研發(fā)SoC芯片，提供整體解決方案，華為海思也積極布局。從技術(shù)上來看，SoC芯片研發(fā)的難點在于各個組成部分的集成與協(xié)同。

華為起步于一款算不上成功的產(chǎn)品——K3V1。2006年，成立兩年的海思受聯(lián)發(fā)科啟發(fā)，開始研究手機芯片，三年后推出第一款應(yīng)用處理器，即K3V1，但由于110nm工藝遠落后于當時的主流方案，且對應(yīng)Windows Phone系統(tǒng)，最終未能上市。2012年，K3V2發(fā)布，工藝仍相對落后且發(fā)熱較嚴重，但性能差距在縮小，搭載于華為D、P和Mate系列上，激勵著芯片技術(shù)的提升。

轉(zhuǎn)機最終出現(xiàn)于2013年，海思推出第一款手機SoC芯片——麒麟910，是全球首款四核SoC芯片，采用當時主流的28nm工藝，匹配Mali 450MP4 GPU，集成自研巴龍710基帶，應(yīng)用于華為P6s。此次嶄露頭角為更大的成功奠定了基礎(chǔ)。

此后，麒麟920、925、928、930、935、950、960、970、980以及面向中端手機的620、650、710、810等先后發(fā)布，制程工藝不斷升級，實現(xiàn)了由追趕到并排，再到領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變。

其中，麒麟925應(yīng)用于華為Mate7上，全球銷量超700萬部；620先后應(yīng)用于中端的榮耀4X、4C上，榮耀4X銷量破千萬；930標志著手機芯片進入64位時代；950、970、980分別在全球率先商用16nm、10nm和7nm工藝；970還首次在SoC芯片中集成人工智能計算平臺NPU，開創(chuàng)端側(cè)AI先河，搭載該芯片的Mate 10出貨量累計達1000萬臺。

2019 年 9 月，華為最新一代旗艦芯片麒麟 990 系列推出，包括麒麟 990 和麒麟 990 5G 兩款芯片，采用 7nm+工藝? 這句改成 其中前者采用7nm工藝，后者采用7nm+工藝。其中，麒麟990 5G是全球首款旗艦5G SoC芯片，首次將5G Modem集成到SoC芯片中，率先支持NSA/SA雙架構(gòu)和TDD/FDD全頻段，是業(yè)界首個全網(wǎng)通5G SoC。基于巴龍5000的5G聯(lián)接，麒麟990 5G實現(xiàn)了2.3Gbps的5G峰值下載速率，5G上行峰值速率達1.25Gbps。

4、5G通信設(shè)備制霸的核心芯片：巴龍、天罡

布局一：巴龍系列基帶芯片

基帶芯片用來合成即將發(fā)射的基帶信號，對接收到的基帶信號進行解碼。2007年開始，華為布局基帶芯片研發(fā)，原因是華為當時的熱門產(chǎn)品數(shù)據(jù)卡的基帶芯片依賴于高通，常常斷貨。2010年，華為推出首款TD-LTE基帶芯片——巴龍700，打破高通的壟斷。2014年，在麒麟910上，華為第一次將基帶芯片和AP集成在一塊SoC上。目前，巴龍4G系列套片全球累計發(fā)貨過億，有完整的產(chǎn)品組合，能力從Cat 4到Cat 19，對應(yīng)單連接速率從150Mbps到1.6Gbps不等。

2018年2月，華為發(fā)布巴龍5G01基帶芯片，是第一款商用的、基于3GPP標準的5G芯片，但體積較大；此前，高通曾發(fā)布業(yè)界首款5G調(diào)制解調(diào)器驍龍X50，但并非基于3GPP標準，且僅支持5G網(wǎng)絡(luò)而不兼容前代網(wǎng)絡(luò)。

2019年1月，華為發(fā)布巴龍5000。其體積小、集成度高，支持5G及前代網(wǎng)絡(luò)制式。巴龍5000率先實現(xiàn)了業(yè)界標桿的5G峰值下載速率，在Sub-6GHz（低頻頻段，5G的主用頻段）頻段實現(xiàn)4.6Gbps，在毫米波（高頻頻段，5G的擴展頻段）頻段達6.5Gbps，是4G LTE可體驗速率的10倍。華為表示，巴龍5000除用于智能手機外，還可以在家庭寬帶終端、車載終端等場景下使用。

布局二：天罡系列基站芯片

天罡是業(yè)界首款5G基站核心芯片，在集成度、算力、頻譜帶寬等方面取得了突破性進展。天罡首次在極低的天面尺寸規(guī)格下, 支持大規(guī)模集成有源功放和無源陣子；實現(xiàn)2.5倍運算能力的提升，搭載最新的算法及波束賦形，單芯片可控制高達64路通道；極寬頻譜，支持200M運營商頻譜帶寬。天罡芯片為有源天線處理單元帶來了革命性的提升，實現(xiàn)基站尺寸縮小超50%，重量減輕23%，功耗節(jié)省達21%，安裝時間比標準的4G基站節(jié)省一半。

5、為物聯(lián)網(wǎng)而生的鏈接芯片：Boudica、凌霄

布局一：Boudica系列NB-IOT芯片

NB-IoT（NarrowBand Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）聚焦低功耗、廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場，可在智能停車、智慧農(nóng)業(yè)、遠程抄表等垂直行業(yè)廣泛應(yīng)用，具有低功耗、連接穩(wěn)定、成本低、架構(gòu)優(yōu)化出色等特點。近年來，工信部以及三大運營商均在不同程度上予以扶持。但受限于技術(shù)因素，NB-IoT發(fā)展仍較為緩慢，其中終端芯片是核心難點之一。

華為2014年開始進行NB-IoT芯片研發(fā)。2015年，推出基于預(yù)標準的芯片原型產(chǎn)品。2016年9月，發(fā)布業(yè)界首款商用NB-IoT芯片Boudica 120。此后，又推出支持3GPPR14的完全成熟的Boudica 150，可實現(xiàn)更低的能耗，并應(yīng)用于更多的場景。2019年4月，華為披露，Boudica 120出貨量突破700萬；性能更優(yōu)越的Boudica 150出貨量則突破了1300萬。華為預(yù)計2020年推出Boudica200，支持3GPPR15及后續(xù)標準演進，擁有更優(yōu)的集成度、安全性與開放性。

布局二：凌霄系列WiFi芯片

在路由器的現(xiàn)實使用中，掉線、延時、卡頓等問題普遍存在，為了解決這些問題，華為研發(fā)了凌霄系列路由芯片，由路由CPU、路由WiFi芯片、電力貓芯片三大產(chǎn)品線組成。2018年12月，凌霄芯片正式亮相，榮耀路由Pro 2搭載了凌霄5651和凌霄1151。其中，凌霄5651為四核1.4GHz CPU，凌霄1151為雙頻Wi-Fi芯片。

2019年的華為開發(fā)者大會（HDC2019）上，華為正式發(fā)布凌霄WiFi-loT芯片，服務(wù)于華為的全場景智慧生活戰(zhàn)略。該芯片于2019年底上市，用于家庭接入類產(chǎn)品。

來源：興業(yè)計算機團隊