很多人对于华为海思芯片非常感兴趣，相关的讨论争论自然也不会少，在21ic论坛上有时候也会看到。有人把它吹上天，也有人说它毫无技术含量。我（作者）看完之后痛心疾首，觉得很多人说的很多方面都是不对的。所以献上此文，客观介绍一下芯片的设计制造流程。
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，所以搜集过一些非官方、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，可能涉及海思的不多。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，它是组成芯片的最小单位，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的正方形硅片上制作出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，要雕刻出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。掩膜覆盖的地方，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，但是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，成本相对来说就比较低了，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多一块，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竞争力，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1/4。mos管工作时是一个充电放电的过程，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，性能空间越大。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）这个概念，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。
图2
大家都知道，家里的开关有两种状态嘛，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2两个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个灯，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，两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18446744073709551616 + 18446744073709551616。
说到这里，不得不说说芯片频率。K3V2年初时号称1.5G四核，到发布密派时，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，不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和开关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入开关，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电路完全变化完毕，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化，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。
从上面可以看出，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，它们之间的频率相差越多，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越高，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的，可能都有这么几点疑问：
1、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？
2、ARM核究竟是怎么回事？
3、开发K3V2的团队实力如何，在海思地位怎么样？
4、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。据我了解，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A9 A15。高通比较高端，CPU核心架构自己搞，如果搞得比A9 A15好的话确实可以提高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。不过英特尔还得感谢谷歌，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的地位会越来越巩固，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。
下面说说CPU核心架构，说之前不得不先谈谈PDK。PDK是ProcessDesign Kit 工艺设计包，它和晶圆厂的制作工艺紧密相关。PDK是什么呢，它描述了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、电压范围肯定不同，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，也没办法跑仿真。简单一点说，你拿40nm PDK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，代码可以重用，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会少不少，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，手机就没有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功耗控制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有好有坏，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，也没什么名声。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完全不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为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制的芯片，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势，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也是有原因的，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，原来基本没有做过手机芯片，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，不见得能比海思做得好。
PS: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。随便说说工作吧，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，除去中午下午吃饭时间，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?我觉得月薪两万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。美研所有个大牛，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。但是我发现他经常下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。
这个问题大家怎么看呢?是愿意安逸少拿点还是辛苦多挣点?
（来源：21ic论坛）
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