问题描述

伴随美国对中国贸易战的不断升级，美国对关键高端芯片的限制越来越严格，交货时间不断延长，芯片价格不断上涨，部分高端芯片甚至直接禁运，给我国各行业的产业升级改造带来众多困难。与此同时，美国对中国芯片（尤其是先进工艺制程的高端芯片）的设计制造能力进行全面封杀，通过使用先进工艺提高自主可控芯片整体性能的进程严重受阻。如何在现有较为落后但自主可控的国产工艺上设计并制造高性能的芯片成为亟需解决的现实问题。传统的产业升级模式需要在每一代升级时更换硬件设备和软件，带来极大的升级成本（包括时间成本和资源消耗成本）。如果面向行业需求定制一种SoC芯片，能够兼顾高性能和可编程的灵活性，实现在未来一代或多代的产业升级时不需要更新硬件只需要更新软件，将会产生显著的“降本增效”的效果。因此，现阶段我们亟需破解“如何发展面向高性能和低成本行业应用升级的自主可控SoC芯片？”这一重要的产业技术问题。

问题背景

高端化、智能化和绿色化是目前产业升级的主要方向，对于设备系统来说体现为大算力、小型化和低功耗。传统的使用各种高性能芯片（ASIC、FPGA、CPU、GPU、DSP、ADC、SRAM等）来搭建复杂、高性能电路系统的方法难以满足上述需求，主要表现为算力瓶颈突出、功耗过大。其原因主要是芯片之间的高速互连实现难度较大，表现为：（1）单个高速接口的速度极高，信号完整性问题突出，芯片和电路板设计难度激增；（2）芯片能够集成的高速接口的数量有限，系统整体带宽难以大幅提升，限制了整体算力的提升；（3）芯片上使用的高速接口数量越多，芯片整体的功耗越大，对系统的供电和散热的要求也越高。为了解决这些问题，国际上提出了异构计算的SoC架构，将不同类型的芯片以IP核的方式集成在一起，通过丰富的片上互连资源，较低的主频即可实现较大的带宽。由于减少了对高速接口的依赖，功耗问题也会有极大改善。目前逐步形成了ASIC+XPU（CPU、GPU、APU等处理器）和FPGA+ XPU等多类型器件融合的趋势。由于具备先进工艺的制造能力、完整的兼具不同类型芯片的设计能力以及强大的资源整合能力，国外异构计算的SoC生态资源正在加速整合。典型的案例就是2015年第一大处理器厂商Intel以167亿美元完成对第二大FPGA厂商Altera的收购，2022年第二大处理器厂商AMD以500亿美元完成了对第一大FPGA厂商Xilinx的收购。国内受制于先进制造工艺和若干关键芯片设计能力的缺失，无法完全效仿国外的发展路径。但国内具有最大的芯片需求市场，完全可以根据具体的应用需求定义出一批面向高性能和低成本产业升级的自主可控的SoC芯片，通过定制化设计来满足不同应用领域的实际需求，从而弥补芯片通用性不足的短板，同时为低成本产业升级提供解决方案来进一步提升国产设备的竞争能力。

最新进展（截止问题发布年度）

随着美国对芯片供应链的干扰和破坏力度不断增强，我国产业化升级面临的压力越来越大，对面向高性能和低成本产业升级的自主可控SoC芯片的需求越来越强烈。经过长期的技术积累，我国已初步具备一些关键核心器件的设计能力（CPU、FPGA、GPU、DSP、SRAM、ADC等），但仍处于各自为战的状态，难以形成合力。在异构融合和高性能方面存在不小的差距，亟需整合这些不同芯片的设计能力，快速形成面向高性能和低成本产业升级的自主可控SoC芯片的解决方案。解决这一产业技术问题的关键难点与挑战在于：（1）需要面向不同产业培养一批高端的芯片架构设计人才，解决好产业需求与芯片定义相匹配的问题。这些人才既需要熟悉产业的具体需求和发展趋势，又要熟悉芯片体系架构的设计方法，能够将产业发展的实际需求转化为合理的芯片设计方案；（2）需要建立不同类型芯片的IP生态圈，形成强大的资源整合能力。目前大部分芯片设计单位只提供芯片成片，不能提供定制化需求的IP硬核，从而难以形成融合发展的技术优势。但近期这一状况也在发生积极改变，出现了一批能够提供IP硬核的厂商，基本能够涵盖CPU、FPGA、DSP、高速接口等关键芯片类型。如果能够将这些资源整合好，实现面向高性能和低成本产业升级的自主可控SoC芯片就成为了可能；（3）需要将FPGA的技术特点和优势充分发挥出来。将FPGA作为IP硬核嵌入SoC芯片，要充分利用其可编程的特性和超强的硬件并行处理能力。将行业升级过程中变化的部分尽可能用FPGA IP核来实现，充分发挥其可编程的特点，从而实现通过升级软件即可升级系统的目的，可以大幅降低系统升级的成本。同时还要充分发挥FPGA IP核并行处理的能力，可在片上作为处理器的加速器来进一步提升SoC的算力。关于技术突破点的建议主要有如下几个方面：（1）开展FPGA、XPU、DSP和ADC等异构IP核灵活集成的SoC体系架构研究，能够面向行业升级的具体需求定义与之配套的可编程SoC芯片体系架构；（2）打破FPGA、XPU、DSP等不同处理单元需要不同的软件开发环境的限制，实现统一的可编程SoC芯片应用开发环境，提升芯片应用的开发效率；（3）有效整合国内IP资源，建立基于国产工艺的、可信的、完整的IP生态圈，重点突破FPGA、XPU、DSP、ADC、SERDES、DDR等关键核心IP的研制并建立有效的共享合作机制。

重要意义

解决好发展面向高性能和低成本产业升级的自主可控SoC芯片的产业技术问题，可以产生以下几个方面的重要影响：（1）打破美国的技术封锁，在已有可控的、较为落后的制造工艺下，通过芯片架构创新实现系统性能的跃升，满足不同产业的实际应用需求，确保产业发展安全；（2）助力我国各产业实现高质量、低成本的升级，进一步提升我国产业的核心竞争力；（3）助力壮大半导体产业发展的生态，打通涵盖行业应用、IP核设计、芯片设计、EDA工具和生产制造的全产业链条，逐步形成相互支撑、相互促进的良性发展局面。