半导体系列5半导体行业研究集成电路之数字芯片中的逻辑芯片

　　导语--初识半导体的旅途中我们跨过了行业分类，现在已经到达了核心的核心站-集成电路，也就是我们通常所说的芯片。作为核心的核心，无论从市场规模还是技术的壁垒来看，集成电路都当之无愧是半导体皇冠上的明珠。由于其细分品类繁多，由一篇或两篇文章介绍的话会过于冗长和复杂，接下来我们将通过两周一系列的文章对集成电路行业进行全面介绍，这两周我们的更新频率也会高一些。
　　上篇我们说到，半导体按照结构功能划分为集成电路、分立器件、光电子器件与传感器四大类，其中集成电路市场规模占比约82.02%。集成电路的细分又是一个极其复杂的工程，由下面我们总结的思维导图可见一斑。
　　按照处理信号种类划分，集成电路芯片可分为数字芯片与模拟芯片，其中数字芯片占半导体市场规模的69.38%，模拟芯片占半导体市场规模的12.64%。限于篇幅，本周我们先介绍数字芯片。数字芯片可以进一步细分为承担计算功能的逻辑芯片、承担存储功能的存储芯片以及将运算、存储等功能集成于一个芯片之上的微控制单元（MCU），它们的市场份额分别占半导体总体市场份额的26.89%、26.67%、15.82%。接下来我们一一介绍。
　　数字芯片，处理离散数字信号的芯片，可进一步细分为逻辑芯片、存储芯片和MCU。
　　逻辑芯片，逻辑芯片指包含逻辑关系，以二进制为原理，实现运算与逻辑判断功能的集成电路。常见的逻辑芯片有CPU（中央处理器）、GPU（图形处理器）、ASIC（专用处理器）与FGPA（现场可编程门阵列）。
　　1. CPU（Central Processing Unit，中央处理器）是计算机的大脑，由运算、控制、存储三个单元组成，三个部分相互协调，便可以进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。CPU最早出现于1971年，是为最广泛使用的计算机系统主控芯片，应用于个人PC机与数据终端服务器。CPU市场主要可以划分为服务器、工作站、PC、移动终端和嵌入式设备，全球CPU行业由英特尔与AMD垄断，国有芯片市占率在个人PC领域约为1%，服务器领域约为2%，国内CPU领域代表企业为龙芯中科、海光信息与兆芯科技。
　　2. GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）， 目前主要作为显卡的计算核心， 主要解决图形渲染问题。图形渲染的实质是大量数据的快速并行计算，这需要具有高并行度以及高吞吐量特性的处理器。CPU 核数不超过两位数，每个核都有足够的缓存和ALU，并辅助有很多加速分支判断甚至更复杂的逻辑判断的硬件； GPU 的核数远超 CPU，被称为众核（NVIDIA Fermi 有 512 个核）。每个核拥有的缓存大小相对小，数字逻辑运算单元也少而简单。GPU和CPU之所以大不相同，是由于其设计目标的不同，它们分别针对了两种不同的应用场景。
　　CPU需要很强的通用性来处理各种不同的数据类型，同时又要逻辑判断又会引入大量的分支跳转和中断的处理。这些都使CPU的内部结构异常复杂。而GPU面对的则是类型高度统一、相互无依赖的大规模数据和不需要被打断的纯净的计算环境，相对CPU，GPU舍弃了部分控制单元，拥有更多的计算单元（即运算器），因此可以高密度执行大量同质化数据运算，即大规模并发计算。除图形渲染外，大规模并发计算也是密码破解等所需要的。所以，除了图像处理，GPU也越来越多的参与到计算当中来。而CPU由于具备更多的存储单元和控制单元，因此更适合进行复杂运算。在功能上，GPU可以视为CPU的巨大补充。CPU与GPU的区别。
　　GPU又可分为集成显卡（iGPU ， integrated GPU，集成在CPU中的显卡）和独立显卡（dGPU : discrete/dedicated GPU，独立于CPU的显卡），当前全球GPU市场由英伟达、英特尔与AMD垄断，三者市场份额接近100%。国内有望实现突围的GPU相关企业为景嘉微。
　　3. ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路，专用处理器），是实现专门目的的集成电路。随着智能手机、可穿戴设备等体积更小的智能设备问世，芯片的集成度也越来越高，出现了以客户参加设计为特征的专用集成电路(ASIC)，ASIC往往跟据客户的具体需求将CPU、GPU、存储器乃至蓝牙、WIFI等数十个小规模IC模块集成在一块芯片上，实现系统级设计需要，这样的做法也被称为SOC（片上系统）。它使整机电路优化，元件数减少，布线缩短，体积和重量减小，提高系统可靠性。
　　智能手机是ASIC的主要应用场景，ASIC在手机中有两种主要的芯片，一个是AP（Application Processor，应用处理器），AP是在低功耗CPU的基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模集成电路，它是主控处理器，是运算和控制核心，包括基带处理器等所有外围设备（WIFI、GPS、触摸屏、相机、陀螺仪等）都由其管理。
　　另一个就是BP（Baseband Processor，基带处理器），BP是手机中的通信模块， 最主要的功能就是负责与移动通信网络的基站进行交流， 对上下行的无线信号进行调制、 解调、 编码、 解码工作， BP相当于一个协议处理器，负责数据处理与储存（相比之下，被称为模拟芯片皇冠上明珠的射频IC（Integrated Circuit）一般是进行射频信号收发的芯片在手机终端中，射频芯片负责射频收发、频率合成、功率放大；而基带芯片负责信号处理和协议处理。目前的主流是将射频收发器(小信号部分)集成到手机基带中，未来射频前端也有可能集成到手机基带里，而随着模拟基带和数字基带的集成越来越成为必然的趋势，射频可能最终将被完全集成到手机基带芯片中）， 主要组件为数字信号处理器（DSP）、 微控制器（MCU）、内存（SRAM、 Flash）等单元。BP管理的是手机一切无线信号（除了wifi，蓝牙，NFC等等），一款手机支持多少种网络模式，支持4G还是3G，都是由基带部分决定的。
　　除了AP、BP外，目前手机中还有第三种ASIC芯片，称之为CP（CoProcessor，协处理器），一种用于减轻系统微处理器的特定处理任务芯片。CP是一种协助中央处理器完成其无法执行或执行效率、效果低下的处理工作而开发和应用的处理器。这种中央处理器无法执行的工作有很多，比如设备间的信号传输、接入设备的管理等；而执行效率、效果低下的有图形处理、声频处理等。为了进行这些处理，各种辅助处理器就诞生了。每个厂商对CP都有不同的名字，比如苹果把它叫做协处理器，高通820叫做＂低功率岛＂。在早期CP只用于解码视频和处理音频等等简单任务，但是各大厂商发现，CP的性能其实也可以很高，于是开始处理的东西越来越多。现在的CP已经可以处理虚拟现实，增强现实，图像处理，HIFI，HDR，传感器等等。
　　大家所熟知的麒麟芯片便属于ASIC中的AP，华为1991年便成立ASIC设计中心进行相关研究，ASIC设计中心是2004年成立的海思半导体的前身。2020年海思全球市场份额11%位居第四，自受到美国制裁打压后，至2022年二季度市场份额仅剩0.4%了。BP做的最有名的是高通，其实高通发家靠的就是优秀的BP基带处理器，而不是AP应用处理器。国内BP主要公司为翱捷科技。2021年二季度，高通以52%的手机基带芯片收入份额排名第一，其次是联发科（30%）和三星（10%）。由于受到美国的持续制裁，导致华为海思自研的基带芯片无法制造，只能靠消耗库存来维持，受此影响，海思的基带芯片出货量在今年二季度下滑了82%。
　　4. FGPA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列），是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路（即ASIC）的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。定制化的ASIC虽然优化了整机电路，有效缩减了智能设备的体积，然而这也意味着芯片设计的复杂度大大提升，流片（打样）失败的风险增大。在此背景下半定制化的FGPA应运而生。FGPA最大的特点在于它名称中的现场可编程，它是当今数字系统设计的主要硬件平台，主要特点是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可反复擦写。无论是CPU、GPU还是ASIC，在芯片制造完成后，芯片的功能即被固定，用户无法对硬件功能做出更改，而FPGA在制造完成后功能未被固定，使用者可使用FGPA芯片提供商的软件对芯片进行功能配置，将芯片上空白的模块转化为自身所需的具备特定功能的模块。
　　FGPA具有强大的灵活性，在修改和升级时，不需要额外改变 PCB 电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，使用者只需几分钟便能改变芯片的逻辑功能，使之在不同的业务需求之间灵活调配，且相比于ASIC方案，FGPA方案能够缩短系统设计的周期，降低流片失败的风险，提高实现的灵活性并降低成本。具体到实现原理而言，加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中的数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。理论上，FPGA 允许无限次的编程。FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器，只需用通用的 EPROM、PROM 编程器即可。FPGA内部有丰富的触发器和 I／O 引脚，能够快速成品，不需要用户介入芯片的布局布线和工艺问题，而且可以随时改变逻辑功能，使用灵活。
　　当前中国FGPA市场由赛灵思（被AMD收购）与英特尔（收购了Altera）垄断，据两者市占率约90%。国内FGPA领域龙头企业为安路科技，公司于2021年11月12日科创板上市，当前市占率接近1%。FPGA的基本历史、基本结构、应用领域。
　　本篇我们完成了逻辑芯片的介绍，下一篇我们将简单梳理一下存储芯片的领域。