当今数字化时代,万物互联带来数据量的爆发式增长,向IT基础架构的计算能力提出了更高要求。IDC预测,到2023年,全球计算产业投资空间高达1.14万亿美元,中国占比近10%,是全球计算产业发展的重要驱动。
为满足新算力需求,华为围绕“鲲鹏+昇腾”双算力引擎,打造了“算、存、传、管、智”五个子系统的芯片族,实现了计算芯片领域的全面自研。华为是唯一同时拥有“CPU、NPU、存储控制、网络互联、智能管理”5大关键芯片的厂商。我们将重点围绕核心芯片“鲲鹏+昇腾“展开分析。
布局一:鲲鹏系列
鲲鹏系列包括服务器和PC机处理器。早在十余年前,华为开发的嵌入式CPU Hi1380小有所成,成为鲲鹏处理器的开端。后历经鲲鹏912、916两代产品,最终开发出当下的旗舰产品鲲鹏920与鲲鹏920s,分别用于服务器和PC机。
鲲鹏处理器具备“端边云算力同构”的优势。其基于ARM V8架构,处理器核、微架构和芯片均由华为自主研发设计。市场上目前存在超过500万基于ARM指令集的安卓应用,与ARM服务器天然兼容,无需移植即可直接运行,且运行过程中无指令翻译环节,性能无损失,相比X86异构最高能够提升3倍性能。
2019年1月,华为宣布推出业界最高性能ARM架构处理器——鲲鹏920,以及基于鲲鹏920的TaiShan服务器和华为云服务。
鲲鹏920采用7nm制造工艺。规格方面,支持64内核,主频可达2.6GHz,集成8通道DDR4,支持PCIe4.0及CCIX接口,可提供640Gbps总带宽。鲲鹏920主打低功耗、强性能,在典型主频下,SPECint Benchmark评分超过930,超出业界标杆25%;同时,能效比优于业界标杆30%。之前的记录保持者是富士通的7nm A64X,每个芯片可以达到2.7 teraflops的性能。
布局二:昇腾系列
在摩尔定律逐渐失效的情况下,AI芯片有助于解决算力问题。昇腾系列是华为全面AI战略的重要支撑。2018年华为全联接大会上,昇腾310与910同时发布,证实了外界对华为研制AI芯片的猜测。
昇腾310面向边缘场景,高效、灵活、可编程。基于典型配置,八位整数精度(INT8)下的性能达到16TOPS,16位浮点数(FP16)下的性能达到8 TFLOPS,而其功耗仅为8W。基于已实现量产的昇腾310,华为发布Atlas 200、Atlas 300、Atlas 500、Atlas 800等产品,广泛应用于安防、金融、医疗、交通、电力、汽车等行业。
昇腾910面向训练场景,具有超高算力,其最大功耗为310W,自研的达芬奇架构大大提升了其能效比。八位整数精度下的性能达到512TOPS,16位浮点数下的性能达到256 TFLOPS。昇腾910的测试表现远超NVIDIATesla V100和Google TPU v3。2019年8月,910正式发布,标志着华为AI战略的执行进入新的阶段。
未来,针对不同场景,华为仍将持续推出更多的AI处理器,提供更充裕、更经济、更适配的AI算力,华为部分在研与规划的AI芯片包括用于自动驾驶开发的昇腾610、310升级而来的320(计划2021年推出)以及910升级而来的920。
3、从追赶到领跑的SoC芯片:麒麟
手机SoC(System-on-a-Chip)芯片由应用处理器(AP)与基带处理器(BP)组成。其中,AP包括CPU(中央处理器)、GPU(图形处理器)、ISP(图像处理器)等,负责操作系统、用户界面和应用程序处理;BP包括基带和射频部分,负责通信信号处理。
近年来,各大芯片厂商开始研发SoC芯片,提供整体解决方案,华为海思也积极布局。从技术上来看,SoC芯片研发的难点在于各个组成部分的集成与协同。
华为起步于一款算不上成功的产品——K3V1。2006年,成立两年的海思受联发科启发,开始研究手机芯片,三年后推出第一款应用处理器,即K3V1,但由于110nm工艺远落后于当时的主流方案,且对应Windows Phone系统,最终未能上市。2012年,K3V2发布,工艺仍相对落后且发热较严重,但性能差距在缩小,搭载于华为D、P和Mate系列上,激励着芯片技术的提升。
转机最终出现于2013年,海思推出第一款手机SoC芯片——麒麟910,是全球首款四核SoC芯片,采用当时主流的28nm工艺,匹配Mali 450MP4 GPU,集成自研巴龙710基带,应用于华为P6s。此次崭露头角为更大的成功奠定了基础。
此后,麒麟920、925、928、930、935、950、960、970、980以及面向中端手机的620、650、710、810等先后发布,制程工艺不断升级,实现了由追赶到并排,再到领跑的转变。
其中,麒麟925应用于华为Mate7上,全球销量超700万部;620先后应用于中端的荣耀4X、4C上,荣耀4X销量破千万;930标志着手机芯片进入64位时代;950、970、980分别在全球率先商用16nm、10nm和7nm工艺;970还首次在SoC芯片中集成人工智能计算平台NPU,开创端侧AI先河,搭载该芯片的Mate 10出货量累计达1000万台。
2019 年 9 月,华为最新一代旗舰芯片麒麟 990 系列推出,包括麒麟 990 和麒麟 990 5G 两款芯片,采用 7nm+工艺 这句改成 其中前者采用7nm工艺,后者采用7nm+工艺。其中,麒麟990 5G是全球首款旗舰5G SoC芯片,首次将5G Modem集成到SoC芯片中,率先支持NSA/SA双架构和TDD/FDD全频段,是业界首个全网通5G SoC。基于巴龙5000的5G联接,麒麟990 5G实现了2.3Gbps的5G峰值下载速率,5G上行峰值速率达1.25Gbps。
4、5G通信设备制霸的核心芯片:巴龙、天罡
布局一:巴龙系列基带芯片
基带芯片用来合成即将发射的基带信号,对接收到的基带信号进行解码。2007年开始,华为布局基带芯片研发,原因是华为当时的热门产品数据卡的基带芯片依赖于高通,常常断货。2010年,华为推出首款TD-LTE基带芯片——巴龙700,打破高通的垄断。2014年,在麒麟910上,华为第一次将基带芯片和AP集成在一块SoC上。目前,巴龙4G系列套片全球累计发货过亿,有完整的产品组合,能力从Cat 4到Cat 19,对应单连接速率从150Mbps到1.6Gbps不等。
2018年2月,华为发布巴龙5G01基带芯片,是第一款商用的、基于3GPP标准的5G芯片,但体积较大;此前,高通曾发布业界首款5G调制解调器骁龙X50,但并非基于3GPP标准,且仅支持5G网络而不兼容前代网络。
2019年1月,华为发布巴龙5000。其体积小、集成度高,支持5G及前代网络制式。巴龙5000率先实现了业界标杆的5G峰值下载速率,在Sub-6GHz(低频频段,5G的主用频段)频段实现4.6Gbps,在毫米波(高频频段,5G的扩展频段)频段达6.5Gbps,是4G LTE可体验速率的10倍。华为表示,巴龙5000除用于智能手机外,还可以在家庭宽带终端、车载终端等场景下使用。
布局二:天罡系列基站芯片
天罡是业界首款5G基站核心芯片,在集成度、算力、频谱带宽等方面取得了突破性进展。天罡首次在极低的天面尺寸规格下, 支持大规模集成有源功放和无源阵子;实现2.5倍运算能力的提升,搭载最新的算法及波束赋形,单芯片可控制高达64路通道;极宽频谱,支持200M运营商频谱带宽。天罡芯片为有源天线处理单元带来了革命性的提升,实现基站尺寸缩小超50%,重量减轻23%,功耗节省达21%,安装时间比标准的4G基站节省一半。
5、为物联网而生的链接芯片:Boudica、凌霄
布局一:Boudica系列NB-IOT芯片
NB-IoT(NarrowBand Internet of Things,窄带物联网)聚焦低功耗、广覆盖物联网(IoT)市场,可在智能停车、智慧农业、远程抄表等垂直行业广泛应用,具有低功耗、连接稳定、成本低、架构优化出色等特点。近年来,工信部以及三大运营商均在不同程度上予以扶持。但受限于技术因素,NB-IoT发展仍较为缓慢,其中终端芯片是核心难点之一。
华为2014年开始进行NB-IoT芯片研发。2015年,推出基于预标准的芯片原型产品。2016年9月,发布业界首款商用NB-IoT芯片Boudica 120。此后,又推出支持3GPPR14的完全成熟的Boudica 150,可实现更低的能耗,并应用于更多的场景。2019年4月,华为披露,Boudica 120出货量突破700万;性能更优越的Boudica 150出货量则突破了1300万。华为预计2020年推出Boudica200,支持3GPPR15及后续标准演进,拥有更优的集成度、安全性与开放性。
布局二:凌霄系列WiFi芯片
在路由器的现实使用中,掉线、延时、卡顿等问题普遍存在,为了解决这些问题,华为研发了凌霄系列路由芯片,由路由CPU、路由WiFi芯片、电力猫芯片三大产品线组成。2018年12月,凌霄芯片正式亮相,荣耀路由Pro 2搭载了凌霄5651和凌霄1151。其中,凌霄5651为四核1.4GHz CPU,凌霄1151为双频Wi-Fi芯片。
2019年的华为开发者大会(HDC2019)上,华为正式发布凌霄WiFi-loT芯片,服务于华为的全场景智慧生活战略。该芯片于2019年底上市,用于家庭接入类产品。