主题：【闲聊】话说中国芯 -- 四月一日

前面聊过了 PC 相关的 IC 产业, 把 PC 主板的 BOM 展开来看过一遍, 大致上把一片 PC 主板所需要的 IC 分成了四个大类: (1) CPU 与 Chipset, (2) I/F 控制器, (3) DRAM, Flash 等 Pin-to-pin Compatible IC, (4) TTL, MOSFET, EEPROM, Transistor, Regulator 等同型不同牌可完全替代的小 IC. 其中第四类小 IC 中, TTL, EEPROM, Transistor 几乎是完全没有差别, 而 MOSFET, Regulator 理论上是完全可替代, 但实际上有物理特性的效率问题. 这种现象在较小负载的时候还不明显, 在高负载的情况下就会因为 IC 发烫而影响到 component 的效率, 进而影响到整体的稳定性. 而第三类的 DRAM, Flash 等 IC 虽然是完全 pin-to-pin compatible 的, 但实际上还是有效能 (performance) 与兼容性 (compatibility) 的问题.

接下来, 就来聊聊 PC 的重头戏 CPU 与 chipset. 这两样东西是 PC 的命脉, 同时也是复杂度最高的元组件, 而这个 "最高复杂度" 同时存在于设计, 制造, 以及相关支持上. 由于 CPU 与 chipset 是一片主板上 gate count (一般用在判断 IC 的复杂度上) 最高的 IC, 同时也是需要最多技术支持, 如 BIOS 与 driver, 并需要售后服务如软件更新等. IC 业有两种主要的技术支持: 一种是售前的技术支持, 协助下游的主板厂商用自己的东西把主板做出来, 也就是前文所说的帮助客户做 design-in 的动作, 必须要让客户用这颗 IC 来设计主板, 自己以后才会有戏, 不然就没机会了. 由于 chipset 是主板的主 IC, 和 I/F 控制器不同的是换 chipset 几乎等于重新做一片主板, 换 I/F 控制器有时只需要做局部修改 (partial modification). 举例来说, 用 Intel 915 芯片做出来的板子, 不可能在事后换成用 SiS 649 --- 那会是一片全新的主板. 但如果只是把 onboard Ethernet controller 由 Intel 82541 换成 RTL8110 的话倒有点可能, 只要板子保留的空间够 (placement and layout issue) 而且厂商愿意改 (改变使用的 I/F controller 需要重新做功能验证并提供新的趋动) 的话.

Chipset 的定义在 586 之后趋于一致, 就是一般所谓的北桥与南桥 (Northbridge & Southbridge). 这个定义 Intel 在推出 810 时改为 MCH-ICH, 但架构上也没有什么太大的差别, 把 MCH 视为北桥把 ICH 视为南桥就可以了. 早期定义的北桥包含三个主要部份: 对 CPU 沟通的 Host Bus Controller, 对内存沟通的 Memory Bus Controller, 和对 PCI 总线及南桥沟通的 PCI Bus Controller. 南桥则包含 ISA Bridge 和其它后端的接口. AGP 问世之后这个总线由于速度较快, 所以放在北桥里头, 而南桥则包进了更快速的 IDE (PCI Enhanced IDE, 以前的是 PIO Mode 4) 和其它后端功能. 再后期, 台系的 SiS 成功的把 VGA Core 包进北桥里, Intel 810 跟进, PC99 的定义去掉了旧的 ISA Bus 使得南桥不必再放进 PCI-to-ISA bridge, 而南北桥的沟通也由过去的 PCI Bus 改成各家自行定义的连结方式, 如 Intel Hub-Link, VIA V-Link, SiS MuTIOL 等各式各样的名称, 并把原本位于北桥的 PCI Controller 移到南桥上, 形成了现在的 MCH-ICH 架构 (Intel 的定义, 各家有各自的名称, 但内容差不多). 基本上北桥仍然以 CPU Host Bus, Memory Bus, AGP/PCI-EG 等高速传输功能为主, 加进 VGA Core 的则称为 GMCH, 多了个 G 就是指含有 Graphic core. 南桥则放进 PCI Bridge 以及可能放进的全部或部份原本属于 PCI/ISA-based 的 Device Controller, 如全部的 USB, SATA 控制器与一部份的 Ethernet 控制器 (还需要外加 Phy 才能工作) 与 audio (还需要外加 codec 才能工作).

说了 chipset 的小故事之后, 希望没有吓到一些希望看到科普文章的人. 说这些的目的无它, 就是要较为准确的定义和比较一片 PC 会用上的 IC 的复杂度和技术层次, 以利后面的闲聊: 关于现在我们的能力够得上哪一块. 北桥的技术难点在于 Host bus 与 memory bus 愈来愈高频的挑战以及必须集成更好的 VGA core, 这表示厂商除了必须具备更强的处理 CPU 与 Memory 的能力之外, 还要加入设计不输人太多的 VGA core 的能力. (一般对集成 VGA core 的要求, 大约落后 ATI/NVIDIA 等专业厂主流产品两三年上下.) 对于南桥来说需要能加入许多新的功能, 也就是必须具备设计 USB, SATA 等 I/F 控制器的能力. 除了要做得出来, 还要能搞定 BIOS 与 Driver. 前面的讨论说过, 这类东西即使做出了美美的 chip 却做不出 driver, 一样是没法用的.

CPU, 应该不用多说了, 那是一个更高技术的所在. 不论设计或制造都是.

简单的说, 用个 "技术密集度" 的观念来做比较, CPU 的技术密集度最高, 其次是 chipset, 再其次是 I/F 控制器. 但以专业领域来说, 做高档次的 I/F 控制器的并不弱于 chipset 厂, 比如说 Intel 的 VGA 追不上 ATI 与 NVIDIA, 而后者也切入 chipset 领域. Chipset 厂商能够做出 I/F 控制器, 因为做功能集成时就会用到, 不过不见得在效能或成本上拼得过专业厂. Intel 做出来的 chipset 一度不如 VIA (Intel 810 时代, 在 815E 之后又赶上), 在服务器级别的 chipset 上落后 Serverworks 不短的一段时间, 在 7501 之后才赶上. 属于 I/F 控制器领域的高手不少, 除了 VGA 的 ATI 和 NVIDIA 之外, 如 SCSI 的 Adaptec, 都不是老大 Intel 可以比得过的.

现在的 IC, 特别是高密度的 IC, 制造问题愈来愈重要. 不过由于 IC 制造方面涉及太多的专业, 在这里先不多说, 或许以后有空了再好好聊聊. 简单的说, 要做出一颗高密度 IC 时, 相对于逻辑设计, IC 制造能力的搭配才是决胜点的所在, 原因在于高密度 IC 的物理特性更为重要. 举个例子来说, 要做一颗芯片, 首先自然是要完成 Logic Design, 然后拿到来自 fab 的 lib 檔, 跑过 simulation, 才会进入到开 mask 与投产. 这个 lib 檔是 fab 的投产经验, 即使是来自同一家代工厂的不同 fab 也会有所不同, 而芯片设计必须配合投产数据的 lib 才能顺利产出 chip 来. 如果要换代工厂, 比如说由 tsmc (台积电) 换到 UMC (联电), 那就必须拿到 UMC 的 lib 后从 simulation 开始重头来过, 而且新的 fab 的 lib 并不保证也可以做得出东西来. 以时间来说, 一颗芯片从设计到量产需要一年的话, 从simulation 重来需要大约九个月. 以投资成本来算, mask 和试投才是最大的花费. 以技术的角度来说, 换 fab 可能带来等于重做的风险, 技术不够的 fab 可能导致东西做不出来. 打个比方来说, Logic Design 是芯片的灵魂, 没人说它不需要, 但是制造是给予芯片身体组织, 孕育一个生命的必要过程. 这些 lib 相当于芯片的基因码, 换了不同 fab 的数据后产出的芯片会有不同的物理特性, 即使是完全一模一样的逻辑设计. 没有好的 fab 做配合, 就不可能有好的芯片出来. 而这些 lib 是怎么来的? 不是靠砸钱购买设备, 而是一次又一次的试投与量产经验积累出来的. (虽然可以买到一些基本的, 但买不到最先进的. 而最最最先进的买了也没用, 因为不同的产线会有不同的特性.)

积累, 多好的一个词.

积累的后面, 还有再积累. 做出了一套芯片, 有了经验, 再做下一套就容易些. 一间 IC 厂做出了第一代产品, 第二代就再包上新的功能. ATI 和 NVIDIA 能做出包了他们自己的 VGA core 的北桥芯片, 却做不出南桥 (做出来了但没人有兴趣用), 因为他们还不会那许多包在南桥里的控制单元, 重头来过一个一个搞十分花心力, 砸钱买现成的 IP (SIP, Silicon Intellectual Property, 好像译作硅智财, 不确定) 还比较现实. 但南桥对于原本专攻 chipset 的厂商就比较容易, 他们本来就会一些, 只要再开发并加入新的控制单元就可以了. 但要 chipset 厂做出好的 VGA Core 就很困难, Intel 从 810 开始积类了好几年也做不出拼得过 ATI 的 VGA core.

Intel 的强不只在 IC Design 上, 他还有全球第一的制造能力, 拥有最先进的制程技术. 也就是因为有这个强项在, 所以 Intel 可以实现他那独步全球的最高效能芯片, 因为只有 Intel 才有足够的 IC 制造能力把东西做出来, 找 tsmc 投产的 VIA 永远也追不上 Intel 最先进的制造技术, 而 tsmc 已经是世界第一的代工厂了. IC 制造技术不只是一般提到的多少纳米那么简单. 长期积累的数据库和 yield rate 的调整, 和能做到多细微的技术同等重要, 或许还更重要. 如果 AMD K8 当年可以顺利投产 (AMD 也是自有 fab 的大型 IDM), 或许现在 Intel 会辛苦些.

看来好像现在 Intel 在 CPU 领域的这堵墙很高很高, 高不可攀, 完全没可能跨过.

这句话对或不对在于两个重点: (1) 现在, (2) CPU 领域, 或者必须更精确的说 x86 CPU 领域. 换句话说, 五年后 Intel 会不会像 Digital 那样挂了, 现在谁也说不定, Intel 自己也说不定. 五年不会, 那十年呢? 另外, 在 x86 CPU之外的其它领域 Intel 也一样能呼风唤雨吗? 答案是: 嘿嘿.

再去喝口茶. Maybe Continue...