在近年歷次華為旗艦手機的消費者調查中,作為支撐華為手機商業(yè)成功的重要力量,麒麟芯片越來越受關注。但實際上麒麟一路走來的艱難險阻,只有經歷過的人才有深刻體會。這里,我們希望通過2003年以來的若干小故事,來探究麒麟的奮斗和變革歷程。需要說明的是,麒麟只是一個代稱,實際上是指用于手機的一系列芯片或部件,即華為無線終端芯片,包括麒麟、巴龍、HiKe(氦客開源開發(fā)板)RF、 Connectivity、PMU(電源管理單元芯片)、 Codec(編解碼器)等。
以下是文章正文：
華為無線終端芯片要從2003年說起。那時,公司決定研發(fā)用于WCDMA(寬帶碼分多址)的手機芯片——代號是梅里?？上н@個項目不太成功。2007年中,公司正式定布停掉梅里項目。時任海思總裁徐直軍表示,盡管梅里這個項目不做了,無線終端芯片領域還有更多挑戰(zhàn)值得攻克,鼓勵大家堅持下去。他說：“我們華為就是'傻傻地投'。"
梅里這款產品雖然最終沒能成功商用,但給團隊積累了最為珍貴的產品經驗與教訓,更重要的是培養(yǎng)了一批人。梅里項目的結柬其實是一個全新的開始,公司決定兵分三路在3G Modem(調制解調器)和AP(應用處理器)處理器領域分別積蓄力量，另一方面也開始了4G LTE新技術的預研和探索。
于是三個團隊分別重新踏上征途。王勁和King帶領團隊開始3G Modem(含2G)研發(fā),Jerry則帶領梅里團隊的一部分核心力量,在高端AP領域繼續(xù)探索;第三個團隊則專攻4G LTE方向。
2007年底,華為無線產品線研發(fā)4G網絡設備需要配套的4G測試終端。Scan曾經有過3G測試終端的開發(fā)經驗,責無旁貸地挑起了LTE測試終端開發(fā)的大梁。同時,由于缺人,公司決策將高端芯片專家 William從發(fā)展得如火如茶的數字媒體芯片領域抽調到LTE領域,負責LTE芯片的開發(fā)。William是一位非常有經驗的芯片開發(fā)專家,在數據通信芯片、安全芯片、數字媒體芯片等領域有著成熟的產品開發(fā)經驗。后來證明,正是這樣才實現了4G乃至5 G Modem芯片的“星星之火,可以燎原”。
新鮮血液的加入,不僅帶來了成熟的SoC(片上系統(tǒng))架構和電路設計經驗,還帶來項目開發(fā)的新思維。William說:新團隊沒有經歷梅里項目的磨難,但正是因為不了解,反倒有更多勇氣去挑戰(zhàn),真正激發(fā)出團隊潛力。與此同時,Sean帶領的團隊也燃起全新的奮斗熱情,堅守的兄弟們一心都想把項目做好,他們的心中始終燃燒著一團熊熊烈火。但不論團隊如何熱情高漲,艱難困苦一如既往地在前面等著大家。
第一代LTE單模 Modem巴龍700:是25Mbps,還是100Mbps?
在定義第一代LTE芯片巴龍700的最高速率時,大家在25Mbps(傳輸速率單位,兆比特每秒)和10Mbps之間搖擺不定,當時 HSDPA(高速下行分組接入)的下行峰值速率在36Mbps左右,有些人覺得LTE做100Mbps太高了,能做到25Mbps就行。但 William不這樣想?；诼酚善黝I域的經驗積累,他認為,4G初期的速率在無線領域看來確實很高,但在路由器領域,這個速率差不多是10年前的水平。盡管傳輸的原理不同,很多核心技術卻是相通的。William堅持100Mbps沒什么問題,物理層以上的題能夠解決。
這是一款LTE單模芯片,支持 LTE FDD/TDD(頻分雙工/時分雙工).不支持2G/3G。在當時LTE網絡沒有大規(guī)模部署的情況下,單模LTE應用場景受限,既不能做手機,也不能做數據卡,只能放在固定位置用于CPE產品形態(tài)。而且彼時行業(yè)已經推出成熟的2G/3G/4G多模LTE芯片,并且在主流市場商用發(fā)貨。從這個角度說,單模LTE芯片巴龍700是一個徹頭徹尾的“落后”的產品,既然這樣,為什么還要設計這樣一款產品?
其實這是有原因的。負責產品規(guī)劃的專家 Benjamin說:2010年恰逢德國政府發(fā)布國家寬帶戰(zhàn)略,號召運營商在DD800MHz( LTE Band20,運營商的一個頻段)頻段上開展移動寬帶業(yè)務,彌補德國廣大鄉(xiāng)村地區(qū)無線寬帶接入的缺口,消除數字鴻溝。這在對手眼里,不算肥肉,但對4 G Modem巴龍團隊來說卻是天賜良機,于是才設計了巴龍700。Sean和 William團隊完成了巴龍700的交付,德國的運營商同意采用基于巴龍700平臺的CPE,4G巴龍芯片獲得了一次寶貴的機會。在當時業(yè)界已經推出多模芯片的背景下,一款單模LTE芯片能夠獲得德國運營商的認可,實屬不易。
借此契機,華為充分發(fā)揮端管協(xié)同優(yōu)勢,成功支持德國幾家重要的運營商利用DD 800MHz“數字紅利頻譜”在全德范圍內部署移動寬帶網絡,巴龍700成功在夾縫中打開市場。開頭提到的在德國郊區(qū)進行信號測試,就是這個時候。
趁熱打鐵,基于對中國移動 TD LTE頻段的支持,巴龍700在上海世博會演示的即攝即傳體驗峰值速率達到了100Mbps,海思也成為最早完成工信部 TD LTE測試的廠家?；诎妄?00的數據卡還支撐華為網絡完成在日本運營商的拓展。這就是LTE單模三年技術攻關播種下的革命火種。
第一代LTE多模 Modem巴龍710:選擇成熟的3G架構,還是面向未來的LTE架構
2012年,多模已經成為行業(yè)主流,業(yè)界LTE芯片已經做到第二代,甚至第三代,海思也迅速轉入多模4GLTE芯片巴龍710的研發(fā)和攻關。這時他們遇到了多模Moem架構選擇的問題。
此前,2G/3G Modem芯片開發(fā)架構基于ARM9(此處ARM為英國ARM公司,下同)和ZSP(一款數字信號處理產品),有成熟的解決方案的交付能力;而之后的4GLTE單模 Modem芯片則基于新的 ARM 11 CPU(中央處理器)和CEVA(思華科技,公司名,也是其產品的名字)處理器,開發(fā)了全新的更有競爭力的架構。
對于LTE多模 Modem的架構,兩個團隊進行了激烈的討論,一方認為應該選擇成熟的3G架構,有利于產品的快速量產;另一方認為應該選擇面向未來的LTE架構,有利于未來演進。雙方相持不下。時任海思研發(fā)管理部部長的何庭波沒有立即拍板,而是給大家講了一個故事。
2G時代,半導體巨頭TI(德州儀器)英飛凌,基于成功的2 G Modem去開發(fā)3 G Modem,結果失敗了。而后起之秀高通則是先開發(fā)了3 G Modem,之后把2G功能融合進去,結果成功了。何庭波沉默了一會,對大家說:“現在我們面臨同樣的歷史時期,要從3G向4G切換。采用舊的成熟的架構,加入新的功能,事實證明是不適用的,無法很好地演進。我們的4G技術架構選擇,要面向未來?！庇谑亲罱K決定:采用4G LTE架構,把2G/3G功能融入進去。正是這次選擇,奠定了巴龍LTE未來芯片的清晰演進路線,從 LTE Cat 4的150Mbps,到Cat 6的300Mbps,再到Cat 12的600Mbps,整個架構支撐了華為無線終端芯片在LTE上的持續(xù)演進。
萬里征程:從4G LTE正迎頭追趕,到5G時代全球領先
2013年CES（國際消費類電子產品展覽會)期間,公司從產品競爭力的角度出發(fā),決定把Modem和AP合起來,選擇走soc的發(fā)展道路。當時距離交付只剩下八個半月的時間,時間緊、任務重,團隊克服重重困難按時交付,并且在巴龍720這代產品上實現了很強的競爭力,創(chuàng)下了最短開發(fā)周期的紀錄,同時這款Moden也持續(xù)為麒麟920/930/950等提供著強勁的通信能力支持。
從巴龍720開始,巴龍750、巴龍765等后續(xù)產品逐漸走上正軌,隨后推出的每一代產品幾乎都實現了業(yè)界最強的規(guī)格,在LTE時代站穩(wěn)腳跟。2019年1月24日,華為正式面向全球發(fā)布業(yè)界領先的5G多模終端芯片巴龍5000和基于該芯片的首款5G商用終端——華為5 G CPE Pro,領航5G時代。
5G的形勢和4G相比已經大不相同。在巴龍5000與網絡系統(tǒng)設備商聯(lián)調的過程中,Sean和 William及團隊聽到最多的反饋就是“你們真的很快”。2019年6月28日,中國移動發(fā)布首份5G芯片和終端評測報告,巴龍5000不論在網絡兼容性、吞吐率上還是在續(xù)航上,都一騎絕塵。
經過4GLTE時代艱苦卓絕的奮斗和積累,巴龍 Moden芯片終于在市場上喊出了自己的聲音,也讓行業(yè)內的其他廠商刮目相看?！白鋈蜃詈玫?Modem”成為現實。
麒麟920:初露鋒芒,爆款產品是如何誕生的?
2007年,如上文講到的,梅里項目結束后,公司決定兵分三路。經過幾年艱難探索和嘗試,三個方面軍陸續(xù)都取得了一些突破：
3 G Modem巴龍芯片經過幾代的更迭,陸續(xù)突破了歐洲、日本等重要的運營商;
AP處理器經歷K3V1的小規(guī)模出貨,到K3V2,支撐華為D1、P6、G710、Mate、D2,P1、Dl XL等手機產品以及平板、電視盒子和電子相框等大規(guī)模出貨,奠定了關鍵技術基礎,摸索和積累了一系列產品研發(fā)和量產的方法學,在市場上初步打開局面;
4GLTE團隊是革命火種,在3G向4G變遷的大潮來臨之前儲備力量,艱苦研發(fā)與攻關,終于在4G來臨時打出了場又一場漂亮的通信勝仗。
2012-2013年,國內4G即將開始大建設；2G/3 G Modem、4G Modem、AP齊頭并進,但分立的K3V2和巴龍710難以擔負起業(yè)務發(fā)展的使命,要支撐華為手機發(fā)展,多模SoC推出至關重要。歷經昏天黑地的艱難攻關,華為推出了首款手機SoC麒麟910,支撐Mate2、P6S、P7、H30等手機規(guī)模發(fā)貨,獲得了良好的口碑。
麒麟為上古時期靈獸,聰慧、祥瑞,擁有來自東方的神秘力量,賦予芯片非凡的智慧和強大的力量。麒麟910開始了華為手機SoC時代,而最大突破卻是來自麒麟920。
麒麟920的一波三折
麒麟920和麒麟910幾乎是并行開發(fā)和交付的,這被稱為“擰毛巾模式”。但它的誕生卻是一波三折。
早在2012年12月28日,大家就在討論開發(fā)一個K3V2 pro版本,作為K3V2的升級版,重點解決一些問題。但后來大家覺得它的競爭力不太強。2013年1月,公司決定:不要再猶豫了,果斷停掉K3v2 pro。
2013年公司新立項一個產品,名稱為K3V3。當時的想法是做一顆規(guī)格領先的獨立AP芯片(為什么業(yè)界總有K3V3的傳說原來不是空穴來風),外掛一顆全球首發(fā)支持 LTE Cat.6的巴龍720芯片,采用AP+ Modem的模式,交付終端客戶。就在項目按計劃進行的時候,芯片研發(fā)主管 William敏銳地發(fā)現,這種模式的交付,對客戶來說,成本競爭力很不夠。有沒有辦法,在保證規(guī)格競爭力的同時,大幅降低整體成本,從而為客戶提供有競爭力的解決方案版本?
辦法總比困難多,通過整體的系統(tǒng)架構設計、規(guī)格分析、成本分析,最終項目團隊確定,采用整合AP和 Modem的SoC方式可以在保證規(guī)格競爭力的同時,大幅降低芯片成本。確定方案可行之后, William立即就投入了溝通說服工作,得益于海思專家主管一體的高效機制,方案很快就獲得了大家的認可并拍板執(zhí)行。確定投片時間為2013年4月。
無限風光在險峰,雖然優(yōu)化方案得到了認可和實施,但是留給項目組的開發(fā)時間卻極其有限。整體架構需要重構,媒體部分需要重構,手機驗證平臺需要重構……一個關鍵模塊的顯示子系統(tǒng),本來是一位新加入的海外高端專家負責,兩個月前就覺得快搞定了,可是過了兩個月一看,發(fā)現還是處于“快搞定”的狀態(tài)。怎么辦?推倒重做。
這時候,芯片專家 James Wang帶頭投入,負責關鍵模塊的代碼重構和編寫開發(fā),兩周搞定;驗證專家Tom又帶人撲上去,三周搞定;手機驗證平臺對交付影響巨大,沒有熟悉的人,怎么辦?原本做 Modem驗證但從沒做過手機芯片驗證的專家 Martin牽頭,成功地完成了手機驗證平臺的重構,這個平臺在后來歷代麒麟芯片驗證交付中發(fā)揮了巨大作用。
麒麟920采用了 ARM big. LITTLE(大核CPU與小核CPU相結合的CPU架構設計)架構,四個大核A15,確保強勁的性能;四個小核A7,確保優(yōu)秀的能效。這是當時業(yè)界最先進的八核架構,性能和功耗完美均衡。實際上此前大家曾經對這個架構還很猶豫,糾結于大小核的升級,最后海思總裁何庭波堅決拍板:用大小八核架構,并在專家 James Fang帶領下實現業(yè)界第一個真八核HMP(異構多處理器架構)方案, Benchmark(跑分)和操作體驗全面領先,一舉超越多家競爭對手。
在2013年初的那個階段,麒麟910還在玫關中,甚至巴龍720也還沒有完全穩(wěn)定下來。但這不影響麒麟920緊鑼密鼓的研發(fā)。2014年春天,麒麟910經歷了艱苦的攻關,搭載麒麟910的幾款手機(尤其是P7)基本上贏得了消費者不錯的口碑,但大家都有點心有余悸。在這種情況下,麒麟920的表現尤其值得期待。這時候麒麟920的各項測試指標基本出爐,大家有點不太相信自己的眼睛——實在太強悍了。
2014年6月6日,麒麟920在華為北研所發(fā)布。沒人會想到,這樣一款強悍的產品是在華為院士艾偉的自黑中開始的。只有很少的專業(yè)媒體受邀參加了本次發(fā)布,他們已經被這款產品所震撼。隨后,2014年6月底發(fā)布的榮耀6,以及9月份發(fā)布的華為Mae7,成為爆款手機,進一步提升了麒麟920的聲譽和影響力,它被譽為“國產最強芯”。文章開頭所說的Mate7一機難求的故事,就是這個時候發(fā)生的。
此后,大家對SoC手機芯片的開發(fā)更加有把握.更加自信,也更加出神入化。
2014年12月,麒麟620發(fā)布,這是華為首款64位的手機SoC,其支撐的榮耀6X手機成為公司首款出貨量超一干萬臺的手機。可能沒人知道,此前公司規(guī)劃的是麒麟610,是32位的。后來大家果斷終止了610,改為了64位的620。這一做法后來被稱為“壯士斷腕,絕地重生”。
2015年3月,麒麟930發(fā)布,它也完成了從32位到64位的轉化,采用了性能和功耗更為均衡的A53核,巧妙跳過了手機上的“火爐”A57這一做法后來被稱為“四兩撥千斤”.
2015年11月,麒麟950發(fā)布,業(yè)界率先導人16 nm FinFET（鰭式場效應晶體管)頂尖工藝,這是中國半導體廠商第一次站上了半導體工藝的最前沿。其研發(fā)歷程異常艱險,后文詳述。
2016年4月,麒麟650發(fā)布。這是業(yè)界首款在中檔位手機SoC上導人16 m FinFet頂尖工藝的芯片,并且實現了全模,即補齊了自研CDMA2000(碼分多址,3G移動通訊標準之一,下文簡稱CDMA)通信制式。16nm頂尖工藝支撐麒麟650更長的生命周期,成為海思首款出貨超億套的手機SoC芯片。這一做法后來被稱為“神來一筆”。
組織架構的調整
Paul是無線終端芯片部門主管。在麒麟910和920“擰毛巾”開發(fā)的過程中,作為事業(yè)部主管,他面臨一系列難題—一不僅是技術的難題,還有團隊融合的難題。他既要融合4 G Modem和2G/3 G Modem團隊,還要融合K3團隊。他們原本都各自擁有端到端交付能力,都有芯片、物理層、架構、解決方案、測試等各模塊。這在以前各自獨立交付的環(huán)境下是有效的,但現在要做SoC的開發(fā),這樣的組織架構就有很多問題。
為此,在海思領導的支持和幫助下,Paul進行了組織架構的調整,把這種各自端到端的交付組織,改為按模塊分別交付的組織——芯片、物理層、架構屬于公共部門,服務于麒麟和巴龍解決方案部,最終由麒麟和巴龍解決方案部交付給終端公司。
多年后,回顧此次組織架構的調整,大家開玩笑地做了個比喻:一家食品鋪子里有幾個組,分別負責制作包子、燒麥、餃子等,每個組都有做餡、做皮、捏在一起等完整的能力。現在,重新分組,每個組分別負責生火、做餡、做皮等,最終交給另外的組捏在一起,再賣給消費者。每個組把自己所負責的那項能力做精,最終的產品質量大大提升,受到消費者的喜愛。這種組織架構一直沿用到現在。
補齊通信制式:TD- S CDMA和CDMA,每次都掉一層皮
麒麟910是首款SoC,其不僅要融合AP和 Modem,即K3v2和巴龍710(4G Modem)、巴龍2G/3 G Modem,還必須支持中國移動的TD- SCDMA制式(時分一同步碼分多址,3G移動通訊標準之一,下文簡稱TD-S)TDS標準沒有國際大廠商投入,只有國內廠商投入,產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié),儀表、設備、標準的細節(jié)、產業(yè)化等,都不完備,困難很大。
公司幾經討論,最終決定與中國一家早期研究TDS制式的高校合作,從其獲得授權。但拿過來之后,發(fā)現存有大量問題,諸如代碼混亂,時序變化,測試力度不夠,商用困難,出問題很難定位,即使定位到,也很難修改。公司花了很大代價開發(fā)和穩(wěn)定這個版本。TDS制式的研發(fā)負責人 Andrew說:2013-—2014年的冬天,TDS團隊幾乎所有的人都去做測試工作了。大家開著自己的私家車,一遍一遍地跑外場,做測試。外面下著大雪,大家邊開車,一邊撥打測試電話?，F在想想,還真挺危險的。
從2013年下半年,一直到2014年第二季度,中間經歷了長達9個月的艱難歷程。2013年底,Paul臨危受命帶領大家攻關,Jim是攻關組長, Andrew是解決方案軟件組長,幾乎每天晚上9點大家都會開晚例會,分析問題,分工解決問題,通常開完會都十點多了,會后還要繼續(xù)工作。
2013年底,一個寒冷的冬夜,Paul出差北京開完攻關會議回到酒店,接到一個同事電話,請他參加他們部門的年會,Paul婉拒了。因為他實在太忙了,擺在他面前的難題太多了。這個身經百戰(zhàn)、戰(zhàn)果累累、年底這段時間本應拿獎拿到手軟的部門主管,此時此刻卻幾乎要哭出來了。他在想:“我為什么要來負責這塊業(yè)務?我能做好嗎?”
來自內部和外部的壓力很大,兄弟們工作很艱苦。很可惜有的人離職了,包括一些骨干。但大部分人仍然在堅持,這些兄弟在這個領域默默堅持了近10年,這是他們大好青春的10年。Paul曾經問過這些兄弟,為什么能一直堅持。他們說,沒有為什么,既然定了目標,就一定要做出來。Paul說,有這群兄弟在,心中就有目標,堅持下去,一定能取得突破。
到2014年四五月份,TD-S的問題終于解決,搭載的手機陸續(xù)量產。麒麟910背水一戰(zhàn)、九死一生的攻關歷程,成為大家刻骨銘心的回憶。麒麟手機SoC從910開始,到620、920、930,在通信制式上一直穩(wěn)定,但還缺一個制式—一麒麟芯片一直不支持中國電信的CDMA制式。這個問題隨著全網通手機的普及顯得越來越嚴重。
那時的華為全網通手機,要么采用其他廠商的SoC,要么釆用麒麟芯片加外掛其他廠商的 CDMA Modem。在要不要自研CDMA制式芯片這個問題上,大家有所爭論。有的專家認為,隨著4G的普及,CDMA可能將逐漸被淘汰,沒有必要去開發(fā)一款產品來支持將被淘汰的制式。但也有很多專家認為,即使CDMA本身不演進了,但其還會存在一段時間,全網通一定是大勢所趨麒麟如果沒有全模芯片,華為手機的競爭力將受到很大影響。最終,大家達成一致:集成CDMA制式。
然而,在是采用其他廠商的授權的CDMA還是自研的問題上大家又開始了爭論。Jim是CDMA開發(fā)主管,鑒于先前TDS的痛苦經歷,他對領導Paul說:“你不要從外面買CDMA。我一定能做出來?！?/p>
考慮到時間進度,公司還是和其他CDMA廠商開展了談判決定從其獲得授權。坊間傳說,雙方基本談成,但在最后一刻對方獅子大開口,海思決定不再購買其授權了。于是,開發(fā)CDMA的任務責無旁貸地落到Jim身上,2014年,他帶領團隊加緊攻關,終于完成CDMA制式。CDMA的研發(fā),華為公司堅實的通信功底起到巨大作用。
架構主管Jary說:由于華為基站早就實現了CDMA制式,所以從網絡側抽調了若干專家,一起攻關CDMA終端芯片。但這中間也遇到了很多困難,例如,Jim曾經發(fā)現RF芯片鎖死,大約每200臺手機就有一兩臺出現這種情況,很難定位問題。他和團隊以及RF的同事,一行一行地檢查代碼,做壓力測試,終于定位到問題并解決。最終CDMA制式在麒麟650上成功交付,也為后面所有的麒麟芯片的全網通制式掃清了障礙。此后麒麟950、960、970、980等在通信規(guī)格和性能上一直高歌猛進,并延續(xù)到5G時代。
麒麟950:跨越自我,從魯莽時代到業(yè)界Tier1
2015年秋天,史上最牛的跨越之作麒麟950即將量產。作為麒麟解決方案的主管,King要對套片解決方案端到端量產負責,他這時候有點焦頭爛額。他給海思領導 Julian寫了一個郵件,列出麒麟950的若干問題和風險,包括SoC、PMU、RF等。他說:“麒麟950有可能重演當年梅里的風險。他的郵件發(fā)出去沒一分鐘,就收到了 Julian的回復:“你趕緊去產線上盯著。問題不解決不要回來!”King看著郵件,腦子一片空白,這時電話響了, Julian說:“你走了沒?”
為什么說麒麟950是一款超越之作?是因為它在很多方面實現了很大的跨越,不僅超越了自己,而且超越了同時期的業(yè)界其他旗艦。比如:
1.第一次站上了半導體工藝的最前沿,導入16 nm FinFET頂尖工藝。
2.首次自研ISP(圖像信號處理)并商用,確定了華為手機在拍照領域的領導地位。
3.首次商用ARM最新CPU、GPU(圖形處理器):麒麟950首次商用 ARM Cortex A72 CPU和 ARM Mali T880 GPU,在性能上實現了新的突破。
4.首次自研DDR(雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器)Phy(端口物理層)并商用,同時支持已經成熟的 LPDDR3(低功耗內存技術)和標準還未完全確定的 LPDDR4,支撐華為手機當前和未來的成功。
5.首次商用自研PMU:新的GIC500(通用中斷控制器)、新系統(tǒng)總線以及FBC(幀緩沖壓縮)技術應用,使得麒麟950具備更強大的硬件性能基礎。
6.Modem算法的優(yōu)化:基于對業(yè)務的理解和行業(yè)標桿的分析,海思把 Modem的算法和物理層識別為關鍵業(yè)務,圍繞算法設計和工程化能力建設的主線,通過不斷優(yōu)化整合,分層能力建設,逐步確定了在 Modem上穩(wěn)固的領先優(yōu)勢。
7.新一代自研射頻芯片Hi6362,支持更廣泛的全球漫游。
8.新組織架構的首次全方位練兵。一款手機SoC芯片,通常是提前2~3年開始研發(fā),從規(guī)劃、設計到生產,環(huán)環(huán)相扣,每個環(huán)節(jié)都很重要。2014年中,無線終端芯片業(yè)務部完成組織架構調整,可以說麒麟950是組織結構優(yōu)化調整后第一個真正意義上的芯片團隊和解決方案團隊通力配合研發(fā)出的產品版本。新的組織架構需要磨合,到底是否有效,產品說了算。
2015年春天,麒麟950回片,團隊在上海舉辦了開工會,海思總裁何庭波在開工會上給大家總結了十二個字:夯實基礎、踩穩(wěn)節(jié)奏、開放創(chuàng)新。每個模塊的負責人都立下了“軍令狀”,團隊開足馬力向“跨越”這個目標挺進。但到了下半年,因為麒麟950的高規(guī)格,全新的工藝、處理器、模擬IP(知識產權)、PMU、RF,導致套片量產過程中出現了種問題,工藝和功能問題耦合在一起,DDR誤bit(比特,二進制制位,信息的最小單位)問題、供應商模擬IP的低概率問題、PMU的應力不足的die crack(芯片裂紋)問題、RF的ESD(靜電阻抗器)問題,每個問題都非常棘手。
最要命的是,那時距離手機產品上市只有2個月了。這才出現了前文King所說的:“麒麟950有可能重演當年梅里的風險?！边@話并不過分。慶幸的是,這時候的團隊已經不是梅里時的團隊。海思領導 Julian親自帶頭連夜跑到供應商處解決問題,Paul也身先士卒和大家一起討論解決方案,King立即趕赴產線,在一線集合海思SoC、RF、模擬封裝、可靠性、產品線等各方面專家集中攻關兩個月。
在所有兄弟的共同努力下,終于麒麟950得以成功量產。那么這些間題是如何解決的?先看看麒麟950上驚心動魄的RF問題。麒麟950配套的RF芯片是H6362,海思從3G時代自研RF芯片,到4G時代已經基本追平了業(yè)界主流水平,Hi6362已經是第二代4GRF芯片,大家信心滿滿。2015年秋天,那時Mate8手機已經投入試產,大家在緊鑼密鼓地測試中。一天,由于被測試手機比較多,檢測人員無意中發(fā)現兩臺Mate8手機疊放在一起信號會立刻失效。這太恐怖了。
RF專家Oiom立即帶領團隊進行問題定位,經過兩個多月的攻關,終于發(fā)現是ESD出了問題,也就是RF芯片生產過程中少了一層膜(mask),這個失誤會直接影響到RF芯片的可靠性,最終導致芯片無法正常工作。發(fā)現問題的當天下午,開發(fā)團隊第時間奔赴RF的代工廠,與對方專家一起看版圖,最終在凌晨3點半發(fā)現版圖調錯的問題,并對另外一個量產版本做了檢查,幸運的是這個版本是正確的。完成這些工作已是第二天早上6點,大家都如釋重負,兩個月來的攻關終于塵埃落定了。舊版本全部報廢,開足產能生產新版本。
到這里,問題似乎解決了。但一個更棘手的問題擺在大家面前:那時已經生產出來6萬臺Mate8手機,怎么辦?按照測試人員的說法,只有兩臺手機靠在一起,才會出現問題,這種概率比較小。從這個角度來說,這些手機可以銷售。而如果出問題,則會直接影響到華為手機的口碑?？紤]到如果這些手機全部報廢,會出現價值幾億元的損失,大家不知道怎么辦才好。最終海思總裁何庭波果斷決策——6萬臺有問題的手機直接報廢,因為華為手機的品質和消費者的信賴是公司生命之本。
麒麟950上除了RF問題,還有前面提到的工藝問題、ISP間題等,都一一得到解決。這些內容我們后面分別詳細介紹。
2016年6月20日,任總給麒麟950(含巴龍)研發(fā)團隊頒發(fā)了總裁嘉獎令。2016年6月28日,海思舉辦主題為“跨越”的慶功會,徐直軍、余承東、何剛、李小龍等均到場,祝賀麒麟950的成功,并對未來的麒麟提出了更高的希望。
無線終端芯片業(yè)務部主管Paul說:“別人說我們是奇跡,每一步都很成功,其實每個成功的背后都是大家的艱辛付出。我們是一群普通人,卻做出了一流的產品。這其中,目標導向的價值觀起到很大作用,大家力出一孔,艱苦奮斗,致力于把事情做好。不服輸,長期堅持朝目標努力。新征程,現在,我們要面向未來?！?/p>
先進工藝:提前布局決戰(zhàn)巔峰
2013年1月個寒冷冬日的午后,Leo和幾位領導和同事一起去拜訪臺積電,目的是希望和對方合作開展業(yè)界頂尖的16 nm FinFET工藝。當時的海思在工藝上并不領先;規(guī)模上,在臺積電的客戶清單上排名50位左右。所以,導入16mm,這幾乎就是“ mission impossible”(不可能完成的任務)。這個任務能完成嗎?
作為一家半導體設計公司,海思對先進工藝的追求是鍥而不舍的,而先進工藝又是最難的。按照提前2~3年立項的時間節(jié)奏,2013年,海思就開始規(guī)劃麒麟950,工藝是一項重要規(guī)格。那時手機芯片的主流制造工藝是28m。對于2年后要上市的麒麟950,海思如何選擇？
為什么選擇16 nm FinFET?
持續(xù)數十年的 Bulk cmos(體效應互補金屬氧化物半導體工藝)工藝技術在20mm走到盡頭,加州大學伯克利分校胡正明教授在20年前就開始探索并發(fā)明的基于立體型結構的 FinFET晶體管技術和基于SOI的超薄絕緣層上硅體技術的UTB-SOI(超薄通道絕緣體上硅)技術,也就是行業(yè)內常說的FD-SOI(全耗盡絕緣體上硅)晶體管技術,能解決半導體制程到25m后的制造和功耗難題,成為半導體產業(yè)僅有的兩個重要選擇。因為他的兩個重要發(fā)明,摩爾定律在今天得以再續(xù)傳奇。
但實際上,從胡教授在20世紀90年代發(fā)明 FinFET技術,到2015年 FinFET技術量產,這中間卻用了近20年的時間。
海思很早就意識到了手機芯片工藝的技術極限,2012年底,海思總裁何庭波拜訪胡正明教授,向其請教 FinFET技術在16m工藝上的可實現性,做出了通過技術創(chuàng)新突破瓶頸的選擇:跳過20nm,開始了16 nm FinFET+工藝的技術突破之旅。在兩年后的2015年,在麒麟950發(fā)布會上,胡正明教授談16 nm FinFET技術的視頻,令所有與會者震撼。這是后話。
臺積電:為什么要和海思在頂尖工藝上合作?
雖然做出了選擇16 nm FinFet+工藝的決定,但要真正實現商用卻面臨著巨大的難題和挑戰(zhàn)。
首先是16 nm FinFET工藝的生產和制造問題,當時在手機芯片制造領域擁有 FinFET技術的芯片制造商臺積電(TSMC),對芯片設計廠商的技術水平、技術積累、商用經驗和商用規(guī)模都有著極高的要求。
2013年初的海思,手機芯片的量確實不大(麒麟910是2013年下半年才商用),更沒有后來成為爆款的麒麟920,所以在臺積電那里根本算不上大客戶.在先進工藝上海思又一直處于跟隨的狀態(tài),并沒有率先商用頂尖工藝的經驗。所以,當時幾乎看不到臺積電與海思在頂尖工藝上合作的可能性。
2013年1月,一個寒冷的午后,海思總裁何庭波帶領骨干成員去臺灣拜會了時任臺積電輪值CEO劉德音先生,Leo是其中一員。他回憶道:到達臺灣的當天,何庭波不巧生病了,發(fā)著高燒,但她還是堅持第一時間去臺積電拜訪。正是這次重要的會面,促成了雙方在間16nm FinFET上的戰(zhàn)略合作。
海思作為大陸領先的芯片設計廠商,在臺積電有著優(yōu)秀的量產紀錄,和臺積電有著良好的合作關系,更重要的是具有清晰的戰(zhàn)略思路。那時,華為手機已經決定做自有品牌高端手機,而其他領先芯片設計公司大多選擇了在其他代工廠生產,臺積電迫切需要一個與之抗衡的大客戶這個大客戶很可能就是海思?？梢哉f,臺積電看到了海思芯片在華為手機未來全球版圖規(guī)劃中的重要性,深刻地意識到此次合作對于雙方的戰(zhàn)略意義,于是選擇海思作為16mn全球首發(fā)芯片合作伙伴,麒麟950終于拔得16nm頭籌。
同樣是16m,麒麟950還做了幾次切換:先是16nm LL(能效比較好),后來切換到GL(性能比較好),最后確定 FinFET Plus。芯片主管 William說:這無異于一輛汽車在飛馳中換引擎,開發(fā)工作量非常大。2013年10月21日立項,在2014年底投片之前,大家都異常焦慮。果然,一堆問題冒出來了。)
首款自研 LPDDR:為什么要走鋼絲?
先進的工藝總是伴隨著很多工程化的難題,16 nm FinFEE新工藝要求單芯片集成的晶體管數目從20億個增加到30億個,金屬互連的難度成倍提升;基于3D結構的晶體管,工藝復雜度大幅增加。
與此同時,麒麟950還首次搭載自研的 LPDDR,這是當時最有挑戰(zhàn)性的技術方案之一。在選擇更有競爭力但技術風險更大的LPDDR4,還是技術成熟風險更小的 LPDDR3的問題上,當時內部意見很不統(tǒng)一。經過五次反復,最終決定兩代都做。同時兼容LPRRD3和 LPDDR4,業(yè)界沒有可以參考的經驗,甚至第一次面對定義封裝的問題,首款、自研,這些字眼里充滿了風險,負責芯片開發(fā)的高層主管 George親自和 William帶了30人的團隊,一起和DDR研發(fā)主管Leo的團隊檢驗設計,每天看代碼、看設計。期間出現的警告log(日志)多達幾萬條,大家就一條一條過,每天都忙到夜里十一點,有同事甚至累到病倒。當時還趕上春節(jié),大家也都基本沒有休息,時刻在擔心最終的效果。Leo說:時候簡直像在走鋼絲。
慶幸的是鋼絲終于走過去了?；剡^頭來想,同時實現LPDDR3和LPDR4是多么英明的決策: LPDDR3已經成熟,可以快速調試和部署,爭取寶貴的時間窗口,不影響整體芯片的開發(fā),并且可以支撐中低端手機; LPDDR4面向未來,增強競爭力。
此外,團隊還解決了銅污染、MIM(金屬注射成形)技術等各種問題。每個問題也是艱苦攻關才得以解決。
麒麟950:終于站上工藝最前沿,這是整個中國半導體產業(yè)的創(chuàng)舉和驕傲
最終,華為在16 nm FinFET工藝上,在2014年4月實現業(yè)界首次投片——在海思的網絡處理器Phosphor 660(它就是現在的鯤鵬920的前身)上,2015年1月實現量產投片——在麒麟950上,并于10月實現量產發(fā)貨。麒麟950終于實現了16 nm FinFeT工藝的率先商用。從 FinFET技術概念的提出,到今天16 nm FinFET技術在華為麒麟芯片得到商用,20年的過程艱難又曲折。
自此,海思開啟工藝領先之路。麒麟960第一次在封裝工藝上站上業(yè)界最前沿,并且其安全性達到了金融級安全標準。2016年l1月,麒麟960榮膺第三屆世界互聯(lián)網大會“領先科技成果”。麒麟970采用了當時業(yè)界最頂尖的10nm工藝。但更重要的是,麒麟970首次在手機SoC中集成了專用NPU(嵌入式神經網絡處理器),開啟了端側AI行業(yè)先河,其難度也是非常大的。麒麟980是業(yè)界首款7nm工藝的手機SoC芯片。7nm相當于70個原子直徑,逼近了硅基半導體工藝的物理極限,麒麟980實現了在針尖上翩翩起舞。
ISP:全球人才布局,麒麟拍照如何做到從追趕到一騎絕塵?
2013年夏天的一個周末,在法國海邊小城尼斯,Joe和8位“居家好男人”一起“組團”去家具城買家具,他們買了若干桌子、椅子、柜子等,用自己的私家車運到空空如也的辦公室,卸貨,組裝,忙得不亦樂乎。終于,他們擁有了像樣的辦公環(huán)境。
那天正好是中國的傳統(tǒng)節(jié)日端午節(jié)。Joe去超市給法國同事們買來了粽子,想讓他們嘗嘗中國的傳統(tǒng)美味。法國同事們對中國文化和美食非常感興趣,讓Joe覺得好笑又溫暖的是,因為是第一次吃粽子,他們不知道粽子皮能不能吃。作為圖像圖形學的科學家, Stephen解決這個問題的辦法是:試下。他咬了一口,覺得粽子皮太硬了,于是得出結論:應該不能吃。
他們是麒麟芯片拍照團隊的成員。
在麒麟950之前,華為沒有自研的ISP。早在2011年,就有人反映華為手機拍照功能不盡如人意。在一次高層會議上,任總問海思總裁何庭波:“為什么華為手機的拍照不強?”何庭波說:我們缺乏自研ISP?！比慰傉f:“為什么不投資做自研ISP?”何庭波說:“沒錢?！比慰傉f:“沒人投,我投!”
經過多方論證和準備,2012年,麒麟團隊終于啟動了自研ISP的立項,商用目標是2015年的麒麟950及Mate 8手機。隨后,ISP團隊、3A(自動對焦、自動曝光、自動白平衡)算法團隊和PQ(圖像質量)團隊開始籌備和構建,但還是缺人,缺專家。
2012年,TI解散了他們的ISP團隊OMAP(TI的開放式多媒體應用平臺)聽到這個消息,負責芯片研發(fā)的老大 George第一時間飛到海外,希望將Ti的ISP團隊吸納過來?？墒?他見了OMAP在全球不同城市的人,都沒有收獲,很多優(yōu)秀的人才要么已經被其他公司搶走,要么就是不符合海思的要求。George很失望。
正在這時,一位朋友告訴他,TI在法國尼斯還有個團隊,可以去碰碰運氣。于是 George立即飛往尼斯。這次運氣不錯, George與溫文爾雅、思維縝密的 Stephen相見恨晚,力邀其加盟。自此,ISP團隊正式組建,除尼斯外,還有北京、深圳、上海、日本等團隊,大約100多人,全力投入ISP技術攻關。Robin和Joe就是那個時候從其他團隊抽調過來的, Robin擔任ISP芯片團隊主管,Joe是SE(系統(tǒng)工程師)
Joe于2013年5月去尼斯,與 Stephen等8位同事并肩作戰(zhàn)。剛開始的時候,沒有辦公室。大家在一個公共寫字樓里租了一間大約20平方米的會議室,里面只有一張會議桌,9位同事圍著這張桌子辦公。沒有網絡,大家只能靠手機的無線信號網絡工作。
這種情況持續(xù)了一個半月左右,辦公地點終于定了下來,有了自已獨立的辦公室,但里面什么都沒有,也沒有行政人員幫忙。按照當地的辦事流程,這些都配齊,可能還要兩三個月,于是就出現了文章開頭所描述的場景:大家干脆自己去家具城買辦公家具,自己動手組裝。這期間,Joe與尼斯團隊一起經歷了跨國工作的磨合期——大家來自不同的國家,面臨語言障礙和文化差異,粽子皮能不能吃,只是文化差異的一個小縮影。最終,大家克服語言障礙、團隊熟悉度不足、工作習慣和環(huán)境差異等問題,形成了協(xié)同、高效的戰(zhàn)斗力和良性的工作氛圍。
大家都很關注自研ISP的成像效果,不同部門的人也都在積極配合。Robin回憶,當時華為終端部門對麒麟自研ISP非常重視,硬工部老大親自坐在電腦前，一張一張地對比圖片成片質量。秘書們義務幫忙,進行圖片盲測,對麒麟芯片以及其他手機拍攝的圖片進行對比和排序,發(fā)現有不好的,及時返回給算法改進。
用戶拍照體驗好不好,除了ISP芯片本身,軟件和算法解決方案也至關重要。Robin和Joe的芯片團隊已工作了近兩年,而大量的解決方案軟件和算法亟待開發(fā)或成熟,時間已非常緊張。2015年4月,Roc加入拍照團隊,擔任麒麟拍照解決方案研發(fā)主管,那時距離自研ISP回片時間不到一個月,距離首產品Mate 8手機商用也不到半年。他緊急整合解決方案軟件、算法、PQ團隊,與ISP芯片、終端、2012媒體工程部等兄弟團隊集中隊伍、協(xié)同作戰(zhàn)。開始時拍照的體驗很不理想,功耗、性能、基礎效果體驗都大幅度落后競品,他帶領聯(lián)合團隊持續(xù)開發(fā)、攻關和優(yōu)化,在Mate8上市前的半年時間里,經常每天晚上11點開晚例會,每月休整1~2天,終于功耗、性能、基礎效果體驗的問題都陸續(xù)得到解決,拍照體驗的競爭力開始浮出水面。
經過3年多的艱難攻關,在2015年推出的麒麟950上,海思第一代自研ISP正式亮相。首產品即商用,這在海思歷史上還是很少見的,但這次自研ISP不負眾望,支持14bit雙ISP,吞吐率性能提升4倍,高達960 MPixel/s(每秒百萬像素),讓Mate 8手機拍照效果實現了大幅提升。但Roc的團隊幾乎一口氣都沒有歇,立即投入P9的拍照能力的攻關。它們兩個最大的不同是:Mate8只考慮單攝像頭,而P9是雙攝像頭,所以需要修改架構。
終于,到第二年第一季度,自研ISP技術與徠卡雙鏡頭“雙劍合璧”,助力P9、P9 Plus成為2016年的明星手機產品,黑白彩色雙攝開啟了華為手機拍照優(yōu)勢的新篇章。當時一家著名分析機構的首席分析師如此評價麒麟自研ISP“這比買商用ISP肯定更貴,但值得?！?/p>
事實證明一切,麒麟960拍照性能繼續(xù)提升。麒麟970不僅ISP性能得到提升,還開創(chuàng)性地融入了AI,搭載麒麟970的華為Mate10和P20手機都分別沖上了 DXOMark(法國知名圖像處理軟件DO公司推出的成像質量排行榜)榜單第一;而P20 pro更是在 DXOMark榜單第一的位置上穩(wěn)居一年多,直到被后來的搭載麒麟980的P30 pro超越。
唯堅持,得突破。選擇最難走的道路,看最美的風景,這需要智慧和勇氣,更需要巨大的努力和付出。每一代麒麟的演進,都“太難了”,但即使是在最難的時刻,團隊也沒有放棄對創(chuàng)新的追求。麒麟為什么能成功?是因為大家長期堅持追求三個詞Focus(聚焦)、 Persevere(堅持)、 Breakthrough(突破)
注:文中 Julian、Paul、 George、 William、King、Sean、Benjamin、 Orion、Jery、Jim、 Andrew、 Robin、 James、Jary、Joe、Leo、Roc等均為化名。他們可能不是特定的某個人而是這么多年來矢志奮斗的麒麟和巴龍團隊的縮影。