日本的半導體制造業，特別是與人工智能相關的AI芯片制造業現狀究竟如何？是否真的那么不堪？
近年來，人工智能已經成為發達國家和地區搶占未來發展先機的重要抓手。在此背景下，盡管業界還沒有為人工智能芯片給出一個準確統一的概念，但是各國在半導體和芯片制造領域早已展開了激烈的競爭。主流觀點普遍認為，未來AI芯片的競爭將在中國和美國之間展開。然而，今年的中興事件給中國狠狠敲響了警鐘，讓國人清醒地意識到了我國在這個領域與先進國家之間的差距。當前，我國正處于上下一心在高科技領域追趕美國的關鍵階段。我們不僅應該有決心和意志，更應該有方法和策略。
本文將在討論當前世界各國芯片發展現狀的基礎上，重點介紹日本在AI芯片發展過程中的經驗、教訓，以及技術特點與優勢，并針對我國的技術發展現狀，有針對性地提出對我國AI芯片發展的建議。
AI芯片發展現狀
自1956年的達特茅斯會議以來，人工智能正面臨著學科建立以來前所未有的科學技術和市場應用爆發潮。作為人工智能應用落地的關鍵技術及基礎，人工智能(AI)芯片在為科技巨頭的業務升級、傳統企業的業務變革帶來新機遇的同時，也點燃了資本市場的投資熱情。
近年來，各大公司推出的AI芯片層出不窮。自驍龍820處理器起，高通公司開始投入AI芯片的研發，到驍龍845已經是第三代，其AI計算效能達到了前一代的三倍，長期占領移動通訊市場份額的頭把交椅。互聯網巨頭谷歌在開源了自己的TensorFlow深度學習神經網絡框架后，迅速打造了自己基于專用集成電路(ASIC)的專用TPU芯片。傳統軟件行業領頭羊微軟則將重心放在FPGA人工智能芯片上，并將其應用于支持Bing搜索。此外，微軟還推出了具有視覺理解能力的視覺芯片A-eye。憑借著GPU在人工智能應用中的先天性優勢，英偉達成為近年來AI芯片行業最大的黑馬。今年6月，英偉達發布了一款專為機器人打造的全新 AI 芯片Jetson Xavier，并宣稱該款芯片的性能較之前的芯片強大20倍。近年來，我國的AI芯片發展也取得了一定的成績。今年5月份，寒武紀科技在終端、云端同時推出了新的AI芯片，是全球首次采用7nm工藝制造的芯片。8月底，華為在今年柏林國際電子消費品展覽會上展出了全新一代7nm制程的旗艦處理器海思麒麟980。
除了這些傳統的信息技術服務提供商外，許多直接面向客戶提供終端產品的企業也紛紛加入AI芯片的研發行列中。智能手機的行業巨頭蘋果公司表示，在其新款的iPhone 8和iPhone X手機上所使用的A11處理器集成了一個專用于機器學習的硬件神經網絡引擎芯片，能夠改進蘋果設備在處理諸如面部識別和語音識別等需要人工智能的任務時的表現。新一代電動汽車制造商特斯拉早前也與芯片制造商AMD聯合研發了用于自動駕駛的AI芯片。我國家電行業制造巨頭格力電器也表示，計劃投資500億用于芯片的研發和制造。我國還成立了專門的半導體產業基金，在芯片設計和制造領域頻頻進行資本運作，投資了包括封測、材料等上下游企業。
從以上信息我們不難發現當前芯片產業發展中的幾個重要趨勢和現象：
1、由于各類芯片的應用場景廣泛，幾乎涵蓋了一切電子產品，不同行業的生產廠商的跨界合作與研發是非常普遍的現象。
2、由于芯片制造行業在研發和制造成本上的特殊性，資本的推動對于整個行業的發展具有特殊的意義。同時，長遠來看最終形成寡頭壟斷的趨勢也非常明顯。
3、在知識產權保護日益進步的大背景下，領先企業較追趕企業具有較大的競爭優勢和較深的技術護城河。作為追趕者的企業想要后發超越所面臨的困難非常大。
當前AI芯片的發展如何呢?表1梳理了當前世界各大科技巨頭的產品特點及性能，從宏觀上介紹目前AI芯片的發展概貌。
表1 當前世界各大科技巨頭的產品特點及性能
芯片一直是懸在中國上方的達摩克利斯之劍。在經歷了今年初的中興事件后，我國的芯片產業受到了空前的關注，并很快取得了一些突破性的進展。然而，作為技術上的追趕者，面對無處不在的技術封鎖，我國更應該博采眾長，廣泛借鑒世界各國在芯片及半導體產業發展過程中的經驗。以及有許多圍繞歐美國家的半導體產業發展的報道，而對于我國一衣帶水的鄰邦、曾經的半導體制造大國日本的關注相對較少。
針對這一個問題，本文旨在介紹日本近年來AI芯片產業發展現狀與動向的基礎上，針對我國相關產業發展過程中也可能存在的共性問題，提出適當的建議。
日本的人工智能與半導體行業
根據日本研究機構DataArtist的統計數據，日本的AI關聯企業數量大約在200至300家，相對于美國包括谷歌、IBM、微軟等科技巨頭在內上千家AI關聯企業的規模，日本的AI關聯企業無疑顯得勢單力薄。此外，DataArtist的統計數據還顯示，2011至2015年間，中國發表的AI關聯論文已達41000篇，美國達到了25500篇，而日本只有11700篇。30年前，日本的半導體產品占世界總產量的45%，是當時世界最大的半導體生產國。截止到1990年，全球前10大半導體廠商中，日本就占了6席，風頭一時無二。然而，如今日本的半導體產業市場份額只有10%，仿佛與經濟一樣陷入了“失去的三十年”。以至于日本媒體一直感慨美國和中國已經在引領世界AI的風潮。
日本的半導體制造業，特別是與人工智能相關的AI芯片制造業現狀究竟如何?是否真的那么不堪?事實并非如此。下面，本文將從學術層面、產業層面，以及資本和政策層面介紹和分析日本AI芯片產業的現狀。
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學術層面
日本學界充分認識到半導體人才培養的重要性，1996年就在東京大學建立了大規模集成系統教育研究中心(VDEC)，培養的許多人才以及研究成果已經為日本的半導體產業發展做出了巨大的貢獻。此外，東京大學杉山研究所在機器學習方面、河野研究室在硅神經網絡方面、以及京都大學的小野研究室在LSI系統等方面的研究都取得了許多重要成果。日本東北大學的國際集成電路研究開發中心(CIES)則從材料制備的角度入手，專注于如何利用磁性隧道結(MTJ)的優良特性來構建AI芯片的電路。
在專注前沿領域研究的同時，日本學界還非常注重相關知識的科普教育。日本電子機械協會(EIAJ)大規模集成電路開發支援中心(VSAC)、半導體理工學研究中心(STARC)等相關學會都會不定期地舉辦一些公益性質的講座，為公眾普及相關知識。
此外，日本大學在人工智能的國際交流方面也很活躍。2017年，中國賽為智能與大阪大學簽署合作協議，深耕智能護理領域，共同開發可用于人體醫學信號監測的護理床墊原型機。
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產業層面
日本的制造業素來奉行造物的工匠精神。這一點，在AI芯片的研發導向上也可見一斑。主要表現在以下兩點：
(1)以2014年東芝剝離NAND Flash業務為標志，日本企業徹底退出了消費級半導體市場第一陣營。但是，日本在半導體材料和制造設備上的市場份額卻一直保持著很高的比例。據國際半導體產業協會(SEMI)推測，日本的半導體材料行業在全球占有絕對優勢，在硅晶圓、光刻膠、鍵合引線、模壓樹脂及引線框架等重要材料方面占有很高份額，總份額達到約52%。而在半導體設備領域，全球規模以上晶圓制造設備商共計58家，其中，日本企業多達21家。因此，在半導體市場上，日本雖然失去了商品市場，但是沒有失去制造能力。這樣的技術儲備，完全足以支撐日本廠商在必要的時候重新占領市場。
(2) 在AI芯片的應用定位上，相比主流的云計算AI芯片，日本制造業更側重于研發面向邊緣計算的終端AI芯片，例如，面向物聯網應用的傳感器芯片和自動駕駛輔助系統(ADAS)的芯片。在當前階段，研發這些AI芯片的目的，都是為了增強日本傳統制造業產品的競爭力。
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近年來，日本的資本界低調地進行了幾次實際上足以改變整個人工智能產業格局的收購。由于認識到日本在AI芯片設計上的短板，日本軟銀于2016年用310億美元收購了英國老牌芯片公司ARM，2017年又從谷歌接手了著名的波士頓動力系統公司。市場研究顧問公司Compass Intelligence發布的最新研究結果顯示，在全球AI芯片企業排名中，ARM公司排在第7位。而同一排名中，中國排名最高的華為海思也僅排在第12位。今年8月份，三菱旗下的子公司花費了上百億日元收購了一家德國專門生產半導體清潔設備的公司。這些資本市場的運作，有利地支撐了日本半導體行業的發展。
日經新聞報道稱，由于擔心日本的人工智能研究落后于人，日本政府也成立了專門的基金用以支持國內AI芯片的研發，同時也加大了對高校和科研機構在AI芯片研究經費上的支持力度。半官方背景的日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)今年提出了一個旨在全面整合日本AI芯片“產學研”資源的政策建議。其中特別強調了基于舉國體制從人才培養、技術儲備、設備制造、商業環境等全方位爭取AI芯片產業制高點的戰略意義。
這些舉措表明，日本并沒有放棄在半導體，特別是AI芯片領域的競爭。相反，日本不僅一直牢牢把握著AI芯片制造的核心技術，而且正在舉全國之力試圖重新奪回半導體行業的霸主地位，并在新一輪以人工智能為標志的產業升級競爭中取得優勢。
近年來，日本的AI芯片制造業也推出了許多新品。富士通推出了面向深度學習的AI芯片DLU(Deep Learning Unit)，并建造了超級計算機“京”。東芝專門針對深度學習中的張量計算問題，提出用于開發AI芯片的半導體電路技術TDNN(Time Domain Neural Network)，使得AI芯片的電力消耗下降了一半。2017年，日本電裝推出了半導體芯片DFP(Data Flow Processor)，適用于自動駕駛中的認知、判斷、操作等需求。瑞薩推出了一款基于其e-AI(embedded-Artificial Intelligence)構想、適用于自動駕駛深度學習的通用芯片DRP(Dynamically Reconfigurable Processor)。傳統的電子技術巨頭NEC則與東京大學緊密合作，致力于研發下一代類腦計算AI芯片。
一系列跡象表明，日本的AI芯片產業在未來幾年很可能會迎來一個集中的爆發期。
“加快AI芯片開發的創新推進項目”基本計劃
要實現“只在有需要時，將需要的物品和服務提供給有需要的人，只提供需要的數量，細致滿足社會的各種需求，所有人都得到高品質的服務，克服年齡、性別、地區、語言等各種差異，可以輕松舒適地生活”的超智能社會5.0(Society 5.0)，必須將第四次工業革命技術以及用其創造的產品和服務陸續應用于社會。日本政府圍繞上述問題出臺了一系列的相關政策。其中，日本新能源?產業技術綜合開發機構(NEDO)物聯網推進部、創新推進部于2018年4月發布“加快AI芯片開發的創新推進項目”基本計劃。
邊緣計算技術在網絡終端設備(邊緣側)進行中央信息處理，其重要性和價值日益增加。雖然日本的創業企業具有AI的先進技術，但為了開發出具有競爭力的AI芯片，不僅需要AI和芯片的設計、軟硬件的知識和技術，而且需要具有昂貴的設計工具和設計驗證設備。
目前有以東京大學為中心運營的LSI開發支持基地VDEC，但學術許可受到主體學術用途的制約。因此，需要建立新的通用基礎，加快創新型企業的創新理念的研發和商業化。該項目計劃旨在推動通用基礎技術的開發，使大學和研究機構開發出先進的AI芯片，并且將其知識和AI芯片設計、評估、驗證等的開發環境提供給民營企業。
民營企業的目標是通過支持面向AI芯片相關理念實用化的研發，在為加快AI芯片開發而建立的設計驗證中心進行開發，無縫開展AI芯片開發方案的設計、驗證，從而推進加快創新性理念實現的研發，再次在世界上提升知名度。
成果目標是：2032年，面向邊緣的AI芯片在世界上獲得約750億日元的市場額。
產出目標是：2023年之后逐步將技術實用化率提高到50%以上。
發展建議
基于以上分析，給出以下建議：
1、從國家層面上做好頂層設計，制定AI芯片制造計劃，注重芯片的量產能力，發展規模化芯片制造工藝，構建技術發展路線圖和完備的芯片制造體系，攻堅克難，重點扶持具有廣闊市場前景的應用轉化項目。
2、建立AI芯片產業界和學術界雙向流通的合理機制。半導體產業具有知識密度要求高、成果回報期長、動手實踐能力要求高的特點。一方面，現行的高校考核體制不利于研究者投入精力去做相關的研究;另一方面，高校研究者一旦全身心投入產業界就很難再回歸，人才流動表現出單向流動的特點。實現產業界和學術界人才的自由流動，也是提升產學研結合效果的關鍵因素。因此，創新AI芯片產業的人才流通機制顯得尤為重要。
3、側重于培養企業的自我造血功能，而不是一味地強調做大做強企業。半導體產業投入成本高、回報周期長，因此美國和日本等半導體制造強國實際上對AI芯片產業發展都有國家政策的支持。我國的芯片制造產業基礎薄弱，更應該在政策上給予足夠的扶持。但是，最終還是應該以培養企業自身的盈利能力為目的，避免出現一旦補貼和扶持政策撤銷，企業就無法生存的窘境。
4、加強投資引導，杜絕投資亂象。近來，國內大量風險資本流向人工智能領域，許多廠商紛紛推出自己的AI芯片。在宣傳語中，“全球領先”、“中國首款”等字樣屢見不鮮，又進一步刺激了資本進入該領域。監管部門應積極地對資本展開正向引導，將資金運用在最需要的地方，避免重復浪費和無效率的資金運用。
5、培育良性競爭的市場環境。在適當扶持和保護民族產業的同時，適當保持來自外部的競爭，讓企業在適當、充分的良性競爭環境下成長壯大，同時與國外的芯片廠商產生良好地互動和交流。
