一文读懂中国矿机芯片厂商激荡十年

  • Post author:
  • Post category:未分类

摘要:公元 850 元,由佛教高僧悟真率领的一支使团,从敦煌出发,历经两年,终于到达了唐帝国的首都长安。在大明宫紫宸殿上,悟真向唐宣宗李忱带来了远在千里之外的捷报—沙州光复。自安史之乱开始后,唐廷边防空虚,吐蕃趁机占领了河西之地。当 848 年张议潮起义收复沙州(今敦煌)时,唐王朝失去这块土地已近百年。

公元 850 元,由佛教高僧悟真率领的一支使团,从敦煌出发,历经两年,终于到达了唐帝国的首都长安。在大明宫紫宸殿上,悟真向唐宣宗李忱带来了远在千里之外的捷报—沙州光复。自安史之乱开始后,唐廷边防空虚,吐蕃趁机占领了河西之地。当 848 年张议潮起义收复沙州(今敦煌)时,唐王朝失去这块土地已近百年。

从巅峰跌落的唐王朝此时已无力发兵支援张议潮的归义军,只能遥坐长安给予表彰和封赏。然而在张议潮的带领下,归义军又先后收复了瓜、伊、凉等十余州,得地四千余里,户口百万之家,将吐蕃势力全部逐出河西走廊,重现大唐威仪。为了纪念张议潮收复河西的历史功绩,当地民众在莫高窟开凿大窟(现今 156 窟),绘制了著名的《张议潮统军出行图》。

然而,对于这样一位丰功伟绩的英雄,却因远离中原,在正史中被遗忘。无论新旧唐书,亦或新旧五代史,对张议潮的记载仅寥寥数笔。如今关于张议潮和归义军的详细史料,更多的是来自于敦煌的遗书和碑文,让人扼腕叹息。

时间回到现代,在全球贸易争端的大背景下,半导体成为国人关注的焦点,无论是规模几千亿的国家大基金,还是近半年来新增的 2 万余家芯片初创企业,都显示着芯片行业已经成为人们眼中的香饽饽。

然而,正如人们只记住了海纳百川,物华天宝的盛唐,却遗忘了重震山河,复地千里的归义军。在目前国内炙手可热的芯片行业中也有一支被人遗忘的孤军,这支孤军就是以比特大陆、嘉楠耘智为代表的矿机芯片厂商,创造了量产全球首款 7nm 芯片的记录,垄断了全球近 90% 的矿机芯片市场份额,作为台积电的前十大客户,订单量一度超过华为海思;但也正是这支孤军,长期被排除在国内芯片行业的各大排名榜单之外,不为众人所知,也没有政策的帮扶。

或许很多人都会对涉及加密货币的矿机芯片嗤之以鼻,但相比近三十年来国家耗费巨资扶持但仍孱弱的半导体产业,国内矿机芯片厂商用了不到十年的时间就打败了国外诸多厂商,垄断了全球市场份额,还有什么底气嘲讽这支孤军呢?

中国的矿机芯片的成功,绝不是一些人口中的矿机芯片开发难度低,不然为何外国矿机厂商都被淘汰?这也绝非偶然,因为除了比特大陆和嘉楠耘智外,还有比特微,武汉芯动等众多中国厂商。在矿机芯片这个领域,我们不仅能看到像比尔·盖茨退学创办微软这样的传奇故事,也会看到过去激荡十年的大时代浪潮。

理想时代

2008 年 11 月,在全球金融危机爆发一个多月后,中本聪在麻省理工的邮件讨论组中发表了一篇著名的论文—《比特币:一种点对点电子现金系统》;随后又在 2009 年 1 月于芬兰的一个小型服务器上挖出了比特币的创世区块,宣告了比特币的正式诞生。

时间来到 2011 年,还在北航上学的张楠赓第一次接触到了比特币。彼时的比特币还是 GPU 挖矿时代—在比特币世界中,拥有算力越高的矿工,其挖到的比特币数量也越多。为此,电路设计专业背景的张楠赓设计了全球第一款 FPGA 矿机。随后,张楠赓以「ngzhang」的 ID 在比特币论坛 bitcointalk 中推广其 FPGA 矿机,并开始在行业内小有名气。

然而,FPGA 矿机也逐渐不能满足市场的需求,人们开始把目光转向专用集成电路(ASIC)领域。为此,2012 年 6 月美国的蝴蝶实验室打响了研发比特币 ASIC 矿机的第一枪,如果蝴蝶实验室的 ASIC 矿机研制成功,那么比特币网络的大部分算力都将掌握在他们手中,拥有了发动 51% 攻击的能力,届时比特币将不再安全。

为了打破蝴蝶实验室的垄断,自称「为了捍卫比特币世界和平」的张楠赓也开始着手研发矿机。然而,此时的张楠赓正在攻读博士学位,学业任务繁重的他无法专注于 ASIC 矿机的研发。为此,张楠赓做出了一个大胆的决定—直接退学创业。

当时蝴蝶实验室研发 ASIC 矿机的消息也传到了中国另一个天才少年—蒋信予那里。人称「烤猫」的蒋信予,当年以全国第 11 名的成绩考入中科大少年班,随后在 2011 年前往耶鲁大学深造。在耶鲁大学,蒋信予第一次接触到了比特币,并迅速对其产生兴趣。随后也从耶鲁休学,并在 2012 年 7 月于深圳注册成立了自己的公司 Bitfountain ,专注比特币 ASIC 矿机的研发。

2013 年上半年,蒋信予和张楠赓的矿机先后研发成功,并进行了首批矿机交付。此时蝴蝶实验室却还在悠哉游哉,芯片设计问题迟迟无法解决,发货日期遥遥无期。2013 年 9 月,阿瓦隆矿机芯片实现量产并大规模发货,很快有 80 万个芯片投放市场;蒋信予的烤猫矿机此时也占据了比特币全网 20% 的算力,成为矿机芯片领域最大的赢家。至此,ASIC 挖矿时代正式来临,国内的矿机芯片企业在该领域占得先机。

多年过去,回顾这段往事,很多人都会觉得不可思议—芯片一直是我国的薄弱产业。但为什么中国的矿机芯片厂商在早期就能如此成功? 除了张楠赓的「破釜沉舟」和蒋信予的「聪慧过人」这些「人和」因素外,更多的在于两个原因:矿机芯片市场的特殊性和中国的工程师人口红利。

(1)矿机芯片市场的特殊性

在芯片设计领域,市场一直存在一个误区:国内芯片设计的瓶颈在于技术落后,并以华为事件为例,指出目前我国在 EDA 软件和底层架构方面受制于人。然而在 2018 年以前,我国的芯片设计公司在 EDA 软件的使用和底层架构的授权上并没有受多大影响,但发展壮大起来的芯片设计公司仍是少数。

事实上,我国芯片设计领域的发展瓶颈,不仅仅在于技术壁垒领域,更重要的是缺乏市场支持。我国大多数芯片设计公司的尴尬在于:设计出的芯片没有客户愿意使用,而芯片的问题又必须在实际中不断运用才能发现并解决。

以华为海思为例,2012 年开始华为手机开始搭载海思设计的芯片。然而当时海思的 K3V2 芯片性能极差,造成华为推出的 Ascend D 系列手机一经面世就被消费者诟病:发热严重,加载缓慢。即便这样,华为依然选择坚持使用海思芯片,并不断进行优化。到了 2018 年,海思的麒麟 980 芯片性能已经达到全球顶尖。如果没有华为手机对本公司芯片的无条件支持,也就没有今天的华为海思。

相较于华为海思的厚积薄发,矿机芯片厂商则更幸运一些,这主要取决于矿机芯片市场的特殊性:首先,当时的大部分矿机设备都是 GPU,而 ASIC 领域还是一片市场空白,属于市场的新需求新产品;而诸如英伟达、高通这类大公司并不屑于进入该领域,这就让新进入者避开了与行业巨头的竞争,有做大做强的机会。

其次,矿机芯片有很强的金融属性。普通芯片主要用于各类生产生活活动,而矿机芯片则可以通过挖矿产生现金流收入。在算力方面,ASIC 比同时代的 GPU 高出几百倍。更高的算力即意味着更高的挖矿收入:当时一台定价 8000 元的阿瓦隆矿机,每天能够通过挖矿获得近 7 万元的收入。

就普通芯片而言,用户更在乎的是芯片的性能问题;但对于早期的矿机芯片而言,用户只要能买到一台矿机即意味着可观的利润,而矿机芯片本身的性能问题当时看来就不那么重要。所以 ASIC 矿机一经推出,就立刻受到市场的热捧,而在矿机厂商在出售矿机的同时又能不断对矿机芯片进行优化,由此形成一种正向循环。

(2)中国工程师人口红利

中国矿机芯片厂商的成功,很大一部分归功于中国的工程师人口红利。ASIC 矿机芯片,本质上是 SHA265 算法的硬件实现,设计难度并不大。尤其是在早期从 0-1 的阶段,并不需要集成电路领域的顶尖人才参与。而在过去二十年间,我国高等院校培育了大批理工科背景的人才,形成了工程师群体的人口红利。根据官方统计,我国理工科硕士毕业生数,从 2000 年的 2 万人 / 年上升到 2018 年的 20 万人 / 年,年复合增长率近 25%。

过去十年来规模庞大的工程师群体,也许不是行业内最顶尖的,但在劳动力成本和效率上却具有明显优势。这在早期与美国蝴蝶实验室的竞争中就得到了充分的体现。ASIC 矿机方案提出之初,国内的阿瓦隆矿机采用 110 nm 工艺技术,烤猫矿机用的是 130 nm 工艺技术,而美国的蝴蝶实验室一开始就采用 65nm 工艺技术。正如当时亲历者回忆的那样:相较于国内开发人员顶着高烧,夜以继日研发矿机;美国的发开人员则都是热爱生活的人,不会把精力都放在矿机研发的工作上。蝴蝶公司从 2012 年 6 月开放预订,但直到一年后也没有交货,而此时国内的矿机厂商已经开始大规模发货。

产业时代

2013 年的矿机芯片市场是属于张楠赓和蒋信予的「双子星」时代,国内矿机芯片厂商依靠工程师红利在起跑线上获得了领先,但这种优势并不牢固,因为起步阶段的矿机芯片设计难度并不大,进入门槛很低。由于早期矿机市场的超高利润,国内涌现出许多新的矿机厂商,俄罗斯瑞典日本等一众国外厂商都在虎视眈眈。在激烈的市场竞争中,国内厂商是如何赢得最后胜利的呢?这就不得不谈一家著名的公司—比特大陆。

相比声名显赫的比特大陆,其创始人吴忌寒的经历也非常传奇。北大经济学毕业的吴忌寒早年在金融行业工作,从 2011 年就开始关注比特币,并为此做了大量的工作:成为 Bitcointalk 中文社区的版主,第一次将中本聪比特币论文翻译成中文,与科幻作家长铗成立了国内第一家比特币资讯交流平台—巴比特。2013 年 4 月,看准时机的吴忌寒从金融行业辞职,并与有事集成电路设计背景的詹克团一起成立了比特大陆。

在詹克团的带领下,比特大陆迅速研发出 55 nm 矿机芯片,并在 2013 年 11 月推出了蚂蚁 S1 矿机。凭借其优异的性能,比特大陆很快占据了一部分市场份额。然而好景不长,2013 年 12 月,加密货币市场开始进入寒冬,比特币价格从 1,100 美元的巅峰,一路下滑到 200 美元的最低点。

在 2014 年的漫长寒冬中,矿机市场也大受影响,一大批矿机厂商纷纷倒闭。「天才少年」蒋信予也同样没有熬过这个冬天—2014 年初蒋信予推出了第三代芯片 BE300,但却出现了严重的质量问题,导致芯片滞销,亏损严重的蒋信予随后从人们的视野中消失。

出乎意料的是,比特大陆却在寒冬中开始崛起:2014 年 4 月蚂蚁 S2 矿机开始出售;7 月推出蚂蚁 S3 矿机;12 月蚂蚁 S5 矿机量产;到了第二年的 11 月,蚂蚁 S7 矿机研发成功 … 在比特大陆的凌厉攻势下,2015 年下半年市场逐步回暖时,人们惊奇地发现矿机市场上几乎只剩下比特大陆的蚂蚁矿机。2015 年,比特大陆全年净利润达 3.34 亿元,成了当之无愧的行业巨头。

比特大陆为何可以取得如此大的成功?很多人认为矿机芯片的设计难度低,一开始确实这样,但随着矿机市场的逐步成熟,芯片设计也开始呈现出专业化和产业化的趋势。矿机芯片的特殊之处在于,其主要用来并行运算,因此算力并不那么重要,关键在于芯片的功耗—对于算力相同的两款矿机,谁的功耗小,那么谁的电费成本更低,进而在市场上更有优势。

为此,比特大陆的开发人员经过一系列探索,发现了一种适合动态逻辑面积大管子多的标准单元,而这种标准单元的特别之处在于其触发器是动态的。相比静态逻辑的触发器,动态逻辑触发器的优势在于其面积和功耗都是前者的一半。

同样地,在这一时期,清华博士毕业的杨作兴也开始以兼职形式加入比特大陆,并带来了全定制方法学。众所周知,目前的芯片设计依赖 EDA (电子设计自动化)工具,而全定制方法学则打破了该模式。全定制方法学在 RTL 设计的晶圆厂单元库、逻辑综合和布局三个设计环节采用定制化、人工化设计,每个细节设计都力求精雕细刻。尽管这样效率低下,但对芯片的各方面都进行了定制化设计,使得芯片的功耗×面积优化比例大幅提高。

在动态逻辑方案和全定制方法学下,比特大陆于 2015 年完成了蚂蚁矿机 S7 系列(28 nm)和 S9 系列(16 nm)的研发。这两款机型在性能上远远优于其他厂商,其产品成本仅仅只有对手的一半。

芯片设计行业的特点在其特殊的市场结构。对于一般行业而言,低端产品占据大部分市场份额,但高端产品的市场份额较低。而芯片市场的特殊之处在于,往往会出现「赢者通吃」的局面。

凭借蚂蚁 S7 与 S9 的销量的成功,比特大陆一跃成为矿机芯片市场的巨头,占据市场 80% 以上的份额。在比特大陆的强大技术优势下,国外的矿机芯片厂商纷纷出局:2014 年和 2015 年高调的 KNC、bitfury、Spondoolies-Tech、21 Inc. 都很快宣布破产或者退出矿机芯片市场。而随着比特大陆的员工流动,动态触发器和全定制方法学也逐渐传播到国内其他芯片厂商手中,但相关技术仍然保留在国内。2017 年日本的 GMO 公司想要进入矿机芯片市场,但其落伍的技术设计,根本无法与国内的厂商抗衡,很快就因亏损而退出市场。

至此,矿机芯片市场成了中国厂商的天下。数据显示,在 2017 年,中国的三大矿机厂商比特大陆,嘉楠耘智和亿邦国际,垄断了全球近 90% 的市场份额,剩下的也被诸如武汉芯动,比特微等其他中国厂商瓜分。

资本时代

2017 年比特币迎来牛市,全年涨幅高到 1700%,巨额的投资收益吸引了全世界的目光。一时间比特币和区块链成为市场上最热门的话题,众多区块链公司如雨后春笋般诞生,A 股市场则兴起了「区块链概念股」,创投圈也开始兴起了「All in Blockchain」,而作为行业中最赚钱的矿机厂商也成了炙手可热的公司。

在市场最疯狂的 2017 年 12 月,比特大陆的销售们受到了众星捧月般的对待,客户们纷纷给销售送礼,请客吃饭,就为了得到蚂蚁矿机的订单,而此时比特大陆的订单已经排到了第二年的春天。根据弗若斯特沙利文的数据显示,在 2016 年 ASIC 矿机的市场规模仅仅 7 亿美元,而到了 2017 年其市场规模就达到了 30 亿美元;在当年的矿机交付量中,比特大陆出售了 94 万台矿机,嘉楠耘智 29 万台,亿邦国际 5 万台,占据了全球市场 88% 的份额。在此情况下,矿机公司纷纷开始酝酿上市。

2018 年 9 月 26 日,比特大陆正式向港交所递交招股说明书,加上嘉楠耘智和亿邦国际分别与 2018 年早前先后赴港递交上市申请书,一时间矿机芯片公司占据了资本市场的头条,而外界也终于可以一窥这些神秘矿机厂商的业务营收情况。当然,其结果大出人们意料,其经营绩效情况居然优于同行业大多数的 A 股上市公司。

在营业收入方面,2017 年比特大陆的营收达到 164.52 亿元,而同时期的 A 股半导体行业上市公司,营业收入最高的是天合光能 261.58 亿元。因此从营收排名上看,比特大陆将在所有 A 股半导体上市公司中排名第四,低于第二名长电科技的 238.5 亿元,第三名纳思达的 213 亿元,但高于隆基股份的 163.6 亿元。

从净利润上看,嘉楠耘智与比特大陆连续三年都保持 1 倍以上的净利润增长率。在 2017 年,比特大陆的净利润高达 45.83 亿元,嘉楠耘智为 3.61 亿元,亿邦国际为 3.85 亿元。如果和上市公司一起按净利润排名,那么 2017 年比特大陆的净利润可以傲视整个半导体行业—2017 年 A 股半导体上市公司中净利润最高的是隆基股份,但其净利润也只有 35.49 亿元,较比特大陆少了近 10 亿元的净利润。

然而,由于区块链业务过于超前,港交所对矿机厂商的持续经营能力存疑,最终拒绝了三大矿机厂商的上市申请。区块链企业的首次上市尝试就此黯然退场。随后三大矿机巨头纷纷把目光转向美国证券市场:2019 年 11 月 21 日,嘉楠耘智成功登陆美国纳斯达克,成为全球首家区块链上市公司;2020 年 6 月,亿邦国际成功在美上市;据相关报道,比特大陆也在准备赴美上市。

杭州市为庆祝嘉楠耘智上市成为「全球区块链第一股」而举办的灯光秀

矿机厂商们跌宕起伏的发展历程,并未随着赴美上市就划上终点,在不远的未来,他们还会继续抒写属于自己的辉煌。也许很多人对此会不屑,认为矿机芯片除了用于加密数字货币的挖矿外毫无价值。这种目前市场上颇为流行的错误观点,然而很多人都没有意识到,矿机芯片对半导体行业的价值和意义,不亚于如今规模达几千亿的国家集成电路基金,至少体现在以下三个方面:

发表评论