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深度分析国产CPU替代:“造不如买”时代即将终结

2019-11-12 闫磊 陈苏 阅读:
深度分析国产CPU替代:“造不如买”时代即将终结
CPU(中央处理器)是计算机系统的核心和大脑,也是国家大宗战略物资,系统复杂研发难度高。我国 CPU 研发起步较早,但发展较为坎坷,步入正轨是在“十二五”之后。在国家集成电路产业政策和大基金投资等多重措施支持下,一大批国产 CPU 设计单位成长起来,产品覆盖了高性能计算、桌面、移动和嵌入式等主要应用场景。但是,国内设计企业在 CPU 指令集架构上主要还是依靠国际授权和技术合作。

CPU(中央处理器)是计算机系统的核心和大脑,也是国家大宗战略物资,系统复杂研发难度高。我国 CPU 研发起步较早,但发展较为坎坷,步入正轨是在“十二五”之后。在国家集成电路产业政策和大基金投资等多重措施支持下,一大批国产 CPU 设计单位成长起来,产品覆盖了高性能计算、桌面、移动和嵌入式等主要应用场景。但是,国内设计企业在 CPU 指令集架构上主要还是依靠国际授权和技术合作。主要厂商如飞腾、龙芯、申威、兆芯及海思等 企业在各自领域设计出 了 自主可控程度较高的 CPU ,产品本身正在实现从“可用”到“好用”的转变,在党政军和重点行业市场得到应用推广,生态建设也取得较大进展。mPGednc

本文整理自平安证券的研究报告《国产 CPU 正从可用向好用转变,自主可控前景可期》,重点梳理国产 CPU 发展现状、未来机遇。mPGednc

一、 国产 CPU 发展现状

1、国产CPU研发起步较早但发展历经坎坷,“十二五”开始逐步踏上正轨

CPU 是计算机的大脑和心脏,是国家大宗战略产品,也是一个巨复杂系统。计算机主要由三部分构成:CPU、内存、外部设备(存储、显示器、输入输出等)。CPU 负责指挥外部设备和内存进行协同的工作,处在指挥和控制地位,是核心之所在。CPU 也是国家大宗战略产品,尤其是进入信息化、智能化时代,它就和工业化阶段中的钢铁一样,是整个产业的基础,应用面广,支撑作用强,是国家战略安全、产业安全的重要保障。CPU 还是一个巨复杂系统,它同其他芯片器件不同,它需要全能,不但强调逻辑控制,还需要有强劲的计算速度,技术实现难度非常之高,全球能够独立研发高性能 CPU 的国家少之又少。mPGednc

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计算机结构简图mPGednc

我国处理器研发起步相对较早,但发展历程比较坎坷。上世纪六十年代,基于超大规模集成电路的微处理器还未出现,计算机系统就是一个大型的中央处理器,体积大,计算速度慢。当时,我国使用的计算机系统都是自主设计,且同国际水平差距不大,标志性产品包括晶体管 109 机(1965 年 6月研制)、小规模集成电路 106 机(1968 年研制)等。上世纪 70 年代以后,美国大规模集成电路尤其是超大规模集成电路快速发展起来,以英特尔 4004 为标志,美国真正意义上的微处理器面世,CPU 正式进入商用时代,此后按照摩尔定律持续快速演进,英特尔此后也一直统治着全球桌面和高性能计算市场。mPGednc

相反我国受限于国内经济条件、国际技术封锁等原因,期间虽然研制出了基于大规模集成电路的第三代计算机系统——专用 77 型微机,但丧失了第四代计算机系统(基于超大规模集成电路)的研究能力。从“七五”开始,一直到“九五”,国家对国产 CPU 的支持力度明显下降,主要科研支持计划都未将其列入。直接的后果是,上世纪 90 年代中期,国内大量处理器研究单位关闭,人员大批流失,大学也很少设置硬件专业,计算机公司变成组装厂,CPU 设计能力基本丧失。mPGednc

但是,随着国内信息化的加速以及电子信息制造业的快速发展,“缺芯”的问题又再次受到国家重视。“十五”期间要不要、能不能开发国产 CPU 的争论开始爆发,此后科技部将信息产业部启动了发展国产 CPU 的“泰山计划”。虽然该计划未能实现既定目标,但为国产 CPU 的发展点燃了“星星之火”,这些火种演变成了现在国产 CPU 设计的三支国家队——飞腾、申威和龙芯。mPGednc

除了“泰山计划”外,科技部也在通过“863 计划”对国产 CPU 进行支持。从“十一五”开始,国家通过核高基重大科技专项对国产 CPU 重点企业进行了扶持。“十二五”以来,国家通过集成电路产业优惠政策、产业基金等措施扶持国产 CPU 产业,国内培育出了一批国产 CPU 设计单位和研究机构,发展走向正轨。其中,传统的设计机构如龙芯、飞腾、申威、海思、紫光展锐等竞争力正在提升,君正、兆芯、海光等新秀也在快速成长,科研机构包括中科院计算所、北大众志、国防科大、江南计算所、北京大学、浙江大学等都在积极参与,形成了百花齐放的局面。mPGednc

2、 部分国产 CPU 厂商具备完全自主发展能力,但多数仍依托国际合作

CPU 发展到今天,其内部架构和逻辑关系已经变得错综复杂,设计企业如果从头开始进入,成功难度很大。国内有部分完全自主架构,如北大众志完全自主开发的指令集产品 UniCore,苏州国芯、杭州中天、浙江大学共同设计的国产嵌入式 CPU——C-Core 等。但是我们也看到,虽然这些产品在指令集架构上,实现了完全的自主,安全性最高,但是缺点也十分明显,包括缺乏操作系统等基础软硬件支持、开发工具少(编译器、调试器等)、应用程序开发困难、移植难度大等,所以一直以来在产业化上受到较大制约。目前,活跃在市场上的国产 CPU 绝大多数都是采用同国外合作的方式,主要途径包括购买指令集授权、技术合作等。mPGednc

提到指令集架构,则要从计算机的发展史开始说起。早期的计算机系统,软件的编写都是直接面向硬件系统的,即使是同一厂商的不同计算机产品,他们的软件和硬件都是不能通用的,软件和硬件紧紧耦合在一起,不可分离。后来,IBM 为了使自己的一系列计算机能够使用相同的软件,免去重复编写的痛苦,于是在它的计算机系统中引入指令集架构(ISA,Instruction Set Architecture)的概念,将软件编程所需要的硬件信息抽象出来,形成一个抽象的机器架构,编程人员在这个抽象机器上进行编程,进而实现了与硬件的解耦。至此,处理器则从原来与系统不能分离,演变成为指令集架构、微结构、底层的物理实现三层结构,并一直延续到现在。指令集架构中,最为基础的就是指令集,它是用来引导 CPU 进行加减运算和控制计算机操作系统的一系列指令集合。mPGednc

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处理器结构演变过程mPGednc

目前,全球 CPU 指令集架构有两类——复杂指令集(X86)和精简指令集(以 ARM、MIPS、POWER等为代表)。其中,复杂指令集(CISC)通过增加可实现复杂功能的指令和多种灵活的编址方式,来提高程序的运行速度。但直接后果就是需要对不等长的指令进行分割处理,造成一些不必要的等待,效率较低,对硬件集成度、工艺、功耗均非常高。mPGednc

相反,精简指令集(RISC)采用的等长的指令,可以将一条指令分割成若干个进程或者线程,交给不同的处理器并行处理,效率高,硬件集成度要求不高,工艺简单而且成本低。英特尔在早期研发 CPU 时,精简指令集还未出现,而在精简指令集出现之后,英特尔也看到了精简指令集存在的明显优势,但为了实现后向兼容,也不得不一条路走到黑,继续推动 X86 复杂指令集的发展。mPGednc

这两类架构竞争十分激烈。上世纪 90 年代,复杂指令集和精简指令集阵营展开了激烈厮杀。复杂指令集一方,英特尔凭借着与微软的事实上的结盟(Wintel 体系),同时也在新的微内核中融合了一些精简指令集的技术优势,在中低档服务器、PC、笔记本等主流领域占据了绝大多数份额;精简指令集一方,虽然指令集本身有优势,但是群龙无首且各自为战,最终被 Wintel 体系打败,且挤压到嵌入式市场,后来在智能手机兴起之后才觅得新的市场空间。尤其是 ARM,通过与 Android 的合作,在智能手机处理器市场占据了绝大多数份额。在 ARM 的 64 位产品(ARM V8)推出之后,其市场也不再局限于嵌入式和移动领域,高性能计算、服务器和桌面也都成为其重要方向。mPGednc

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复杂指令集和精简指令集架构在国内均有授权或者技术合作。X86 授权的有兆芯、海光,兆芯是通过威盛获得的 X86 授权,海光则是中科曙光和 AMD 合作的产物。精简指令集授权的有龙芯(MIPS)、飞腾(兼容 ARM V8 架构)、申威(Alpha)、海思(ARM)等。可以看到,ARM 架构在国内市场上的影响力较大。mPGednc

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目前,CPU 授权主流的方式有三种:架构授权、软核授权和硬核授权,对于使用授权的企业来说,CPU 的完成度依次上升,设计难度依次下降,但自主程度也在降低。mPGednc

  1. 架构授权。该级别授权允许被授权方研发芯片,兼容授权方发展出来的指令集架构,主要好处在于可以分享授权方建立起来的软件生态红利。但由于架构只是处理器的抽象描述、设计理念,类似于大楼的渲染图,对被授权方的研发能力要求非常高,设计中出现任何错误,都将造成投资失败。目前国内购买架构授权的企业均是芯片研发能力领先的企业。如天津飞腾、龙芯和申威等,被授权方拿到的都是标准文档(包含指令的定义,通用寄存器的数量等),而大量的寄存器传输级模型和布线都需要设计,对自主设计要求非常高,也正是因为如此,上述企业也被认为是当前自主可控程度最高的设计厂商。
  2. 软核授权。软核通常是用 HDL 文本形式提交给用户,它经过 RTL 级设计优化和功能验证,但其中不含有任何具体的物理信息。据此,用户可以综合出正确的门电路级设计网表,并可以进行后续的结构设计,具有很大的灵活性,借助于 EDA 综合工具可以很容易地与其他外部逻辑电路合成一体,根据各种不同半导体工艺,设计成具有不同性能的器件,设计难度和自由度低于架构授权。
  3. 硬核授权。硬核是基于半导体工艺的物理设计,已有固定的拓扑布局和具体工艺,并已经过工艺验证,具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件,是可以拿来就用的全套技术,用户拿到授权之后就可以生产。硬核的设计和工艺已经完成而不能更改,授权厂商对其实行全权控制,对知识产权的保护相对简单。因此,采用此类授权模式的厂商,自主可控能力最弱,但商业化成功的可能性最高。

  • 不自己造,美国不给你卖,今天制裁下你,明天坑下你,你不难受?
  • “造不如买”?“买不如租”呢?呵呵,技术应用之特色。反之,“租不如买”、“买不如造”,科学开发之理念。
  • 相关周边服务支持是个问题
  • 先做MCU再简单桌面应用的CPU再移动再服务器的自主体系结构(指令等),由简入难步步为营,每步的关键都是直接横向构建生态,其中最核心的是OS,也包含终端厂商的应用落地需要的全工具链。这样每步积累经验会扎实很多。所谓弯道超车应该指每一步的细节技术并不需要都从物理底层做,比较人类用数字电子电路做计算的总体概念已经多次试错和验证成功。超车不是不做其中关键技术部分,而是做起来快,因为有免费的经验。
  • 扶植生态向产业链链高端发展意义重大!
  • 没有必要什么东西都自己搞,在某些领域做到第一,搞出自己的特色就好。
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