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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。
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以处理器授权公司 ARM 为例,该公司的 IP 也是大体按照上述的三种模式进行授权的,但也发展出一些更为具体的授权类别。比如学术授权,是免费面向高校和科研机构的;DesignStart,是为了方便半导体企业低成本、低风险、快速了解 ARM IP 的一种授权模式;这两种模式下设计出来的芯片不能销售,只能用于内部研究。另外,它还设计出了多用途授权、单用途授权。多用途授权模式还细分为普通多用途授权和终身多用途授权,以时间为授权效力划分,均较为昂贵,相对来说比较适合大型企业。而单用途授权以用途划分授权效力范围,这种授权模式之下,需要交一笔前期授权费,此后按照每颗芯片收取约 2%的版税,这种授权相对来说比较适合创业公司,或者目标明确的特定设计项目。f2kednc

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3、 国产 CPU 生态短板逐步补齐

从拿到授权到设计出产品,需要大量的资金、人员投入,以及国家产业政策的持续支持。在 2006年启动的核高基专项,以及后续大基金持续支持下,政府和企业均在发力,无论是大 CPU(高性能计算、服务器)、还是中 CPU(桌面级)以及小 CPU(移动和嵌入式)都取得了较大进展,已有的产品通过不断的优化升级,实现了从“可用”到“好用”,一些量大面广的领域,也实现了“零”的突破。从整体上看,国产 CPU 芯片同国际差距扩大的态势逐步在逆转。f2kednc

高性能计算方面,国内天津飞腾、海光、申威等处理器产品已经在 E 级(每秒百亿亿次)超算原型机上得到应用,申威的处理器、加速器均实现了完全国产化。服务器芯片方面,飞腾、龙芯、海光、华为海思均有新品发布,其中飞腾 2000+/64 核产品性能已经与英特尔主流 E5 部分产品性能相当。海光由于采用的是 AMD 的 Zen 架构授权,该芯片除了性价比优势较为明显之外,还具备同 X86 生态的良好兼容性。华为海思在 2019 年 1 月份推出鲲鹏 920 处理器,兼容 ARM V8 架构,64 核,7nm工艺,主频达到 2.6GHz,在中档服务器 CPU 市场上具备较强的竞争力。f2kednc

桌面处理器方面,飞腾、龙芯、兆芯等均有产品推出,且近年来产品性能提升明显。飞腾传统的桌面产品是 FT1500/4A 产品,工作主频在 1.5GHz-2.0GHz 之间,最大功耗 15W,主频相当于奔腾 4的早期产品,但同主流酷睿处理器差距较大,民用市场竞争力相对较弱。2019 年 9 月,公司推出了FT2000+/4A 桌面处理器产品,工作主频为 2.6GHz-3.0GHz,16nm 工艺,主频指标已经与英特尔酷睿 i5 部分产品的性能相当,明显好于国内其他桌面产品。该芯片能耗 10W,显著低于英特尔同类产品 35W-45W 的能耗水平。此外,龙芯推出的 3A/3B3000 产品,商业级产品主频在 1.5GHz 左右,相较前一代产品,主频提升近 50%,改善明显。f2kednc

国内移动 CPU 设计能力快速成长,已经处于全球领先地位。相比传统的 PC 和服务器市场,我国移动芯片同国际差距已并不明显,华为海思和台湾联发科在移动处理器设计领域都处在全球领先地位。2019 年 9 月,华为海思发布麒麟 990 和麒麟 990 5G 产品,这两款芯片使用台积电二代的 7nm 工艺制造,整体性能较前一代产品——麒麟 980 提升 10%左右。从公开的跑分数据来看,麒麟 990 多线程跑分均高于高通最新推出的骁龙 855 和骁龙 855+,单线程高于骁龙 855,略低于骁龙 855+。f2kednc

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处理器产品除了自身技术因素外,更多依托的是生态。所谓生态,就是产业链条上的企业形成的一种紧密的分工协作关系,类似于准同盟。生态的作用在 CPU 市场上表现的十分突出。在传统 PC 市场上,英特尔和微软构成的“Wintel”体系一直牢不可破,英特尔引领着 CPU 的发展并领导着一批PC 硬件和制造企业为其适配,而微软及合作伙伴在操作系统和应用软件方面同 X86 芯片进行紧密协作。一般而言,微软新操作系统的发布之后,会拉动一波新的 PC 更换,进而带动新 CPU 的需求,循环往复,微软和英特尔等软硬件厂商都在其中受益。在移动市场上同样存在类似的生态,ARM 和Android 的组合(业内称 AA 体系或者 ARM-Android 体系)同样具备强大的影响力。ARM 占据了全球 95%的移动芯片授权市场,而 Android 在移动操作系统市场上的份额也高达 85%。而在中低档服务器市场上,基本上是 X86 的天下,ARM 正在以挑战者的角色进入。f2kednc

在典型的 CPU 生态结构中,一般需要一个或者两个核心企业,引领整个行业发展。但是在国内,各处理器设计企业在指令集选择上,山头林立,各自为战,但都没能做大,对生态的领导能力较弱。而一般的软件企业只会对一两种微结构进行编译,如果一种指令集在市场生态上处于弱势,软件企业就不愿意选择该指令集进行优化,这种指令集也很难获得市场成功。恰恰在国内市场上,处理器采用的指令集可谓是五花八门,但市场销售量都不大,每款产品出货量很低,这就给操作系统、中间件、数据库以及应用软件企业造成非常大的困扰,无所适从,操作系统、软件企业与处理器芯片适配积极性不是很高,因此很多还是在依托国家研发专项在推动,还没能形成内生的配套机制。f2kednc

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但近两年来,国内企业也在通过各种途径建设生态,已经取得了一定的效果。f2kednc

一方面,芯片和操作系统厂商联合打造的生态“雏形”已经显现。参考 Wintel 和 ARM-Android 模式,电子信息央企——中国电子开始加强对“PK 体系”的建设,目前该体系已经推进到 2.0 版本。P、K 分别是天津飞腾(Phytium)和银河麒麟(Kylin)的英文名称首字母,银河麒麟是我国重要的自主操作系统研发厂商,长期与飞腾芯片进行优化适配。除了软件适配的整合,硬件方面的领导力建设也在加强,2019 年中国电子对旗下业务进行重大调整,旗下整机厂商中国长城收购天津飞腾,整机业务全面转向 PK 体系,国产 CPU 缺乏硬件支持的短板正在补齐。同时,处理器和操作系统厂商也在加强开源社区、认证培训、支持学术研究等方式引导相关软件开发、应用推广。f2kednc

另一方面,国家也在加快推动基于国产 CPU 的整机品牌在党政军、重点行业的应用,通过应用带动生态建设。目前,相关项目推动顺利,服务器、笔记本、台式机、移动及嵌入式终端、外设企业多数都在参与国产 CPU 的适配工作,基于国产 CPU 的操作系统、通用软件及应用软件的开发推广工作都在有序进行,国产化软硬件平台体系建设逐步完善。f2kednc

从目前生态建设效果来看,链条越短的领域,生态建设的越完善。在整个计算机产业链中,高新性能计算和服务器是产业链最短的,涉及的软件应用最少,正因为如此,国内整机、外设企业分布较为密集,每家国产 CPU 设计企业周围都有大量的厂商集聚。相反,台式机和笔记本市场由于对通用、应用软件要求较高,目前的整机种类相对少一些,但是主流的整机制造厂还均有产品推出。f2kednc

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二、 国产 CPU 发展机遇及前景展望

1、国际供应链断裂和信息安全风险加剧,倒逼国内 CPU 加快自主可控步伐

我国 CPU 市场规模和潜力非常大,庞大的整机制造能力意味着巨量的 CPU 采购。据国家统计局数据统计,2018 年国内智能手机产量高达 13.69 亿台,计算机整机产量也达到 3.2 亿台。虽然近些年,计算机整机和智能手机产量增长都出现瓶颈,由于这两类产品体量庞大,CPU 的需求量大且单品价值非常高,市场规模依然非常可观。同时,服务器 CPU 伴随着整机出货的快速成长,需求量增长也较为迅速。f2kednc

IDC 数据显示,2018 年国内服务器出货量达到 330.4 万台,同比增长 26%,其中互联网、电信、金融和服务业等行业的出货量增速也均超过 20%。另外,国内在物联网、车联网、人工智能等新兴计算领域,对 CPU 也存在海量的需求。f2kednc

国内 CPU 绝大多数都是进口或者采购国外企业在华产品。移动 CPU 除了华为能够通过海思自给之外,其余都需要从国外或台资企业(如高通、联发科等)采购;桌面 CPU 则更是严重依赖 X86 架构,台式机、笔记本 CPU 主要为英特尔、AMD 占领;服务器市场则主要为英特尔垄断。2019 年前7 个月,我国芯片累计进口额为 1645.71 亿美元,继续超过原油居国内进口产品首位。其中,处理器及控制器芯片(主要为 CPU)进口额 749.71 亿美元,占到芯片进口额的 46%。f2kednc

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美国企业(英特尔、AMD、高通等)是我国 CPU 产品的主要供应商,其中直接从美国本土进口的CPU 芯片体量也比较大。2019 年前 7 个月,我国累计从美国进口处理器 64.87 亿元,占到我国从美国芯片进口额的 84%,占比非常之高。对美国处理器的过度依赖,成为我国信息产业发展的一大软肋,在当前贸易战持续的大背景下,影响已经十分明显。f2kednc

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