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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。plLednc

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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。plLednc

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。plLednc

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。plLednc

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+。plLednc

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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。plLednc

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。plLednc

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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。plLednc

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。plLednc

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。plLednc

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。plLednc

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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。plLednc

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。plLednc

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%。plLednc

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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。plLednc

  • 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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