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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。
一、 国产CPU 发展现状
1、“十二五”开始逐步踏上正轨
▲计算机结构简图
我国处理器研发起步相对较早,但发展历程比较坎坷,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。
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。
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。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。
▲处理器结构演变过程
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)。
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, 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。
▲2018 年全球服务器CPU 市场份额
▲2019 年10 月全球X86 桌面CPU 市场份额
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。
▲复杂指令集与精简指令集对比
▲全球主要CPU 架构及授权情况
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。
1、架构授权。
2、软核授权。
3、硬核授权。
▲典型的授权结构
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。
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。
国内移动CPU 设计能力快速成长,已经处于全球领先地位。
▲飞腾 新桌面芯片与英特尔处理器对比
▲主流移动芯片GB5 跑分数据对比
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。
▲Wintel 体系生态构成
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