中國“芯”，自主可控的“缺口”

作者 | 中國軟件網(wǎng) 趙滿滿

校對丨中國軟件網(wǎng) 顧習習

---

僅僅一年的時間，華為的手機銷量就從全球第一，掉到了全球第三。

從2020年開始，美國對中國企業(yè)華為從兩方面下手：一是從技術(shù)上限制華為獲得芯片，手段是要求凡是采用美國技術(shù)的企業(yè)都不得給華為生產(chǎn)芯片，造成華為無“芯”可用；另一個是不得使用谷歌的安卓操作系統(tǒng)服務。

芯片領(lǐng)域被卡脖子，在中國已經(jīng)不是第一次了。當然，無芯可用影響的不僅僅是華為的手機。

讓美國意想不到的是全球芯片短缺，讓從汽車到電子等行業(yè)都陷入混亂。即便世界幾大芯片制造企業(yè)加大馬力生產(chǎn)，依然無法改變這一狀況。

芯片領(lǐng)域，冰與火并行。連美國人都開始擔心，美國在半導體制造業(yè)方面正在落后。

作為信創(chuàng)的核心領(lǐng)域，CPU作為計算機設備的運算和控制核心，因研發(fā)門檻高、生態(tài)構(gòu)建難，被認為是芯片中的“珠穆朗瑪峰”。

在美國的Intel、AMD兩大巨頭領(lǐng)跑通用CPU市場的情況下，以飛騰、鯤鵬、海光、龍芯、兆芯、申威等為代表的廠商正全力打造“中國芯”。

架構(gòu)與授權(quán)的隱憂

目前國內(nèi)的6大CPU廠商，分別選擇了4種指令集架構(gòu)。

30多年來，國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)格局已經(jīng)基本形成，飛騰、鯤鵬、海光、龍芯、兆芯、申威處于龍頭地位。

根據(jù)CPU指令集體系對這六大芯片進行分類，復雜指令集（CISC）下，以x86架構(gòu)為主，國內(nèi)代表廠商包括海光、兆芯；

精簡指令集（RISC）下，采用ARM架構(gòu)的包括鯤鵬、飛騰；采用MIPS架構(gòu)是龍芯；而Alpha架構(gòu)的則是申威。

專家認為，國內(nèi)CPU廠商在指令集架構(gòu)上的選擇，既有當時現(xiàn)實的原因，更多的是出于自身業(yè)務發(fā)展方向的需要。

六大企業(yè)進入CPU領(lǐng)域，采用了不同的授權(quán)方式。

想要進入CPU領(lǐng)域，只有兩條路，一是購買已經(jīng)成熟指令集的授權(quán)，二是自研?，F(xiàn)在國內(nèi)的6家廠商，雖然說大家選擇了不同的指令集，但是都是選擇指令集授權(quán)的模式，并沒有哪一家選擇自研。

專家認為，時至今日，想要完全重新開發(fā)指令集，形成自己全新的CPU架構(gòu)，已經(jīng)不太可能。

龍芯是我國最早研制的高性能通用CPU系列。龍芯基于MIPS架構(gòu)，形成了自主指令集LoongISA，處理器核心的微結(jié)構(gòu)和物理設計全部自主研發(fā)，并取得了500多項專利。

飛騰CPU由國防科技大學研究團隊創(chuàng)造，是聚焦國家戰(zhàn)略需求和重大項目的CPU國家隊。曾先后嘗試x86、EPIC、SPARC、ARM四個指令集，并以SPARC開源代碼為基礎設計了FT-1000、FT-1000A、FT-1500等CPU。

之后出于生態(tài)考慮，飛騰CPU獲得了ARM指令集授權(quán)，集成全自主處理器內(nèi)核，形成了覆蓋桌面、服務器和嵌入式等領(lǐng)域的完整產(chǎn)品線。

鯤鵬是華為計算產(chǎn)業(yè)的主力芯片之一。鯤鵬CPU基于ARM V8架構(gòu)，處理器核、微架構(gòu)和芯片均由華為自主研發(fā)設計。

兆芯系列CPU由上海兆芯集成電路有限公司推出。由上海市國資委下屬企業(yè)和臺灣威盛電子合資成立。兆芯通過合資公司獲得x86架構(gòu)授權(quán)。

專家分析，兆芯架構(gòu)授權(quán)存在著一些“不可控”的因素，因為其技術(shù)來源始終是受制于合資的威盛（VIA），而威盛（VIA）與英特爾x86授權(quán)協(xié)議于2018年4月到期，威盛已經(jīng)無法在使用英特爾新的x86專利及相關(guān)軟件，兆芯未來的x86產(chǎn)品升級將因此而可能遇阻。此外，兆芯一直在引進的x86源代碼和微結(jié)構(gòu)基礎上改進優(yōu)化工作。

2016年，海光信息同AMD達成合作，共同合資成立兩家子公司，引入x86架構(gòu)授權(quán)。其中，成都海光微電子技術(shù)有限公司擁有授權(quán)IP所有權(quán)，并負責芯片生產(chǎn);成都海光集成電路設計有限公司負責芯片設計及銷售工作。

申威CPU由上海高性能集成電路中心研制，基于DEC公司的Alpha架構(gòu)，并進行了指令集擴展和微結(jié)構(gòu)自主創(chuàng)新，成功應用在國產(chǎn)超級計算機中。

對于指令集的授權(quán)直接影響企業(yè)未來的發(fā)展。

對于購買已經(jīng)成熟的指令集，目前業(yè)內(nèi)主要分為兩種:

一種是IP核授權(quán)，即授權(quán)廠商將已經(jīng)完成的CPU架構(gòu)設計，作為IP核，賣給客戶。

優(yōu)點是技術(shù)門檻低，授權(quán)廠家可以搞定大部分技術(shù)問題，整個處理器生態(tài)可以完全依賴，上手時間短。缺點自主可控程度低，技術(shù)積累差。

另一種是架構(gòu)授權(quán)，買方可以在指令集基礎上自行開發(fā)，賣方?jīng)]有權(quán)利干涉。優(yōu)點是自主可控性較高，可以完成技術(shù)經(jīng)驗的積累，并且最終做出的CPU可以體現(xiàn)出差異性。缺點是技術(shù)的門檻高，需要根據(jù)自行設計的CPU建立和擴展生態(tài)。

至于6家企業(yè)都采用了哪種授權(quán)，相信大家一看就明白，其中的風險也不得不防。

產(chǎn)品性能與工藝能否與時俱進？

雖然說不同的指令集或者架構(gòu)體系可能沒有高下之分，但是在發(fā)展的過程中，在市場大環(huán)境下，所設計的產(chǎn)品以及性能、工藝等卻是可以比較的。

在通用CPU領(lǐng)域，國產(chǎn)的CPU雖然不斷進步，但是不論是從性能還是工藝上，都不能與英特爾和AMD在主戰(zhàn)場相提并論。

目前AMD CPU基本采用7nm制程，英特爾在沖擊7nm工藝時失敗。不過英特爾芯上任的CEO蓋爾辛格表示，其7納米芯片有望在今年第二季度達到一個里程碑，并計劃自行生產(chǎn)大部分產(chǎn)品。

作為獨立的芯片供應商，飛騰有服務器CPU、桌面CPU、高端嵌入式CPU產(chǎn)品。在桌面CPU上，2019年，飛騰發(fā)布FT-2000/4，整體性能與Intel Core i5系列相當。FT-2000/4集成4個FTC663處理器核，16nm制程，主頻2.6-3.0GHz。

在SPEC 2006測試中，相比上一代的FT-1500A/4提升近1倍，訪存帶寬提升3倍。目前，F(xiàn)T-2000/4已和國產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)完成適配工作。

為滿足新算力需求，華為圍繞“鯤鵬+昇騰”構(gòu)筑雙算力引擎，打造算、存、傳、管、智五個子系統(tǒng)的芯片族，實現(xiàn)了計算芯片的全面自研。鯤鵬系列包括服務器和PC處理器。近年來，華為先后推出Hi1610、Hi1612、Hi1616等服務器CPU產(chǎn)品，不斷實現(xiàn)主頻與核數(shù)的提升。

2019年1月，華為宣布推出鯤鵬920，以及基于鯤鵬920的TaiShan服務器和華為云服務。鯤鵬920采用7nm制造工藝。規(guī)格方面，支持64內(nèi)核，主頻可達2.6GHz，集成8通道DDR4，支持PCIe4.0及CCIX接口，可提供640Gbps總帶寬。鯤鵬920主打低功耗、強性能，在典型主頻下，SPECint Benchmark評分超過930，超出業(yè)界標桿25%；同時，能效比優(yōu)于業(yè)界標桿30%。

另外，市場上目前存在超過500萬基于ARM指令集的安卓應用，與ARM服務器天然兼容，無需移植即可直接運行，且運行過程中無指令翻譯環(huán)節(jié)，性能無損失，相比x86異構(gòu)最高能夠提升3倍性能。

目前，龍芯共有三個產(chǎn)品系列，3號大CPU面向桌面/服務器類應用，定位Intel酷睿/至強系列；2號中CPU面向工控和終端類應用，定位Intel阿童木系列；1號小CPU面向特定應用與需求，曾用于北斗衛(wèi)星、石油勘探、智能設備（門鎖、水表、電表）等方面，實現(xiàn)“上天入地，守衛(wèi)國門，保護家門”。

3A5000四核桌面CPU將采用12nm工藝，與3A4000兼容，可原位替換；3C5000十六核服務器CPU同樣采用12nm工藝，支持4-16路服務器。

基于x86架構(gòu)的兆芯成功研發(fā)并量產(chǎn)多代通用CPU，形成“開先”、“開勝”兩大產(chǎn)品系列，實現(xiàn)了“從雙核心到八核心”、“從1.6GHz到3.0GHz”、“從處理器+芯片組方案到SoC單芯片方案”等多方面的發(fā)展與創(chuàng)新，具備自主演進發(fā)展的能力和條件。

2019年6月，兆芯發(fā)布新一代16nm x86處理器產(chǎn)品——開先KX-6000和開勝KH-30000，首款主頻達到3.0GHz的國產(chǎn)通用處理器，支持雙通道DDR4-3200內(nèi)存，采用SoC設計，包含CPU、GPU和芯片組，芯片集成度進一步增強，性能功耗比上一代產(chǎn)品提升3倍。

兆芯計劃于2021年推出開勝KH-40000系列CPU，基于16nm工藝，32核心且支持雙路互聯(lián)，專門面向高性能服務器產(chǎn)品市場。此外，兆芯已著手7nm以下工藝產(chǎn)品的定義和研發(fā)工作，作為開先KX-7000系列，延續(xù)SoC設計方案，在內(nèi)存、USB、PCIe等規(guī)范方面將瞄準國際同期主流水準。

基于AMD提供的Zen1架構(gòu)，海光開發(fā)出8核心桌面版CPU Dhyana、32核心服務器版CPU Dhyana Plus。

申威現(xiàn)已形成高性能計算CPU、服務器/桌面CPU、嵌入式CPU三個系列產(chǎn)品線。申威432、443、3232在研。申威432、443均為4核CPU，分別采用第四代、第五代申威核心，主頻將分別達2.2-2.5GHz和2.8-3.0GHz，綜合性能將分別達到同期國際主流桌面CPU的60%和80%。申威3232為32核CPU，主要面向云計算、大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，綜合性能預計為同期英特爾主流服務器CPU的60%-70%。

生態(tài)籬笆墻何時能夠拆除？

CPU發(fā)展一個重要環(huán)節(jié)就是生態(tài)的建設。CPU得有用戶，用戶需要PC或者服務器整機，整機上面有OS，OS上有可以運行的應用，等等，龐大的生態(tài)是CPU發(fā)展的關(guān)鍵命脈。

在發(fā)展生態(tài)上，國產(chǎn)CPU的勁頭實足。

飛騰CPU積極參與中國電子主導的PK（即飛騰Phytium CPU和麒麟Kylin操作系統(tǒng)）體系建設，打造安全可靠的中國計算機軟硬件基礎體系國家隊。

飛騰是完整定義并實現(xiàn)了安全處理器平臺架構(gòu)規(guī)范的芯片廠商，考慮了密碼加速引擎、密鑰管理、可信啟動、可信執(zhí)行環(huán)境、安全存儲、固件管理、量產(chǎn)注入、生命周期管理、抗物理攻擊及硬件漏洞免疫等完整的安全要素，可以有效防止處理器出現(xiàn)安全短板，提升處理器的安全性。

另外，飛騰與國內(nèi)1000余家軟硬件廠商構(gòu)建起了國內(nèi)龐大的生態(tài)體系，已與千余家軟件進行了適配和應用。同時，飛騰兼容安卓生態(tài)，在飛騰臺式機上可以運行200萬級安卓應用。

目前，已有超過12家整機廠商基于鯤鵬主板推出自有品牌的服務器及PC產(chǎn)品，華為還與產(chǎn)業(yè)伙伴聯(lián)合成立了至少15個鯤鵬生態(tài)創(chuàng)新中心。

華為由于是垂直整合型企業(yè)，其業(yè)務覆蓋了從芯片、整機、操作系統(tǒng)、云、軟件、集成、銷售、服務等各個環(huán)節(jié)。

龍芯學習Intel +Google +Apple的商業(yè)和技術(shù)模式，打造從端到云開放的全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)體系，實現(xiàn)OS的跨平臺兼容。

兆芯在實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品進步的同時，始終保持開放合作，最大化兼容x86生態(tài)的優(yōu)勢。兆芯CPU廣泛應用于臺式電腦、筆記本電腦、一體機、服務器和嵌入式計算平臺等，能夠為黨政辦公、金融、教育、交通、網(wǎng)絡安全、能源等行業(yè)提供可靠的解決方案。

申威信息安全產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，50多家成員，覆蓋芯片設計、基礎軟件、工業(yè)控制、整機及方案、定制服務等多個行業(yè)領(lǐng)域。

中國軟件網(wǎng)認為，國產(chǎn)CPU生態(tài)發(fā)展依然存在很多禁忌，需要打破利益的藩籬，建立更廣大的生態(tài)，通過應用帶動市場，發(fā)展自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈。

生產(chǎn)制造短板不容小覷

芯片行業(yè)在發(fā)展模式上，基本上可以分為三種模式：

一是晶圓代工模式，IC公司只進行硬件芯片的電路設計，然后交由晶圓代工廠制造，自己負責銷售。

由于半導體器件制造耗資極高，將集成電路產(chǎn)業(yè)的設計和制造兩大部分分開，使得無廠半導體公司可以將精力和成本集中在市場研究和電路設計上。而專門從事晶圓代工的公司則可以同時為多家無廠半導體公司提供服務，盡可能提高其生產(chǎn)線的利用率。

優(yōu)勢是企業(yè)負擔很輕，不用耗費巨資去興建晶圓廠和開發(fā)新工藝。缺點就是設計出來的芯片能否造出來不能保證，要看代工廠的能力。

GlobalFoundries 32nm工藝沒有達到AMD的預期水平，第一代FX/APU處理器的頻率和電壓就與設計相差很多，迫使AMD一度放棄了整整一代的低功耗APU。

二是垂直整合模式，即一個公司包辦從設計、制造到銷售的全部流程。

三星電子一方面是垂直整合模式，能制造自己設計的芯片；另一方面，它也扮演代代工廠的角色，同時給蘋果公司為iPhone、iPad設計的處理器提供代工服務。

英特爾公司是世界上最大的半導體公司，也是第一家推出x86架構(gòu)處理器的公司。英特爾涵蓋芯片的設計、生產(chǎn)以及到最終上市的整個過程。

三是IP設計模式。公司只負責設計電路，不負責制造、銷售的公司，如ARM。

ARM將自己的技術(shù)授權(quán)給其他芯片生產(chǎn)廠商，比如華為、高通、德州儀器、英偉達等。

當前全球半導體產(chǎn)業(yè)主要由臺積電、英特爾、三星電子（SamsungElectronics）及GlobalFoundries等四家業(yè)者盤據(jù)，其中臺積電、三星及GlobalFoundries為以晶圓代工廠為主，只負責為外部客戶制造芯片。

中國的臺積電主導著芯片代工市場。研究公司TrendForce的數(shù)據(jù)顯示，去年臺積電市場份額達到了54%，是全球最大的代工廠，蘋果、高通和Nvidia等大型科技公司都是其客戶。

目前，臺積電及其競爭對手三星是唯一能夠制造最先進的5納米芯片的生產(chǎn)廠。臺積電已經(jīng)在為下一代3納米芯片做準備，據(jù)報道，該芯片將于2022年開始生產(chǎn)。

芯片代工已經(jīng)成為芯片發(fā)展中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。英特爾3月23日宣布，將斥資200億美元在美國新建兩家芯片制造工廠。

在這個價值1000億美元的市場，中國中芯國際正在快速發(fā)展，目標是更加自力更生。2020年，中芯國際的收入僅次于臺積電和UMC、三星和GlobalFoundries，成為全球第五大半導體代工廠。

中芯國際目前面臨的問題是美國政府已經(jīng)將其列入實體名單，基本切斷了其從荷蘭公司ASML購買真正尖端設備的可能。

芯片制造正成為中國CPU發(fā)展的一個瓶頸，也是急需攻克的方向。