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浅析国产CPU的发展现状与未来

从2018年开始，国内硬件产业链的同仁们应该都能感受到外部形势的剧烈变化，站在全球硬件产业链顶端的M国明显的改变了对中国的态度和政策，压力接踵而来，给原本安逸的国内硬件发展道路蒙上了一层阴影 。
1999年，国内上映了一部讲述我国第一枚原子弹爆炸故事的电影，名为《横空出世》 。抗美援朝战争结束后，曾经立下赫赫战功的冯石将军带着一支英雄部队挺进戈壁滩，负责建造原子弹发射基地 。
在做战前动员时，冯时痛心又激愤的说：
【浅析国产CPU的发展现状与未来】 “应该说，美国是一个美丽的国家 。可他不应该像现在这样，动不动就欺负你，让你就想对它大喊一声‘NO，去NMD！’”
过去，M 国拿原子弹卡我们脖子；现在，M 国拿高科技技术卡我们脖子 。
ZM 已然进入全面竞争的时代，而这其中最重要的竞争，又莫过于国产CPU自主化 。
只有实现了国产CPU自主化，我们才能实现国防、国民经济发展的真正稳定安全；我们才能让自己的企业在内在外都受到公平公正对待；我们才能对它大喊一声——“NO！”
国产CPU的发展历史：丢失了20年
众所周知，CPU是计算机的大脑和心脏，也是一个超级复杂的系统 。

浅析国产CPU的发展现状与未来
文章插图
进入信息化、智能化时代之后，就和工业时代的钢铁一样，处于我们目前整个产业的基础和主导地位，是国家战略安全和产业安全的重要保障 。
与其他芯片器件不同的是，CPU不单强调逻辑控制，还需要更加强劲的计算速度 。全球能独立研发CPU的国家少之又少 。
我国的CPU研发起步较早，但发展过程坎坷 。
1965年，我国自主设计研发了与国际水平相差不大的晶体管109机，又于1968年研发了小规模集成电路106机 。
但是到了70年代以后，M 国超大规模集成电路快速发展了起来，以英特尔4004为标志的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，英特尔也由此开始统治着全球桌面和高性能计算市场 。
与之相反的是，当时的国内受限于经济条件、国际技术封锁等原因，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 。直接后果导致，上世纪 90 年代，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 。
其后，随着国内信息化与电子硬件制造业的快速发展，以及中美竞争的全面展开，“缺芯”的问题再次受到国家高度重视 。
科技部启动了发展国产 CPU 的“泰山计划”，虽未能实现既定目标，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 。
时至今日，国内终于培育出了一批国产 CPU 设计单位和研究机构，发展逐渐走向正轨 。
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、浙江大学等等，形成了百家争鸣，百花齐放的有利局面 。
国产CPU的现状：从可用到好用
CPU发展到今天，其内部架构和逻辑关系已十分复杂，设计企业若从头开始，研发难度太大 。
就算成功实现完全自主架构，虽然安全性大大提升，但也会导致缺乏操作系统等基础软硬件支持；缺乏编译器、调试器等开发工具；应用程序开发困难；移植难度大等等问题 。
由此使国产自主发展在产业化上受到了极大制约，而活跃在市场上的国产CPU大都只能采取依靠国际成熟架构授权的方式生存 。
目前，全球主流的CPU指令集架构有两类四种，分别是复杂指令集（X86）与精简指令集（ARM、MIPS、POWER） 。
其中，X86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，但由于其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，造成效率较低，所以对硬件集成度、工艺、功耗均非常高，是一款事实上真正做到高性能且通用的处理器 。
国内目前做的比较好的公司有上海兆芯，其产品KX-5000做到了8核架构，性能与英特尔的Core i3-6100处理器接近，进步明显；还有海光（Hygon），早在2016年就达成了与AMD的合作，现在已经开始制造中国国产Dhyana（禅定）x86处理器，这款处理器的性能相当高，但是距离掌握核心技术还有一定距离 。
与复杂指令集（X86）相反的是，精简指令集采用的等长的指令，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 。
我们先来看看ARM 。
ARM架构是一个32位精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计 。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性 。
目前，在移动芯片领域，ARM架构的芯片占据了90%以上的市场份额，国内许多大厂都购买了其架构授权或产品，比如华为、阿里等等 。
华为在2013年购买了ARM的架构授权，也就是说华为可以对ARM原有架构进行改造和对指令集进行扩展或者缩减 。
从2013年到现在，海思麒麟处理器已经从910更新到980，980处理器跑分超过了35W分，超过骁龙845处理器5W左右，并且一直在升级 。
阿里巴巴自主运营着支撑巨大电商业务的数据中心，同时还为中美等国提“阿里云”服务 。伴随需求增加，阿里巴巴将在各地增设数据中心的同时，导致设备类耗电量迅速增大，随即宣布将逐步把英特尔CPU改为ARM产品，以提高用电效率 。
再来看看MIPS 。
MIPS的系统结构及设计理念比较先进，强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计 。国内有龙芯、君正就是采用的MIPS架构 。
龙芯是中国科学院计算所主导研发的通用CPU，主要产品有龙芯1号、龙芯2号和龙芯3号 。
目前，龙芯1号处理器已经随北斗卫星上天，并且已经有十多颗北斗卫星使用了龙芯1E和龙芯1F作为主控芯片；1号芯片的抗辐照能力可以与现在使用的国外芯片一较高下，价格和性能都要优于国外芯片；龙芯2号2K1000处理器则在石油、轨道交通、电力等领域有了应用，性能与国外芯片相当；龙芯3A处理器采用的是RISC架构，兼容MIPS指令，已达到世界先进水平 。
最后看下POWER
POWER系列处理器存在于不少IBM服务器、超级计算机、小型计算机及工作站中 。
IBM在2013年联合NVIDIA等公司成立OpenPower开放联盟，国内的中昊宏芯获得了授权协议 。但是该公司从2013年末成立以来问题重重，不间断的进行股权更换，目前在国产化市场内，并没有见到其相关产品，总体来说，没有较为显眼的成绩 。
当前，国内企业取得CPU授权的主要方式有三种 。
第一，架构授权（自主可控程度最高）
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 。目前国内购买的企业都是芯片研发能力领先的企业 。如天津飞腾、龙芯和申威等，他们拿到的都是标准文档，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 。
第二，软核授权（设计难度、自由度低）
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 。
第三，硬核授权（自主可控程度最弱，商业化成功可能性最高）
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 。
总而言之，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，这两类架构竞争十分激烈 。X86授权的有兆芯、海光、众志等等 。
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）、紫光展锐（ARM）、晶晨（ARM）等 。可以看到，在国内市场上的影响力较大还是ARM 架构 。
依托于国际成熟架构授权的方式，国内自主化产品得到了不断的优化升级，实现了从“可用”到“好用”，也在一些未曾涉足过的领域，也实现了“零”的 突破 。
整体上看，国产 CPU 芯片同国际差距扩大的态势逐步在逆转 。
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 。
桌面处理器方面，飞腾于2019年9月司推出了 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，同时能耗仅 10W，显著低于英特尔同类 产品 35W-45W 的能耗水平，明显好于国内其他桌面产品 。
移动CPU设计方面，华为海思与台湾联发科都已处在全球领先地位 。
然而我们还存在一个严重的短板，即来自于国内CPU生态建设的落后 。
所谓生态，就是整个产业链中的企业建立的一种紧密分工协作的环环相扣的关系，对于CPU市场的影响非常之大 。
上世纪90年代，以复杂指令集为代表的英特尔率先构建了类似同盟的生态体系，凭借着与微软的事实上的结盟（Wintel 体系），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，至今仍然牢不可破 。
而精简指令集一方最终被 Wintel 体系打败，逐渐挤压到嵌入式市场，后来在智能手机兴起之后才获得得新的市场空间 。尤其是 ARM，通过构筑与 Android 的生态合作（AA体系），占据了全球 95%的移动芯片授权市场，Android也占据了高达 85%的移动操作系统市场份额 。
值得庆幸的是，国内已经认识到了问题所在，正通过大量的资金、人员投入，以及国家产业政策等方式逐步补齐产业链相关短板 。
国产CPU的未来：要对胜利有信心
我们的信心从哪里来？
第一，M 国不是第一次制裁我们
1989-1992年，美日欧曾联合对我国进行全面经济制裁 。期间不仅导致各类出口产品数量下降，还操纵世界银行停止了对我国数项工程的7亿多美元的贷款，当时的关贸总协定（现在的WTO）无限期推迟了有关中国申请加入的讨论，诸如此类手段还有很多 。最终导致1982年，国内经济增速为4.2%，1990年却降至3.9% 。
而中国当时采取两大对策扭转了局势 。
一是利用联合国安理会成员国的地位，在1990年的安理会表决中，拥有否决权的中国对伊拉克“使用一切必要手段”的第678号决议时投了弃权票 。作为交换，在世界银行就是否全面恢复对华贷款投票表决时，美国也投了弃权票，中国重新获得了国际金融力量的帮助 。
二是寻找美日欧同盟中薄弱的一环，予以击破 。当时的日本无疑是最薄弱的一环，相对于遥远的西方国家，相邻的中日之间经贸往来更加紧密 。这就是“邻国效应”，就如当时美国出口的第一和第二大市场分别是加拿大和墨西哥一样 。
事实证明，中国当时的决策是正确的 。
1991年，时任日本首相海部俊树成为制裁开始之后第一位访问中国的美日欧首脑，受到日本率先破冰的影响，英国首相梅杰与意大利总理安德烈奥帝也与同年相继访华，西方的制裁联盟成功的被中国突破 。
由于中国体量庞大，制裁对中国的伤害并没有 M 国预料之中的严重 。反而对西方国家自身造成了一定伤害，这在制裁联盟内部引起了分歧 。
加上对中国巨大市场的渴望，率先取消制裁的国家都获得了巨大的好处，而继续执行制裁的国家其产品却被排除在外，将市场拱手让人，结果是得不偿失的 。
在看今朝，我们国家不仅成为了全球第一大货物贸易国，更通过旅游、留学、移民等方式输出了大量资金，影响力已非吴下阿蒙，M 国想成功制裁中国更是白日做梦 。
自2018年4月至今，将近两年的实践，仍然没有形成一个全面制裁的联盟，实际上制裁的成员也在逐渐退出，M 国的力量是在不断削弱的 。
第二，我们的力量是在增强的 。
力量的增强有两个方面，一个是市场规模，另一个是自主化能力 。
仅看CPU市场，据国家统计局数据显示，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 。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%. 。.
这些数据充分说明我们的CPU市场规模和潜力非常大，意味者巨量的CPU采购 。仅2019年前7个月，我国芯片累计进口额就达到1645亿美元，超过原油居国内进口产品首位 。
三十多年前，面对中国进口市场规模仅有五百亿美元级别的情况下，西方国家都不能坚持制裁，如今中国进口市场规模已近三万亿美元，他们又拿什么坚持下去呢？
再说自主化能力，最大的挑战再于自主化，最大的机遇也在自主化 。
目前，全球核心技术和关键产品武器化趋势明显 。除美国外，重点材料、元器件供应国——日本和韩国，也开始将关键产品禁运作为政治筹码，相互倾轧，断供问题至今尚未完全解决，曾经国内甚嚣尘上的可以完全依靠“国际供应链”的神话被彻底打破 。
我国作为电子信息终端制造和消费大国，一旦其他国家在 CPU 这种关键器件上卡脖子，就会却缺乏有效的应对和准备，这对整个电子信息产业甚至是国民经济社会发展产生极具破坏性的影响，这就是我们面临的挑战 。
所以政府对相关领域的支持力度逐步增加，政策也越来越完善 。对CPU相关元器件研发提供资金支持以及财税优惠，推动国产化采购工作，将基于国产芯片的整机产品列入政府采购清单等等 。
如此这般，必然导致未来国产CPU进口替代潜力巨大，除了国产CPU传统市场国防领域，金融、电信、能源等行业也会加大基于国产CPU服务器产品的采购 。
除了在传统领域内发力追赶，国产CPU在AI、开源架构等领域已经具备弯道超车的可能 。
随着人工智能、5G、边缘计算、区块链等技术的成熟，会对传统计算需求形成巨大挑战，并形成新的计算技术需求，国内CPU企业如能乘此机会拓展产品，奋力研发，配合开源架构，中小企业也可以利用免费的特点，摆脱Wintel和AA体系，实现换道超车 。
某种意义上我们还要感谢 M 国，是他们的外部刺激导致中国电子产业提前多年走向了自主化，这是我们的重大机遇，领先于原本历史至少几年时间 。
目前，国产CPU自主化确实带来了很多困难，但是这些困难都是短期的，国产CPU自主化的收益却是长期的 。
很多中国消费电子品牌已经走向世界，在部分地区还占据了一定优势，仍在积极开拓更多市场 。至少未来的十年里，整个电子产业链的上游开始“中国化”是必然的趋势 。我们完全可以这么认为：这是国产CPU自主化的历史任务也是未来 。
最后，跟大家分享一个我认为的好消息，就是我国集成电路相关专业的应届毕业生薪资大幅上涨，已经有很多媒体喊出了待遇“胜过互联网”的口号 。
很多本土芯片企业甚至给应届硕士开出了三四十万人民币左右的年薪，这个趋势非常好 。
因为人才和资本是推动技术创新、发展的核心力量，说明国家确实在加大对整个电子信息产业链自主化的攻关力度 。
相信在今年和未来的几年，我们还会看到 M 国对中国CPU自主化的各种打压，但是我们也会看到关于我们CPU自主化的各种好消息，随着国家和民间资本的不断投入，这种好消息还会越来越多 。
责任编辑:tzh

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