中國“芯”，自主可控的“缺口”
作者 | 中國軟件網(wǎng) 趙滿滿
校對(duì)丨中國軟件網(wǎng) 顧習(xí)習(xí)
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僅僅一年的時(shí)間，華為的手機(jī)銷量就從全球第一，掉到了全球第三。
從2020年開始，美國對(duì)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(gè)是不得使用谷歌的安卓操作系統(tǒng)服務(wù)。
芯片領(lǐng)域被卡脖子，在中國已經(jīng)不是第一次了。當(dāng)然，無芯可用影響的不僅僅是華為的手機(jī)。
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(dān)心，美國在半導(dǎo)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(jì)算機(jī)設(shè)備的運(yùn)算和控制核心，因研發(fā)門檻高、生態(tài)構(gòu)建難，被認(rèn)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(duì)這六大芯片進(jìn)行分類，復(fù)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(rèn)為，國內(nèi)CPU廠商在指令集架構(gòu)上的選擇，既有當(dāng)時(shí)現(xiàn)實(shí)的原因，更多的是出于自身業(yè)務(wù)發(fā)展方向的需要。
六大企業(yè)進(jìn)入CPU領(lǐng)域，采用了不同的授權(quán)方式。
想要進(jìn)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。現(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(rèn)為，時(shí)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(shè)計(jì)全部自主研發(fā)，并取得了500多項(xiàng)專利。
飛騰CPU由國防科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造，是聚焦國家戰(zhàn)略需求和重大項(xiàng)目的CPU國家隊(duì)。曾先后嘗試x86、EPIC、SPARC、ARM四個(gè)指令集，并以SPARC開源代碼為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(wù)器和嵌入式等領(lǐng)域的完整產(chǎn)品線。
鯤鵬是華為計(jì)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(shè)計(jì)。
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(tái)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?yàn)槠浼夹g(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(jí)將因此而可能遇阻。此外，兆芯一直在引進(jìn)的x86源代碼和微結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)優(yōu)化工作。
2016年，海光信息同AMD達(dá)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(fù)責(zé)芯片生產(chǎn);成都海光集成電路設(shè)計(jì)有限公司負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)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(jìn)行了指令集擴(kuò)展和微結(jié)構(gòu)自主創(chuàng)新，成功應(yīng)用在國產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)中。
對(duì)于指令集的授權(quán)直接影響企業(yè)未來的發(fā)展。
對(duì)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(shè)計(jì)，作為IP核，賣給客戶。
優(yōu)點(diǎn)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(gè)處理器生態(tài)可以完全依賴，上手時(shí)間短。缺點(diǎn)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(chǔ)上自行開發(fā)，賣方?jīng)]有權(quán)利干涉。優(yōu)點(diǎn)是自主可控性較高，可以完成技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累，并且最終做出的CPU可以體現(xiàn)出差異性。缺點(diǎn)是技術(shù)的門檻高，需要根據(jù)自行設(shè)計(jì)的CPU建立和擴(kuò)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(fēng)險(xiǎn)也不得不防。
產(chǎn)品性能與工藝能否與時(shí)俱進(jìn)？
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(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)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(dá)到一個(gè)里程碑，并計(jì)劃自行生產(chǎn)大部分產(chǎn)品。
作為獨(dú)立的芯片供應(yīng)商，飛騰有服務(wù)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(dāng)。FT-2000/4集成4個(gè)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(gè)子系統(tǒng)的芯片族，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算芯片的全面自研。鯤鵬系列包括服務(wù)器和PC處理器。近年來，華為先后推出Hi1610、Hi1612、Hi1616等服務(wù)器CPU產(chǎn)品，不斷實(shí)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(wù)器和華為云服務(wù)。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(dá)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(qiáng)性能，在典型主頻下，SPECint Benchmark評(píng)分超過930，超出業(yè)界標(biāo)桿25%；同時(shí)，能效比優(yōu)于業(yè)界標(biāo)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(yīng)用，與ARM服務(wù)器天然兼容，無需移植即可直接運(yùn)行，且運(yùn)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(gè)產(chǎn)品系列，3號(hào)大CPU面向桌面/服務(wù)器類應(yīng)用，定位Intel酷睿/至強(qiáng)系列；2號(hào)中CPU面向工控和終端類應(yīng)用，定位Intel阿童木系列；1號(hào)小CPU面向特定應(yīng)用與需求，曾用于北斗衛(wèi)星、石油勘探、智能設(shè)備（門鎖、水表、電表）等方面，實(shí)現(xiàn)“上天入地，守衛(wèi)國門，保護(hù)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(wù)器CPU同樣采用12nm工藝，支持4-16路服務(wù)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(shí)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(jìn)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(dá)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(shè)計(jì)，包含CPU、GPU和芯片組，芯片集成度進(jìn)一步增強(qiáng)，性能功耗比上一代產(chǎn)品提升3倍。
兆芯計(jì)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(wù)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(shè)計(jì)方案，在內(nèi)存、USB、PCIe等規(guī)范方面將瞄準(zhǔn)國際同期主流水準(zhǔn)。
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(wù)器版CPU Dhyana Plus。
申威現(xiàn)已形成高性能計(jì)算CPU、服務(wù)器/桌面CPU、嵌入式CPU三個(gè)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(dá)2.2-2.5GHz和2.8-3.0GHz，綜合性能將分別達(dá)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(jì)算、大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，綜合性能預(yù)計(jì)為同期英特爾主流服務(wù)器CPU的60%-70%。
生態(tài)籬笆墻何時(shí)能夠拆除？
CPU發(fā)展一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是生態(tài)的建設(shè)。CPU得有用戶，用戶需要PC或者服務(wù)器整機(jī)，整機(jī)上面有OS，OS上有可以運(yùn)行的應(yīng)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(shí)足。
飛騰CPU積極參與中國電子主導(dǎo)的PK（即飛騰Phytium CPU和麒麟Kylin操作系統(tǒng)）體系建設(shè)，打造安全可靠的中國計(jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)體系國家隊(duì)。
飛騰是完整定義并實(shí)現(xiàn)了安全處理器平臺(tái)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(dòng)、可信執(zhí)行環(huán)境、安全存儲(chǔ)、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(jìn)行了適配和應(yīng)用。同時(shí)，飛騰兼容安卓生態(tài)，在飛騰臺(tái)式機(jī)上可以運(yùn)行200萬級(jí)安卓應(yīng)用。
目前，已有超過12家整機(jī)廠商基于鯤鵬主板推出自有品牌的服務(wù)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(gè)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(wù)覆蓋了從芯片、整機(jī)、操作系統(tǒng)、云、軟件、集成、銷售、服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)。
龍芯學(xué)習(xí)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(shí)現(xiàn)OS的跨平臺(tái)兼容。
兆芯在實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品進(jìn)步的同時(shí)，始終保持開放合作，最大化兼容x86生態(tài)的優(yōu)勢(shì)。兆芯CPU廣泛應(yīng)用于臺(tái)式電腦、筆記本電腦、一體機(jī)、服務(wù)器和嵌入式計(jì)算平臺(tái)等，能夠?yàn)辄h政辦公、金融、教育、交通、網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)、基礎(chǔ)軟件、工業(yè)控制、整機(jī)及方案、定制服務(wù)等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。
中國軟件網(wǎng)認(rèn)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(yīng)用帶動(dòng)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(jìn)行硬件芯片的電路設(shè)計(jì)，然后交由晶圓代工廠制造，自己負(fù)責(zé)銷售。
由于半導(dǎo)體器件制造耗資極高，將集成電路產(chǎn)業(yè)的設(shè)計(jì)和制造兩大部分分開，使得無廠半導(dǎo)體公司可以將精力和成本集中在市場研究和電路設(shè)計(jì)上。而專門從事晶圓代工的公司則可以同時(shí)為多家無廠半導(dǎo)體公司提供服務(wù)，盡可能提高其生產(chǎn)線的利用率。
優(yōu)勢(shì)是企業(yè)負(fù)擔(dān)很輕，不用耗費(fèi)巨資去興建晶圓廠和開發(fā)新工藝。缺點(diǎn)就是設(shè)計(jì)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(dá)到AMD的預(yù)期水平，第一代FX/APU處理器的頻率和電壓就與設(shè)計(jì)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(gè)公司包辦從設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)的芯片；另一方面，它也扮演代代工廠的角色，同時(shí)給蘋果公司為iPhone、iPad設(shè)計(jì)的處理器提供代工服務(wù)。
英特爾公司是世界上最大的半導(dǎo)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(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及到最終上市的整個(gè)過程。
三是IP設(shè)計(jì)模式。公司只負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)電路，不負(fù)責(zé)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(dá)等。
當(dāng)前全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主要由臺(tái)積電、英特爾、三星電子（SamsungElectronics）及GlobalFoundries等四家業(yè)者盤據(jù)，其中臺(tái)積電、三星及GlobalFoundries為以晶圓代工廠為主，只負(fù)責(zé)為外部客戶制造芯片。
中國的臺(tái)積電主導(dǎo)著芯片代工市場。研究公司TrendForce的數(shù)據(jù)顯示，去年臺(tái)積電市場份額達(dá)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(tái)積電及其競爭對(duì)手三星是唯一能夠制造最先進(jìn)的5納米芯片的生產(chǎn)廠。臺(tái)積電已經(jīng)在為下一代3納米芯片做準(zhǔn)備，據(jù)報(bào)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(gè)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(gè)價(jià)值1000億美元的市場，中國中芯國際正在快速發(fā)展，目標(biāo)是更加自力更生。2020年，中芯國際的收入僅次于臺(tái)積電和UMC、三星和GlobalFoundries，成為全球第五大半導(dǎo)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(shí)體名單，基本切斷了其從荷蘭公司ASML購買真正尖端設(shè)備的可能。
芯片制造正成為中國CPU發(fā)展的一個(gè)瓶頸，也是急需攻克的方向。
