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【IC设计】国产CPU发展的底层逻辑是什么?

来源:全球半导体观察    原作者:青隐    

最近几个月,国产CPU中两大企业相继上市。8月12日,海光信息正式登录科创板,如今市值已经接近1500亿元,作为一家去年刚实现盈利的公司,海光信息获得了二级市场的认可。海光之前,龙芯中科已于今年6月份登录科创板,市值在300多亿。两家企业纷纷上市的背后,是国产CPU正在悄然发生变化。

三大流派

指令集是CPU核心中的核心,当前的指令集主要分为复杂指令集(CISC)和精简指令集两种(RISC)两大类,x86就是经典的复杂指令集(CISC),而常见的ARM、RISC-V、MIPS则是精简指令集(RISC)。

严格意义上来讲,两大指令集并没有高下之分,主要是在不同领域与方向有着不同的优势。CISC的优势在于指令丰富,功能强大,寻址灵活,缺点则是指令使用频率不均衡,不利于VLSI(超大规模集成电路)实现。RISC的优势在于指令精简、使用频率均衡,结构简单易设计、程序执行效率高,但指令数较少,寻址不灵活。

在CPU领域,X86和ARM两种架构占据主流市场,其中X86以其强大的性能,在PC与服务器领域占据绝对市场,ARM架构的优势在于移动端,由于苹果M1芯片的问世,渗透率才在PC领域有所增长。

回归到国产CPU产业中来看,当前国产CPU主要有三大路线:

一条是基于x86内核授权,代表厂商是兆芯和海光;

第二条是基于ARM指令集授权,代表厂商有飞腾和华为;

第三条则是自研指令集,代表厂商有龙芯中科和申威。

X86授权

长期以来,基于X86架构的CPU市场一直被Intel与AMD所占据,支撑两家企业垄断的原因,一方面是其出色的芯片设计能力,另一方面也得益于X86阵营长期以来与微软组成的Wintel联盟,Intel自1980s就开始与微软合作,长达四十年的时间里形成了全球个人电脑产业中双寡头垄断格局。

目前国内的两家基于X86内核授权的企业,其授权方式都是通过合作形式获得,其中兆芯是由上海联投和中国台湾威盛电子合资成立,当时前者持有80%股份,后者持股20%。兆芯获得了X86的授权。海光信息则是在2016年与AMD成立两家合资公司,获得AMD高端处理器Zen1架构授权,并在此基础上开发和设计了第一代产品。

获得X86授权就意味着国产CPU企业可以直接加入Wintel阵营,能够设计出性能卓越的CPU,并顺利进入消费市场。但也存在被断供的风险。

根据海光信息在招股书中所述,2019年6月,海光信息被美国商务部工业与安全局将公司列入到美国《出口管制条例》 “实体清单”中,公司采购、销售含有美国受限技术比例较高的“管制物品”将会受到限制。这意味着被列入“实体清单”之后,AMD无法提供后续的技术服务,海光也无法得到AMD后续架构的升级。

与X86类似,飞腾与华为的CPU也是由ARM授权而来,虽然授权能快速设计出合格甚至优秀的CPU产品,但也会面临如同华为一样,被限制使用后续架构。

国产CPU发展主线

海光信息之外,华为、申威与飞腾也在过去几年里,相继被美国列入“实体清单”、无法获得相关设备与技术等,这对国产CPU来说十分不利,尤其是华为被美国限制之后,海思的麒麟芯片无法继续迭代更新,面向服务器的鲲鹏处理器也同样被迫按下暂停键。

在当前国际关系越发复杂的大环境下,供应链变得愈发脆弱,自主可控也成为全球主要半导体国家和地区的核心。

目前国产CPU的发展,一方面基于X86与ARM架构体系的推动,另一方面也在积极扶持本土CPU产业自主可控。根据相关人士透露,在政府与银行等的相关部门,目前国产CPU正在替换国外CPU,这种浪潮已从两年前开始,预计未来几年在政企办公电脑领域,国产CPU渗透率会持续增加。

从今年上半年国家税务总局的电脑的采购名单中,也可以侧面印证该说法。根据全球半导体观察的统计,国家税务总局采购的电脑中,CPU供应方有飞腾、海光信息、兆芯等四家,供应商全部为国产CPU企业。

另一方面,服务器产业的发展对于国产CPU企业来说也是一个机会,尤其是在东数西算的大背景下,国产CPU产业在服务器领域可以获得更大的发展空间。以近期上市的海光信息为例,其大股东中科曙光承建西部(重庆)科学城先进数据中心,天府和重庆数据中心集群,是全国一体化算力网络国家八大枢纽节点之一,成为东数西算重要的服务商将有益于海光信息后续的发展。

挑战

从政策与机遇上而言,国产CPU正在迎来一个良好的发展环境,但一些挑战也需要正视。

其一,无论是指令集还是微架构的设计能力,都需要长期的技术积累,以及浓厚的工程师文化,硅谷龙头们在这方面有很长的历史沉淀与技术氛围。整体而言,国产CPU在技术积累与龙头们依然存在不小差距。

另一方面,对于自研指令集的企业来说,生态体系的建立非一时之功,除技术原因之外,用户是否接纳,是否有更多的开发者参与其中,共同完成生态系统的迭代出新,才是重中之重。有相关人士表示,国产操作系统目前与windows等有巨大差距,时常会出现一周之内频繁更新升级的现象,影响用户体验。

此外,从营收情况来看,国产CPU企业与龙头之间的体量悬殊。出货量巨大的龙头更具有规模优势,能够降低单颗芯片的研发与制造成本,CPU作为一种面向消费市场的商品,在拼性能与服务的同时,也拼价格,这是国产CPU企业需要努力的方向。

从海光信息与龙芯中科过去的营收来看,2021年海光信息营收23.10亿元,龙芯中科营收约为12亿元,与之相对的是Intel的营收为790.24亿美元,AMD营收为164.34亿美元,国内企业与国际龙头之间营收差距依然巨大。

总结

总体而言,与此前相比,国产CPU正在快速发展,路线既有基于授权研发,也有自研指令集,但在全球半导体供应链越来越脆弱的今天,独立自主是国产CPU发展的底层逻辑。

封面图片来源:拍信网