CPU(中央處理器)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心和大腦,也是國家大宗戰(zhàn)略物資,系統(tǒng)復(fù)雜研發(fā)難度高。我國CPU 研發(fā)起步較早,但發(fā)展較為坎坷,步入正軌是在“十二五”之后。在國家集成電路產(chǎn)業(yè)政策和大基金投資等多重措施支持下,一大批國產(chǎn)CPU 設(shè)計(jì)單位成長起來,產(chǎn)品覆蓋了高性能計(jì)算、桌面、移動和嵌入式等主要應(yīng)用場景。
一、國產(chǎn)CPU 發(fā)展現(xiàn)狀
1、“十二五”開始逐步踏上正軌
▲計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖
我國處理器研發(fā)起步相對較早,但發(fā)展歷程比較坎坷,隨著國內(nèi)信息化的加速以及電子信息制造業(yè)的快速發(fā)展,“缺芯”的問題又再次受到國家重視。“十五”期間要不要、能不能開發(fā)國產(chǎn)CPU 的爭論開始爆發(fā),此后科技部將信息產(chǎn)業(yè)部啟動了發(fā)展國產(chǎn)CPU 的“泰山計(jì)劃”。雖然該計(jì)劃未能實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo),但為國產(chǎn)CPU 的發(fā)展點(diǎn)燃了“星星之火”,這些火種演變成了現(xiàn)在國產(chǎn)CPU 設(shè)計(jì)的三支國家隊(duì)——飛騰、申威和龍芯。
除了“泰山計(jì)劃”外,科技部也在通過“863 計(jì)劃”對國產(chǎn)CPU 進(jìn)行支持。
2、部分國產(chǎn)CPU 廠商具備完全自主發(fā)展能力,但多數(shù)仍依托國際合作
CPU 發(fā)展到今天,其內(nèi)部架構(gòu)和邏輯關(guān)系已經(jīng)變得錯綜復(fù)雜,設(shè)計(jì)企業(yè)如果從頭開始進(jìn)入,成功難度很大。目前,活躍在市場上的國產(chǎn)CPU 絕大多數(shù)都是采用同國外合作的方式,主要途徑包括購買指令集授權(quán)、技術(shù)合作等。
▲處理器結(jié)構(gòu)演變過程
目前,全球CPU 指令集架構(gòu)有兩類——復(fù)雜指令集(X86)和精簡指令集(以ARM、MIPS、POWER等為代表)。
這兩類架構(gòu)競爭十分激烈。上世紀(jì)90 年代,復(fù)雜指令集和精簡指令集陣營展開了激烈廝殺。復(fù)雜指令集一方,英特爾憑借著與微軟的事實(shí)上的結(jié)盟(Wintel 體系),同時(shí)也在新的微內(nèi)核中融合了一些精簡指令集的技術(shù)優(yōu)勢,在中低檔服務(wù)器、PC、筆記本等主流領(lǐng)域占據(jù)了絕大多數(shù)份額;精簡指令集一方,雖然指令集本身有優(yōu)勢,但是群龍無首且各自為戰(zhàn),最終被Wintel 體系打敗,且擠壓到嵌入式市場,后來在智能手機(jī)興起之后才覓得新的市場空間。尤其是ARM,通過與Android 的合作,在智能手機(jī)處理器市場占據(jù)了絕大多數(shù)份額。在ARM 的64 位產(chǎn)品(ARM V8)推出之后,其市場也不再局限于嵌入式和移動領(lǐng)域,高性能計(jì)算、服務(wù)器和桌面也都成為其重要方向。
▲2018 年全球服務(wù)器CPU 市場份額
▲2019 年10 月全球X86 桌面CPU 市場份額
復(fù)雜指令集和精簡指令集架構(gòu)在國內(nèi)均有授權(quán)或者技術(shù)合作。X86 授權(quán)的有兆芯、海光,兆芯是通過威盛獲得的X86 授權(quán),海光則是中科曙光和AMD 合作的產(chǎn)物。精簡指令集授權(quán)的有龍芯(MIPS)、飛騰(兼容ARM V8 架構(gòu))、申威(Alpha)、海思(ARM)等。可以看到,ARM 架構(gòu)在國內(nèi)市場上的影響力較大。
▲復(fù)雜指令集與精簡指令集對比
▲全球主要CPU 架構(gòu)及授權(quán)情況
目前,CPU 授權(quán)主流的方式有三種:架構(gòu)授權(quán)、軟核授權(quán)和硬核授權(quán),對于使用授權(quán)的企業(yè)來說,CPU 的完成度依次上升,設(shè)計(jì)難度依次下降,但自主程度也在降低。
1、架構(gòu)授權(quán)。
2、軟核授權(quán)。
3、硬核授權(quán)。
▲典型的授權(quán)結(jié)構(gòu)
3、國產(chǎn)CPU 生態(tài)短板逐步補(bǔ)齊
從拿到授權(quán)到設(shè)計(jì)出產(chǎn)品,需要大量的資金、人員投入,以及國家產(chǎn)業(yè)政策的持續(xù)支持。
高性能計(jì)算方面,國內(nèi)天津飛騰、海光、申威等處理器產(chǎn)品已經(jīng)在E 級(每秒百億億次)超算原型機(jī)上得到應(yīng)用,申威的處理器、加速器均實(shí)現(xiàn)了完全國產(chǎn)化。服務(wù)器芯片方面,飛騰、龍芯、海光、華為海思均有新品發(fā)布,其中飛騰2000+/64 核產(chǎn)品性能已經(jīng)與英特爾主流E5 部分產(chǎn)品性能相當(dāng)。
國內(nèi)移動CPU 設(shè)計(jì)能力快速成長,已經(jīng)處于全球領(lǐng)先地位。
▲飛騰最新桌面芯片與英特爾處理器對比
▲主流移動芯片GB5 跑分?jǐn)?shù)據(jù)對比
處理器產(chǎn)品除了自身技術(shù)因素外,更多依托的是生態(tài)。所謂生態(tài),就是產(chǎn)業(yè)鏈條上的企業(yè)形成的一種緊密的分工協(xié)作關(guān)系,類似于準(zhǔn)同盟。生態(tài)的作用在CPU 市場上表現(xiàn)的十分突出。
▲Wintel 體系生態(tài)構(gòu)成
▲ARM-Android 生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成
但近兩年來,國內(nèi)企業(yè)也在通過各種途徑建設(shè)生態(tài),已經(jīng)取得了一定的效果。
一方面,芯片和操作系統(tǒng)廠商聯(lián)合打造的生態(tài)“雛形”已經(jīng)顯現(xiàn)。
另一方面,國家也在加快推動基于國產(chǎn)CPU 的整機(jī)品牌在黨政軍、重點(diǎn)行業(yè)的應(yīng)用,通過應(yīng)用帶動生態(tài)建設(shè)。
▲國產(chǎn)CPU 配套軟硬件廠商
二、國產(chǎn)CPU 發(fā)展機(jī)遇及前景展望
1、國際供應(yīng)鏈斷裂和信息安全風(fēng)險(xiǎn)加劇,倒逼國內(nèi)CPU 加快自主可控步伐
我國CPU 市場規(guī)模和潛力非常大,龐大的整機(jī)制造能力意味著巨量的CPU 采購。
▲2016-2018 年我國智能手機(jī)產(chǎn)量及增速
▲2014-2018 年我國電子計(jì)算機(jī)整機(jī)產(chǎn)量及增速
▲2019 年1-7 月我國集成電路進(jìn)口額結(jié)構(gòu)
▲2019 年1-7 月我國處理器進(jìn)口額來源地排序
美國企業(yè)(英特爾、AMD、高通等)是我國CPU 產(chǎn)品的主要供應(yīng)商,其中直接從美國本土進(jìn)口的CPU 芯片體量也比較大。
更為嚴(yán)峻的是,全球核心技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品武器化趨勢明顯。
▲2019 年1-7 月我國從美國的芯片進(jìn)口額結(jié)構(gòu)
▲近年來中美電子信息領(lǐng)域摩擦情況
采用國外的CPU 產(chǎn)品,國內(nèi)用戶對其內(nèi)部邏輯、軟件代碼缺乏控制,存在邏輯炸彈、軟件后門等安全性問題。
正是如此,黨中央、國務(wù)院以及地方政府對該領(lǐng)域的支持力度逐步加大,政策日趨完善,為產(chǎn)業(yè)后續(xù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。尤其是未來中美在科技領(lǐng)域競爭加劇的大背景下,國內(nèi)對國產(chǎn)CPU 的支持力度還會保持在高強(qiáng)度。
▲近年來我國CPU 相關(guān)政策
2、未來國產(chǎn)CPU 進(jìn)口替代潛力巨大
國內(nèi)仍將長期是全球最大的CPU 消費(fèi)市場。
另外,工業(yè)控制領(lǐng)域的嵌入式CPU 需求廣闊,我國作為制造業(yè)大國,目前正在向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型,智能化改造是重要方向,CPU 作為智能化的核心部件,將廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)當(dāng)中。
最后,黨政軍及重點(diǎn)行業(yè)是國產(chǎn)CPU 確定性最強(qiáng)的領(lǐng)域。
3、未來國產(chǎn)CPU 在傳統(tǒng)領(lǐng)域存在追趕機(jī)會,AI、開源架構(gòu)帶來換道超車可能
傳統(tǒng)CPU 技術(shù)差距雖然巨大,但依然存在追趕上的可能。
首先,國內(nèi)關(guān)于CPU 的知識儲備趨于完善。
其次,國內(nèi)技術(shù)人才的積累也在日趨豐富。
最后,CPU 進(jìn)入后摩爾定律時(shí)期升級速度趨緩,國產(chǎn)CPU 離天花板較遠(yuǎn),縮小差距存在可能。
▲英特爾桌面CPU 加工工藝升級進(jìn)展
隨著人工智能、5G、邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展和成熟,將對傳統(tǒng)計(jì)算需求形成巨大挑戰(zhàn),并創(chuàng)造出新的計(jì)算技術(shù)需求,國內(nèi)CPU 企業(yè)如能在此期間不斷拓展產(chǎn)品譜系,將大有可為。
