國產CPU發展的底層邏輯是什麼?

語言: CN / TW / HK

最近幾個月,國產CPU中兩大企業相繼上市。8月12日,海光資訊正式登入科創板,如今市值已經接近1500億元,作為一家去年剛實現盈利的公司,海光資訊獲得了二級市場的認可。海光之前,龍芯中科已於今年6月份登入科創板,市值在300多億。兩家企業紛紛上市的背後,是 國產CPU正在悄然發生變化

三大流派

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指令集是CPU核心中的核心,當前的指令集主要分為複雜指令集(CISC)和精簡指令集兩種(RISC)兩大類,x86就是經典的複雜指令集(CISC),而常見的ARM、RISC-V、MIPS則是精簡指令集(RISC)。

嚴格意義上來講,兩大指令集並沒有高下之分,主要是在不同領域與方向有著不同的優勢。CISC的優勢在於指令豐富,功能強大,定址靈活,缺點則是指令使用頻率不均衡,不利於VLSI(超大規模積體電路)實現。RISC的優勢在於指令精簡、使用頻率均衡,結構簡單易設計、程式執行效率高,但指令數較少,定址不靈活。

在CPU領域,X86和ARM兩種架構佔據主流市場,其中X86以其強大的效能,在PC與伺服器領域佔據絕對市場,ARM架構的優勢在於移動端,由於蘋果M1晶片的問世,滲透率才在PC領域有所增長。

迴歸到國產CPU產業中來看,當前國產CPU主要有三大路線:

  • 一條是基於x86核心授權,代表廠商是兆芯和海光;

  • 第二條是基於ARM指令集授權,代表廠商有飛騰和華為;

  • 第三條則是自研指令集,代表廠商有龍芯中科和申威。

X86授權

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長期以來,基於X86架構的CPU市場一直被Intel與AMD所佔據,支撐兩家企業壟斷的原因,一方面是其出色的晶片設計能力,另一方面也得益於X86陣營長期以來與微軟組成的Wintel聯盟,Intel自1980s就開始與微軟合作,長達四十年的時間裡形成了全球個人電腦產業中雙寡頭壟斷格局。

目前國內的兩家基於X86核心授權的企業,其授權方式都是通過合作形式獲得,其中兆芯是由上海聯投和中國臺灣威盛電子合資成立,當時前者持有80%股份,後者持股20%。兆芯獲得了X86的授權。海光資訊則是在2016年與AMD成立兩家合資公司,獲得AMD高階處理器Zen1架構授權,並在此基礎上開發和設計了第一代產品。

獲得X86授權就意味著國產CPU企業可以直接加入Wintel陣營,能夠設計出效能卓越的CPU,並順利進入消費市場。但也存在被斷供的風險。

根據海光資訊在招股書中所述,2019年6月,海光資訊被美國商務部工業與安全域性將公司列入到美國《出口管制條例》 “實體清單”中,公司採購、銷售含有美國受限技術比例較高的“管制物品”將會受到限制。這意味著被列入“實體清單”之後,AMD無法提供後續的技術服務,海光也無法得到AMD後續架構的升級。

與X86類似,飛騰與華為的CPU也是由ARM授權而來,雖然授權能快速設計出合格甚至優秀的CPU產品,但也會面臨如同華為一樣,被限制使用後續架構。

國產CPU發展主線

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海光資訊之外,華為、申威與飛騰也在過去幾年裡,相繼被美國列入“實體清單”、無法獲得相關裝置與技術等,這對國產CPU來說十分不利,尤其是華為被美國限制之後,海思的麒麟晶片無法繼續迭代更新,面向伺服器的鯤鵬處理器也同樣被迫按下暫停鍵。

在當前國際關係越發複雜的大環境下,供應鏈變得愈發脆弱,自主可控也成為全球主要半導體國家和地區的核心。

目前國產CPU的發展,一方面基於X86與ARM架構體系的推動,另一方面也在積極扶持本土CPU產業自主可控。根據相關人士透露,在政府與銀行等的相關部門,目前國產CPU正在替換國外CPU,這種浪潮已從兩年前開始,預計未來幾年在政企辦公電腦領域,國產CPU滲透率會持續增加。

從今年上半年國家稅務總局的電腦的採購名單中,也可以側面印證該說法。根據全球半導體觀察的統計,國家稅務總局採購的電腦中,CPU供應方有飛騰、海光資訊、兆芯等四家,供應商全部為國產CPU企業。

另一方面,伺服器產業的發展對於國產CPU企業來說也是一個機會,尤其是在東數西算的大背景下,國產CPU產業在伺服器領域可以獲得更大的發展空間。以近期上市的海光資訊為例,其大股東中科曙光承建西部(重慶)科學城先進資料中心,天府和重慶資料中心叢集,是全國一體化算力網路國家八大樞紐節點之一,成為東數西算重要的服務商將有益於海光資訊後續的發展。

挑戰

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從政策與機遇上而言,國產CPU正在迎來一個良好的發展環境,但一些挑戰也需要正視。

其一,無論是指令集還是微架構的設計能力,都需要長期的技術積累,以及濃厚的工程師文化,矽谷龍頭們在這方面有很長的歷史沉澱與技術氛圍。整體而言,國產CPU在技術積累與龍頭們依然存在不小差距。

另一方面,對於自研指令集的企業來說,生態體系的建立非一時之功,除技術原因之外,使用者是否接納,是否有更多的開發者參與其中,共同完成生態系統的迭代出新,才是重中之重。有相關人士表示,國產作業系統目前與windows等有巨大差距,時常會出現一週之內頻繁更新升級的現象,影響使用者體驗。

此外,從營收情況來看,國產CPU企業與龍頭之間的體量懸殊。出貨量巨大的龍頭更具有規模優勢,能夠降低單顆晶片的研發與製造成本,CPU作為一種面向消費市場的商品,在拼效能與服務的同時,也拼價格,這是國產CPU企業需要努力的方向。

從海光資訊與龍芯中科過去的營收來看,2021年海光資訊營收23.10億元,龍芯中科營收約為12億元,與之相對的是Intel的營收為790.24億美元,AMD營收為164.34億美元,國內企業與國際龍頭之間營收差距依然巨大。

總體而言,與此前相比,國產CPU正在快速發展,路線既有基於授權研發,也有自研指令集,但在全球半導體供應鏈越來越脆弱的今天,獨立自主是國產CPU發展的底層邏輯。

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