近几年,中国在发展半导体产业上下了很大力气,国内CPU已形成多路线发展格局。目前国内共有华为鲲鹏、飞腾、海光、兆芯、龙芯、和申威六大国产CPU厂商,均进入信创名录,获得工信部信创的认可。
那么,国产CPU在多条路线前进下,现况如何?又面临哪些待破“困局”?针对这些外界普遍关注的话题,我们通过大量研究,梳理了国产CPU发展路径及前景,希望能给大家提供一些相对真实客观的解答。
对比指标
华为鲲鹏
飞腾
海光
兆芯
龙芯
申威
指令集体系
ARMv8
ARMv8
x86
x86
MIPS, LoongArch
ALPHA,SW-64
来源
ARM
ARM
AMD
威盛
MIPS
DEC
授权模式
指令集授权
指令集授权
指令集授权
指令集授权
指令集授权
指令集授权
一种逻辑,三种路线
当前,国内六大CPU厂商,均通过引入国外指令集的模式,进行CPU设计研发。其中,华为鲲鹏、飞腾采用ARMv8架构;海光、兆芯采用x86架构;龙芯、申威早期采用了MIPS、Alpha架构,后期在保留原始架构核心的基础上,延展了LoongArch架构与SW-64架构。
一种逻辑:不难发现,六大CPU厂商均不约而同的选择了采用国外指令集的发展模式。这是因为指令集是芯片与软件之间的“翻译官”,其核心价值体现在芯片路线对应软件生态的丰富度。通过引进国外指令集,获得兼容此指令集的软件的运行权,即获得了此指令集的软件生态,这也是国内CPU厂商采用引入而不是从头自研指令集的根本原因。即便,龙芯后期通过自研实现的LoongArch架构,为做到向下兼容MIPS架构,也保留了MIPS架构语言体系的核心。
三种路线:常见的指令集有两种,即复杂指令集(CISC)与精简指令集(RISC)。从严格意义上来讲,复杂指令集与精简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。当前,在CPU领域x86架构与ARM架构占据主流市场。其中,ARM架构以低功耗、高集成的特点占领移动端市场,x86架构以性能高、兼容性强、软硬件生态丰富的特点占领PC及服务器市场。
回归到国内CPU发展来看,当前六大CPU厂商在架构发展上主要采用了以下模式:
第一种,基于ARM路线。华为鲲鹏和飞腾获得了ARMv8架构的授权,但基于ARM的版本授权方式,其迭代发展颇受限制。如不能持续购买到ARM最新架构版本,则无法实现迭代升级。又碍于ARM的知识产权保护规则,自主升级实现新版功能也会陷入侵权困局。
第二种,基于x86路线。海光从AMD获得了x86架构的永久授权,受益于x86交叉授权模式,迭代自由度高。兆芯通过收购台湾威盛获得了intel公司X86技术阶段性授权,不过授权已于2018年到期,后续没有再签订相关协议。
第三种,基于“授权+自研”路线。龙芯从MIPS公司获得了 MIPS32 和 MIPS64 架构的授权,后续自研形成LoongArch架构。申威的核心技术则是来源于DEC的Alpha 21164,后续也在此基础上延展了SW-64架构。不过,为了做到对此前软件生态的复用,两大厂商在延展新架构时,都保留了原有引进架构的核心内容。
六大CPU发展现状
对比指标
华为鲲鹏
飞腾
海光
兆芯
龙芯
申威
代表产品
鲲鹏 920
腾云 S、D、E 系列
海光 1 -3号
ZX系列、KX系列
龙芯 1 -3号
SW系列
迭代情况
未获得ARMv9授权迭代受限
未获得ARMv9授权
迭代受限
持续迭代
持续迭代
持续迭代
特定领域持续迭代
优势
产品丰富
移动端占比大
产品丰富
性能强、生态强
上海地区覆盖广, x86应用生态丰富
起步最早
产品丰富
在军方市场占有率高,底层应用、超算为主力方向
当前,在相关政策及市场需求双重利好下,国产CPU发展取得了长足进步。在性能、安全、生态等维度,形成显著的优势。相关产品已在党政、金融、教育、能源等行业广泛应用,逐步从“可用”阶段走向“好用”阶段。
但在“芯芯向荣”背后,也存在一些隐忧,值得我们关注。
华为鲲鹏:基于ARM v8指令集架构授权,在非x86 架构芯片中,鲲鹏 920 具备领先优势。但如上文所述,ARM作为以贩卖知识产权为生的企业,通过版本授权方式,限制了受让企业的迭代权力。从现阶段形势来看,华为拿到ARM最新一代v9架构希望渺茫。在拿不到v9的现况下,其也无法通过自主研发,在旧的架构版本上实现新版本相关功能,否则被视为侵权。至此,华为持续迭代道路,尚不明朗……
飞腾:基于ARM v8指令集架构授权,飞腾现有服务器 CPU、桌面 CPU、嵌入式 CPU 三条产业线。基于PKS体系,在党政信创领域市占据可观份额。此前据业内人士对比,华为鲲鹏和飞腾虽然采用统一架构路线,但飞腾相较鲲鹏有较明显的安全优势。
同样,依赖ARM架构,未获得ARMv9授权的飞腾,与华为鲲鹏陷入相同困境。在v8架构下持续探索,无疑会逐渐丧失技术、产品竞争力,或无缘芯片头部玩家的赛道。
另外,有一点值得注意,可能因为架构局限性,基于ARMv8的CPU单核似乎都很难提高,龙芯、海光、申威的CPU单核性能都全面超过这些ARM处理器。
海光:除x86指令集的永久授权,海光还从AMD拿到了ZEN1架构的完全授权,可在此基础上进行优化升级、修改加工。产品性能起点较高,受益于x86完备的生态体系,具备较高的应用兼容性。在无Zen后续架构授权下,海光已完成三代产品研发。其中,海光3号综合性能已近乎追平ZEN3水平,充分验证其已完成引进、消化吸收、再创新,迭代发展速度实在可观。
虽然在路线、性能、迭代等方面表现的都不错,但是为满足市场的最新需求,跻身国际高端芯片第一梯队,海光还有一段比较长的路要走。
兆芯:基于x86架构,兆芯掌握中央处理器、图形处理器、芯片组三大核心技术。具备相关IP自主设计研发的能力,已成功研发并量产多款通用处理器产品,形成PC/嵌入式处理器“开先”、服务器处理器“开胜”、IO拓展芯片/芯片组三大产品系列,产品性能不断提升。
不过,如前文所述,其x86架构授权已于2018年到期,后续没有再签订相关协议,可能会存在一定法律风险。
龙芯:基于MIPS架构,龙芯自主研发LoongISA指令系统,面向高端嵌入式、个人电脑、服务器和高性能机等应用。得益于国家扶持,在特定应用场景得到了一定规模化应用。
不过,其现有软件生态尚不完善,与 x86、ARM生态差距较大,后续商用市场拓展也因此受阻。
申威:基于 Alpha 架构为基础进行拓展,申威研发了SW-64指令集,并形成一系列丰富产品。在保障特种领域应用和国家战略任务的前提下,随着其产品技术的日益成熟,其生态也不断完善。因特殊性,未实现商业化应用,在特定市场保持较高占有率高。
综上所述,国产六大CPU玩家,各具优势的同时,也各有忧虑。在科技创新的顶层战略长期驱动下,国产CPU厂商任重道远。只有迈过研发、迭代、生态、安全重重关卡,才有能力在长期竞争中脱颖而出。
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