CPU(中央處理器)是計算機系統(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)計單位成長起來,產(chǎn)品覆蓋了高性能計算、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

▲計算機結(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“泰山計劃”。雖然該計劃未能實現(xiàn)既定目標,但為國產(chǎn)CPU 的發(fā)展點燃了“星星之火”,這些火種演變成了現(xiàn)在國產(chǎn)CPU 設(shè)計的三支國家隊——飛騰、申威和龍芯。

除了“泰山計劃”外,科技部也在通過“863 計劃”對國產(chǎn)CPU 進行支持。

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)計企業(yè)如果從頭開始進入,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上的結(jié)盟(Wintel 體系),同時也在新的微內(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)短板逐步補齊

從拿到授權(quán)到設(shè)計出產(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。

總結(jié)

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