国产处理器架构及介绍
2021-03-04
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CPU作为计算机设备的运算和控制核心，负责指令读取、译码与执行，因研发门槛高、生态构建难，被认为是集成电路产业中的“珠穆朗玛峰”。纵观全球，Intel、AMD两大巨头领跑通用CPU（桌面与服务器CPU）市场；
目前，我国CPU市场主要以X86架构为主；INTEL和AMD两家公司基本垄断我国X86市场份额；国产芯片的开发和研制起步较晚；目前我国国产处理器芯片的主要参与者有：龙芯、飞腾、鲲鹏、兆芯、海光等。
回溯中国的国产CPU发展历程，可分为三个阶段:
起步：上世纪50-70年代。1956年，半导体科技被列为国家新技术四大紧急措施之一。此后，中科院计算所、109厂、半导体所先后成立，锗晶体管、硅平面晶体管、集成电路等半导体器件相继实现突破，为109乙机、109丙机、156机的诞生分别提供了基础。1975年，伴随大规模集成电路技术的兴起，我国第一台集成电路百万次计算机013机研制成功。这一时期独立自主的产业发展为我国CPU事业打下了坚实基础。
转折：上世纪80-90年代。1985年，中科院计算所、半导体所有关研制大规模集成电路的单位和109厂合并，成立中科院微电子中心。但这一时期，由于政策支持力度有所减弱等原因，产业完全市场化但自主性不足。
提速：21世纪初至今。从“十五”开始，国产CPU自主性的问题再度提上议程，产业政策不断加码。泰山计划、863计划等催生了一批国产CPU品牌，2002年，我国首款通用CPU——龙芯1号（代号X1A50）流片成功。2006年，“核高基”重大专项推出，“高”即为高端通用CPU。2014年，我国发布《国家集成电路产业发展推动纲要》，国家集成电路产业投资基金（简称国家大基金）第1期成立，主要投资集成电路制造企业。2019年，国家大基金第2期成立，主要投资应用端。
在经历数十年的艰辛探索后，目前，国产CPU产业已初具规模，涌现出一批领军企业。我们根据CPU指令集体系进行分类：
龙芯：完全自主的引领者
龙芯坚持走自主创新与生态建设之路。龙芯走市场带动技术的道路，通过体制内市场引导，带动技术进步，再参与体制外市场竞争。基于MIPS架构，龙芯形成了自主指令集LoongISA，处理器核心的微结构和物理设计全部自主研发，并取得了500多项专利。龙芯学习Intel +Google +Apple的商业和技术模式，打造从端到云开放的全产业链生态体系，实现OS的跨平台兼容。
目前，龙芯共有三个产品系列定位。3号大CPU面向桌面/服务器类应用，定位Intel酷睿/至强系列；2号中CPU面向工控和终端类应用，定位Intel阿童木系列；1号小CPU面向特定应用与需求，曾用于北斗卫星、石油勘探、智能设备（门锁、水表、电表）等方面
龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用CPU，采用自主LoongISA指令系统，兼容MIPS指令 [1] 。2002年8月10日诞生的“龙芯一号”是我国首枚拥有自主知识产权的通用高性能微处理芯片 [2] 。龙芯从2001年至今共开发了1号、2号、3号三个系列处理器和龙芯桥片系列，在政企、安全、金融、能源等应用场景得到了广泛的应用。 [3-4] 龙芯1号系列为32位低功耗、低成本处理器，主要面向低端嵌入式和专用应用领域；龙芯2号系列为64位低功耗单核或双核 [5] 系列处理器，主要面向工控和终端等领域；龙芯3号系列为64位多核系列处理器, 主要面向桌面和服务器等领域，28nm工艺， 龙芯已获得MIPS永久授权。
飞腾：PK生态的主导者
2019年，飞腾发布FT-2000/4，整体性能与Intel Core I5系列相当。FT-2000/4集成4个FTC663处理器核，16nm制程，主频2.6-3.0GHz。在SPEC 2006测试中，全芯片实测整数计算得分61.1，浮点计算得分62.5，相比上一代的FT-1500A/4提升近1倍，访存带宽提升3倍。目前，FT-2000/4已和国产银河麒麟操作系统完成适配工作，包括联想、长城等整机厂商正在开展终端和板卡研制。
生态健全完善，融合移动生态。飞腾与国内1000余家软硬件厂商构建起了国内最完善最庞大的生态体系，仅2019年就新开案板卡设计430余款，已与千余家软件进行了适配和应用。此外，飞腾兼容安卓生态，在飞腾台式机上可以运行200万级安卓应用，极大拓展了飞腾生态。
具备系统级的安全可信：飞腾是唯一一个完整定义并实现了安全处理器平台架构规范的芯片厂商，考虑了密码加速引擎、密钥管理、可信启动、可信执行环境、安全存储、固件管理、量产注入、生命周期管理、抗物理攻击及硬件漏洞免疫等完整的安全要素，可以有效防止处理器出现安全短板，提升处理器的安全性。
PK体系赋能信息技术应用创新。飞腾CPU积极参与CEC（中国电子集团）主导的PK（即飞腾Phytium CPU和麒麟Kylin操作系统）体系建设，打造安全可靠的中国计算机软硬件基础体系国家队。
海光：性能领先的实干者
海光芯片性能领先，中科曙光为重要股东。海光信息技术有限公司是国内高性能计算机龙头中科曙光的参股子公司。2014年，在天津注册成立；后历经数次股权变更，2018年10月，中科曙光以5.5元/股受让海光信息1.948亿股股权，受让后合计持有海光信息36.44%股权，为海光信息第一大股东。2016年，海光信息同AMD达成合作，共同合资成立两家子公司，引入X86架构授权。其中，成都海光微电子技术有限公司拥有授权IP所有权，并负责芯片生产，成都海光集成电路设计有限公司负责芯片设计及销售工作。基于AMD提供的Zen1架构，海光开发出8核心桌面版CPU Dhyana、32核心服务器版CPU Dhyana Plus。
2018年下半年，海光CPU实现量产，并陆续投入商用，主要客户为国内服务器整机厂商。2019年，海光实现营收3.90亿元，净利润为0.60亿，首次扭亏为盈，体现出与中科曙光等厂商的协同效应明显。一方面，中科曙光拥有优质客户资源、良好销售渠道；另一方面，海光CPU满足国产化需求，将受益于以“中国芯”为底座的IT产业崛起。
鲲鹏：快速崛起的领导者
鲲鹏具备“端边云算力同构”的优势。鲲鹏CPU基于ARM V8架构，处理器核、微架构和芯片均由华为自主研发设计。市场上目前存在超过500万基于ARM指令集的安卓应用，与ARM服务器天然兼容，无需移植即可直接运行，且运行过程中无指令翻译环节，性能无损失，相比X86异构最高能够提升3倍性能。鲲鹏生态蓬勃发展。华为坚持硬件开放、软件开源，使能合作伙伴，推动鲲鹏计算产业发展。目前，已有超过12家整机厂商基于鲲鹏主板推出自有品牌的服务器及PC产品，华为还与产业伙伴联合成立了至少15个鲲鹏生态创新中心。作为鲲鹏计算产业底座的鲲鹏处理器，华为将秉承量产一代、研发一代、规划一代的演进节奏，落实长期投入、全面布局，后向兼容和持续演进的战略，高效满足市场需求。
兆芯：合资CPU的探路者
兆芯系列CPU由上海兆芯集成电路有限公司推出。公司成立于2013年，由上海市国资委下属企业和台湾威盛电子合资成立。公司基于X86架构，成功研发并量产多代通用CPU，形成“开先”、“开胜”两大产品系列，实现了“从双核心到八核心”、“从1.6GHz到3.0GHz”、“从处理器+芯片组方案到SoC单芯片方案”等多方面的发展与创新，具备自主演进发展的能力和条件。
积极开展前瞻研究。兆芯计划于2021年推出开胜KH-40000系列CPU，基于16nm工艺，32核心且支持双路互联，专门面向高性能服务器产品市场。此外，兆芯已着手7nm以下工艺产品的定义和研发工作，作为开先KX-7000系列，延续SoC设计方案，在内存、USB、PCIe等规范方面将瞄准国际同期主流水准。
兆芯生态具有优势。兆芯在实现技术创新与产品进步的同时，始终保持开放合作，最大化兼容X86生态的优势。兆芯CPU广泛应用于电脑整机、笔记本、一体机、服务器和嵌入式计算平台等，能够为党政办公、金融、教育、交通、网络安全、能源等行业提供可靠的解决方案。
结语：CPU国产化大潮起，群雄正逐鹿中原。CPU作为ICT产业的核心基础元器件，是国家发展的一大“命门”。目前，在国际环境、产业政策、市场需求的联合驱动下，一大批国产CPU厂商奋楫前行，在工艺、性能、生态建设等多个方面不断取得突破，为CPU的自主可控、安全可信做出了贡献，并在“好用”的市场化道路上越走越远。
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