全面分析6大國產(chǎn)CPU處理器

CPU作為計算機(jī)設(shè)備的運算和控制核心，負(fù)責(zé)指令讀取、譯碼與執(zhí)行，因研發(fā)門檻高、生態(tài)構(gòu)建難，被認(rèn)為是集成電路產(chǎn)業(yè)中的“珠穆朗瑪峰”?？v觀全球，Intel、AMD兩大巨頭領(lǐng)跑通用CPU（桌面與服務(wù)器CPU）市場；國內(nèi)，國產(chǎn)CPU正處于奮力追趕的關(guān)鍵時期，以飛騰、鯤鵬、海光、龍芯、兆芯、申威等為代表的廠商正全力打造“中國芯”。本文將重點圍繞國產(chǎn)CPU的發(fā)展歷程與當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈各領(lǐng)軍企業(yè)的布局情況作詳盡解讀，具體如下：

1、國產(chǎn)CPU發(fā)展歷程回溯

2、飛騰：PK生態(tài)的主導(dǎo)者

3、鯤鵬：快速崛起的領(lǐng)導(dǎo)者

4、海光：性能領(lǐng)先的實干者

5、龍芯：完全自主的引領(lǐng)者

6、兆芯：合資CPU的探路者

7、申威：為超算而生的強(qiáng)者

一、國產(chǎn)CPU發(fā)展歷程回溯

回溯中國的國產(chǎn)CPU發(fā)展歷程，可分為三個階段：

• 起步：上世紀(jì)50-70年代。1956年，半導(dǎo)體科技被列為國家新技術(shù)四大緊急措施之一。此后，中科院計算所、109廠、半導(dǎo)體所先后成立，鍺晶體管、硅平面晶體管、集成電路等半導(dǎo)體器件相繼實現(xiàn)突破，為109乙機(jī)、109丙機(jī)、156機(jī)的誕生分別提供了基礎(chǔ)。1975年，伴隨大規(guī)模集成電路技術(shù)的興起，我國第一臺集成電路百萬次計算機(jī)013機(jī)研制成功。這一時期獨立自主的產(chǎn)業(yè)發(fā)展為我國CPU事業(yè)打下了堅實基礎(chǔ)。

• 轉(zhuǎn)折：上世紀(jì)80-90年代。1985年，中科院計算所、半導(dǎo)體所有關(guān)研制大規(guī)模集成電路的單位和109廠合并，成立中科院微電子中心。但這一時期，由于政策支持力度有所減弱等原因，產(chǎn)業(yè)完全市場化但自主性不足。

• 提速：21世紀(jì)初至今。從“十五”開始，國產(chǎn)CPU自主性的問題再度提上議程，產(chǎn)業(yè)政策不斷加碼。泰山計劃、863計劃等催生了一批國產(chǎn)CPU品牌，2002年，我國首款通用CPU——龍芯1號（代號X1A50）流片成功。2006年，“核高基”重大專項推出，“高”即為高端通用CPU。2014年，我國發(fā)布《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動綱要》，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金（簡稱國家大基金）第1期成立，主要投資集成電路制造企業(yè)。2019年，國家大基金第2期成立，主要投資應(yīng)用端。

在經(jīng)歷數(shù)十年的艱辛探索后，目前，國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，涌現(xiàn)出一批領(lǐng)軍企業(yè)。我們根據(jù)CPU指令集體系進(jìn)行分類：

• 1）復(fù)雜指令集（CISC）下，以X86架構(gòu)為主，國內(nèi)代表廠商包括海光、兆芯；

• 2）精簡指令集（RISC）下，涉及ARM架構(gòu)、MIPS架構(gòu)、Alpha架構(gòu)等，國內(nèi)代表廠商包括鯤鵬（ARM）、飛騰（ARM）、龍芯（MIPS）、申威（Alpha）等。

二、飛騰：PK生態(tài)的主導(dǎo)者

飛騰CPU由國防科技大學(xué)研究團(tuán)隊創(chuàng)造，起步于1999年。目前是國資比例最高（CEC通過中國長城控股）的國產(chǎn)CPU企業(yè)，是聚焦國家戰(zhàn)略需求和重大項目的CPU國家隊。在以往信創(chuàng)項目中具有較強(qiáng)的實戰(zhàn)經(jīng)驗。曾先后嘗試X86、Epic、SPARC、ARM四個指令集，并以SPARC開源代碼為基礎(chǔ)設(shè)計了FT-1000、FT-1000A、FT-1500等CPU。之后出于生態(tài)考慮，獲得了ARM指令集授權(quán)，集成全自主處理器內(nèi)核，形成了覆蓋桌面、服務(wù)器和嵌入式等領(lǐng)域的完整產(chǎn)品線。

在生態(tài)建設(shè)上，飛騰作為獨立的芯片供應(yīng)商，只提供芯片，秉承開放策略，與所有整機(jī)廠商都是對等的開放合作的關(guān)系，且全棧各層次生態(tài)伙伴眾多，用戶有更多選擇，供應(yīng)鏈安全性有保障。

服務(wù)器CPU：FT-2000+/64于2017年發(fā)布，集成64個FTC662處理器內(nèi)核，16nm工藝，主頻2.0-2.3GHz，主要應(yīng)用于高性能服務(wù)器領(lǐng)域，性能與Intel Xeon E5-2695V3系列相當(dāng)。在ARM v8指令集兼容的產(chǎn)品中，F(xiàn)T-2000+/64在單核計算能力、單芯片并行性能、單芯片cache一致性規(guī)模等指標(biāo)上處于先進(jìn)水平。

2019年5月，基于FT-2000+/64的服務(wù)器產(chǎn)品群在福州數(shù)字中國峰會上發(fā)布。芯片能效（性能功耗比）方面，與其他芯片相比飛騰優(yōu)勢明顯；數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用的實測性能對比其他一些國產(chǎn)芯片也相對占優(yōu)。

桌面CPU：2019年，飛騰發(fā)布FT-2000/4，整體性能與Intel Core I5系列相當(dāng)。FT-2000/4集成4個FTC663處理器核，16nm制程，主頻2.6-3.0GHz。

在SPEC 2006測試中，全芯片實測整數(shù)計算得分61.1，浮點計算得分62.5，相比上一代的FT-1500A/4提升近1倍，訪存帶寬提升3倍。目前，F(xiàn)T-2000/4已和國產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)完成適配工作，包括聯(lián)想、長城等整機(jī)廠商正在開展終端和板卡研制。

生態(tài)健全完善，融合移動生態(tài)。飛騰與國內(nèi)1000余家軟硬件廠商構(gòu)建起了國內(nèi)最完善最龐大的生態(tài)體系，僅2019年就新開案板卡設(shè)計430余款，已與千余家軟件進(jìn)行了適配和應(yīng)用。此外，飛騰兼容安卓生態(tài)，在飛騰臺式機(jī)上可以運行200萬級安卓應(yīng)用，極大拓展了飛騰生態(tài)。

具備系統(tǒng)級的安全可信：飛騰是唯一一個完整定義并實現(xiàn)了安全處理器平臺架構(gòu)規(guī)范的芯片廠商，考慮了密碼加速引擎、密鑰管理、可信啟動、可信執(zhí)行環(huán)境、安全存儲、固件管理、量產(chǎn)注入、生命周期管理、抗物理攻擊及硬件漏洞免疫等完整的安全要素，可以有效防止處理器出現(xiàn)安全短板，提升處理器的安全性。

PK體系賦能信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新。飛騰CPU積極參與CEC（中國電子集團(tuán)）主導(dǎo)的PK（即飛騰Phytium CPU和麒麟Kylin操作系統(tǒng)）體系建設(shè)，打造安全可靠的中國計算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)體系國家隊。

三、鯤鵬：快速崛起的領(lǐng)導(dǎo)者

鯤鵬是華為計算產(chǎn)業(yè)的主力芯片之一。為滿足新算力需求，華為圍繞“鯤鵬+昇騰”構(gòu)筑雙算力引擎，打造算、存、傳、管、智五個子系統(tǒng)的芯片族，實現(xiàn)了計算芯片的全面自研。鯤鵬系列包括服務(wù)器和PC處理器。近年來，華為先后推出Hi1610、Hi1612、Hi1616等服務(wù)器CPU產(chǎn)品，不斷實現(xiàn)主頻與核數(shù)的提升，并最終開發(fā)出當(dāng)下的旗艦產(chǎn)品鯤鵬920與鯤鵬920s，分別用于服務(wù)器和PC機(jī)。

鯤鵬具備“端邊云算力同構(gòu)”的優(yōu)勢。鯤鵬CPU基于ARM V8架構(gòu)，處理器核、微架構(gòu)和芯片均由華為自主研發(fā)設(shè)計。市場上目前存在超過500萬基于ARM指令集的安卓應(yīng)用，與ARM服務(wù)器天然兼容，無需移植即可直接運行，且運行過程中無指令翻譯環(huán)節(jié)，性能無損失，相比X86異構(gòu)最高能夠提升3倍性能。

2019年1月，華為宣布推出鯤鵬920，以及基于鯤鵬920的TaiShan服務(wù)器和華為云服務(wù)。鯤鵬920采用7nm制造工藝。規(guī)格方面，支持64內(nèi)核，主頻可達(dá)2.6GHz，集成8通道DDR4，支持PCIe4.0及CCIX接口，可提供640Gbps總帶寬。鯤鵬920主打低功耗、強(qiáng)性能，在典型主頻下，SPECint Benchmark評分超過930，超出業(yè)界標(biāo)桿25%；同時，能效比優(yōu)于業(yè)界標(biāo)桿30%。

鯤鵬生態(tài)蓬勃發(fā)展。華為堅持硬件開放、軟件開源，使能合作伙伴，推動鯤鵬計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，已有超過12家整機(jī)廠商基于鯤鵬主板推出自有品牌的服務(wù)器及PC產(chǎn)品，華為還與產(chǎn)業(yè)伙伴聯(lián)合成立了至少15個鯤鵬生態(tài)創(chuàng)新中心。作為鯤鵬計算產(chǎn)業(yè)底座的鯤鵬處理器，華為將秉承量產(chǎn)一代、研發(fā)一代、規(guī)劃一代的演進(jìn)節(jié)奏，落實長期投入、全面布局，后向兼容和持續(xù)演進(jìn)的戰(zhàn)略，高效滿足市場需求。

不過，華為由于是垂直整合型企業(yè)，其業(yè)務(wù)覆蓋了從芯片、整機(jī)、操作系統(tǒng)、云、軟件、集成、銷售、服務(wù)等各個環(huán)節(jié)，市場上具有極強(qiáng)的排他性。雖然其在近期國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件市場上表達(dá)了與其他廠商開放合作的態(tài)度，但依然不會單賣芯片，只賣整機(jī)和主板，希望其他廠商拿現(xiàn)成的解決方案幫助其開拓市場。這種方式下，下游集成商和整機(jī)廠商的利潤空間非常狹窄，且發(fā)展權(quán)受限。

四、海光：性能領(lǐng)先的實干者

海光芯片性能領(lǐng)先，中科曙光為重要股東。海光信息技術(shù)有限公司是國內(nèi)高性能計算機(jī)龍頭中科曙光的參股子公司。2014年，在天津注冊成立；后歷經(jīng)數(shù)次股權(quán)變更，2018年10月，中科曙光以5.5元/股受讓海光信息1.948億股股權(quán)，受讓后合計持有海光信息36.44%股權(quán)，為海光信息第一大股東。

2016年，海光信息同AMD達(dá)成合作，共同合資成立兩家子公司，引入X86架構(gòu)授權(quán)。其中，成都海光微電子技術(shù)有限公司擁有授權(quán)IP所有權(quán)，并負(fù)責(zé)芯片生產(chǎn)，成都海光集成電路設(shè)計有限公司負(fù)責(zé)芯片設(shè)計及銷售工作。基于AMD提供的Zen1架構(gòu)，海光開發(fā)出8核心桌面版CPU Dhyana、32核心服務(wù)器版CPU Dhyana Plus。

海光信息扭虧為盈，協(xié)同效應(yīng)明顯。2018年下半年，海光CPU實現(xiàn)量產(chǎn)，并陸續(xù)投入商用，主要客戶為國內(nèi)服務(wù)器整機(jī)廠商。2019年，海光實現(xiàn)營收3.90億元，凈利潤為0.60億元，首次扭虧為盈，體現(xiàn)出與中科曙光等廠商的協(xié)同效應(yīng)明顯。一方面，中科曙光擁有優(yōu)質(zhì)客戶資源、良好銷售渠道；另一方面，海光CPU滿足國產(chǎn)化需求，將受益于以“中國芯”為底座的IT產(chǎn)業(yè)崛起。

近期，中國電信發(fā)布服務(wù)器（2020年）集中采購項目貨物招標(biāo)集中資格預(yù)審公告，公告顯示，H系列服務(wù)器共集采11185臺，CPU類型為鯤鵬 920系列處理器或海光Dhyana系列處理器，標(biāo)志著國產(chǎn)CPU已在技術(shù)復(fù)雜度較高的運營商市場實現(xiàn)了規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)落地。

不過，海光的技術(shù)來源一致困擾受制于合資的外資公司（AMD 占股51%），往往易受到質(zhì)疑。而且技術(shù)的后續(xù)升級也可能存在一定難度（AMD只授權(quán)了上一代架構(gòu) Zen）。另外，海光不支持移動生態(tài)，在移動生態(tài)方面劣勢較大。

五、龍芯：完全自主的引領(lǐng)者

龍芯是我國最早研制的高性能通用CPU系列。2001年，龍芯起步于中科院計算所，曾得到863、973、核高基等項目的支持，先后成功流片我國首款通用CPU龍芯1號、首款64位通用CPU龍芯2B、首款主頻超過1GHz的通用CPU龍芯2E、首款四核CPU龍芯3A等，完成底層核心技術(shù)的積累。

2010年，中科院、北京市政府共同牽頭出資，龍芯中科技術(shù)有限公司正式成立，開始產(chǎn)業(yè)化運作。但龍芯基本上是民營企業(yè)，其目前的注冊資本2.499億元，有八個股東，其中中科院計算所（國資）25.21%，北京天童芯源科技公司（胡偉武個人投資260萬元，占47.54%；其他股份為早期高管所有）25.21%，龍芯員工持股平臺8.4%,其他5個股東是民間資本（上海鼎暉華蘊(yùn)等）41.18%。

龍芯堅持走自主創(chuàng)新與生態(tài)建設(shè)之路。龍芯走市場帶動技術(shù)的道路，通過體制內(nèi)市場引導(dǎo)，帶動技術(shù)進(jìn)步，再參與體制外市場競爭。基于MIPS架構(gòu)，龍芯形成了自主指令集LoongISA，處理器核心的微結(jié)構(gòu)和物理設(shè)計全部自主研發(fā)，并取得了500多項專利。龍芯學(xué)習(xí)Intel +Google +Apple的商業(yè)和技術(shù)模式，打造從端到云開放的全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)體系，實現(xiàn)OS的跨平臺兼容。

目前，龍芯共有三個產(chǎn)品系列定位。3號大CPU面向桌面/服務(wù)器類應(yīng)用，定位Intel酷睿/至強(qiáng)系列；2號中CPU面向工控和終端類應(yīng)用，定位Intel阿童木系列；1號小CPU面向特定應(yīng)用與需求，曾用于北斗衛(wèi)星、石油勘探、智能設(shè)備（門鎖、水表、電表）等方面，實現(xiàn)“上天入地，守衛(wèi)國門，保護(hù)家門”。

龍芯通用CPU在迭代中發(fā)展：

• 第一代，基本可用。3A1000、3B1500單核性能較低，SPEC CPU2006測試分值僅2-3分，打開20M文檔需要33秒，用戶體驗一般。

• 第二代，可用。3A/B3000四核處理器采用28nm工藝，主頻1.35-1.5GHz，單核性能達(dá)到10-11分，超過凌動系列，打開20M文檔僅需6秒。具有安全自主程度高、整機(jī)廠商品類多、國產(chǎn)化橋片方案等特點。目前，累計出貨超過30萬顆，是此前信創(chuàng)工程上份額最大的通用CPU。

• 第三代，好用。2019年12月發(fā)布的3A/B4000四核處理器實現(xiàn)相同工藝下性能提升一倍，主頻1.8-2.0GHz，單核性能達(dá)到20-30分，達(dá)到AMD 28nm工藝最后產(chǎn)品“挖掘機(jī)”的水平，可秒開20M文檔。

• 未來，提高主頻和核數(shù)。3A5000四核桌面CPU將采用12nm工藝，單核性能爭取達(dá)25-30分，與3A4000兼容，可原位替換，預(yù)計2020年二季度流片；3C5000十六核服務(wù)器CPU同樣采用12nm工藝，支持4-16路服務(wù)器，預(yù)計2020年三季度流片。

需要關(guān)注的是龍芯不支持移動生態(tài)，在移動生態(tài)方面劣勢相對較大。從龍芯國產(chǎn)生態(tài)體系分析，支持龍芯的整機(jī)相對較少，目前只有5家左右。而由于其芯片虛擬化能力相對不足，導(dǎo)致支持的云平臺廠家較少。

六、兆芯：合資CPU的探路者

兆芯系列CPU由上海兆芯集成電路有限公司推出。公司成立于2013年，由上海市國資委下屬企業(yè)和臺灣威盛電子合資成立。公司基于X86架構(gòu)，成功研發(fā)并量產(chǎn)多代通用CPU，形成“開先”、“開勝”兩大產(chǎn)品系列，實現(xiàn)了“從雙核心到八核心”、“從1.6GHz到3.0GHz”、“從處理器+芯片組方案到SoC單芯片方案”等多方面的發(fā)展與創(chuàng)新，具備自主演進(jìn)發(fā)展的能力和條件。

主力產(chǎn)品性能較好。2019年6月，兆芯在上海正式發(fā)布新一代16nm X86處理器產(chǎn)品——開先KX-6000和開勝KH-30000。新一代兆芯處理器是首款主頻達(dá)到3.0GHz的國產(chǎn)通用處理器，支持雙通道DDR4-3200內(nèi)存，采用SoC設(shè)計，包含CPU、GPU和芯片組，芯片集成度進(jìn)一步增強(qiáng)，性能功耗比上一代產(chǎn)品提升3倍。

KX-6000適配win7、win10等主流操作系統(tǒng)，SPEC 2006 INT RATE成績?yōu)?70分，單芯片性能已經(jīng)達(dá)到7代i5的同等水平，應(yīng)用體驗大幅提升。

積極開展前瞻研究。兆芯計劃于2021年推出開勝KH-40000系列CPU，基于16nm工藝，32核心且支持雙路互聯(lián)，專門面向高性能服務(wù)器產(chǎn)品市場。此外，兆芯已著手7nm以下工藝產(chǎn)品的定義和研發(fā)工作，作為開先KX-7000系列，延續(xù)SoC設(shè)計方案，在內(nèi)存、USB、PCIe等規(guī)范方面將瞄準(zhǔn)國際同期主流水準(zhǔn)。

兆芯生態(tài)具有優(yōu)勢。兆芯在實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品進(jìn)步的同時，始終保持開放合作，最大化兼容X86生態(tài)的優(yōu)勢。兆芯CPU廣泛應(yīng)用于電腦整機(jī)、筆記本、一體機(jī)、服務(wù)器和嵌入式計算平臺等，能夠為黨政辦公、金融、教育、交通、網(wǎng)絡(luò)安全、能源等行業(yè)提供可靠的解決方案。

兆芯的劣勢。兆芯通過合資公司（由上海市國資委下屬上海聯(lián)和投資有限公司和威盛集團(tuán)所屬公司合資成立，中方國資占控股地位）獲得 X86 架構(gòu)授權(quán)， 存在著一些“不可控”的因素，因為其技術(shù)來源始終是受制于合資的威盛（VIA）， 而威盛（VIA）與英特爾 X86 授權(quán)協(xié)議于 2018 年 4 月到期，威盛已經(jīng)無法在使用英特爾新的 X86 專利及相關(guān)軟件，兆芯未來的 X86 產(chǎn)品升級將因此而可能遇阻；此外，兆芯一直在引進(jìn)的 X86 源代碼和微結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)優(yōu)化工作，存在因源代碼研究不夠透徹導(dǎo)致后門無法完全發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險。

七、申威：為超算而生的強(qiáng)者

申威CPU由上海高性能集成電路中心研制，基于DEC公司的Alpha架構(gòu)，并進(jìn)行了指令集擴(kuò)展和微結(jié)構(gòu)自主創(chuàng)新，成功應(yīng)用在國產(chǎn)超級計算機(jī)中。

在探索中迭代發(fā)展。2006年，申威1單核CPU研制成功，130nm工藝，主頻900MHz。2008年，申威2雙核CPU推出，同為130nm工藝，主頻1.4GHz。2010年，申威1600十六核CPU推出，65nm工藝，運用于神威藍(lán)光超算。2012年，申威1610、410相繼推出，均為40nm工藝、1.6GHz主頻，分別用于服務(wù)器和PC。申威現(xiàn)已形成高性能計算CPU、服務(wù)器/桌面CPU、嵌入式CPU三個系列產(chǎn)品線。

申威432、443、3232在研。申威432、443均為4核CPU，分別采用第四代、第五代申威核心，主頻將分別達(dá)2.2-2.5GHz和2.8-3.0GHz，綜合性能將分別達(dá)到同期國際主流桌面CPU的60%和80%。申威3232為32核CPU，主要面向云計算、大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，綜合性能預(yù)計為同期英特爾主流服務(wù)器CPU的60%-70%。

申威信息安全產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟應(yīng)運而生。目前已有包括上海高性能集成電路中心、中國儀器進(jìn)出口（集團(tuán)）公司、中電科技（北京）有限公司等在內(nèi)的50多家成員，覆蓋芯片設(shè)計、基礎(chǔ)軟件、工業(yè)控制、整機(jī)及方案、定制服務(wù)等多個行業(yè)領(lǐng)域。2020年3月，統(tǒng)信UOS也已完成對申威421系列、1621系列機(jī)型的適配。

結(jié)語：CPU國產(chǎn)化大潮起，群雄正逐鹿中原。CPU作為ICT產(chǎn)業(yè)的核心基礎(chǔ)元器件，是國家發(fā)展的一大“命門”。目前，在國際環(huán)境、產(chǎn)業(yè)政策、市場需求的聯(lián)合驅(qū)動下，一大批國產(chǎn)CPU廠商奮楫前行，在工藝、性能、生態(tài)建設(shè)等多個方面不斷取得突破，為CPU的自主可控、安全可信做出了貢獻(xiàn)，并在“好用”的市場化道路上越走越遠(yuǎn)。