首頁 > 基礎設施 > 正文

全面分析6大國產CPU處理器

2020-06-19 11:22:40  來源:宋志敏

摘要:CPU作為計算機設備的運算和控制核心,負責指令讀取、譯碼與執行,因研發門檻高、生態構建難,被認為是集成電路產業中 的“珠穆朗瑪峰”。
關鍵詞: CPU處理器
       CPU作為計算機設備的運算和控制核心,負責指令讀取、譯碼與執行,因研發門檻高、生態構建難,被認為是集成電路產業中 的“珠穆朗瑪峰”。縱觀全球,Intel、AMD兩大巨頭領跑通用CPU(桌面與服務器CPU)市場;國內,國產CPU正處于奮力追趕的關鍵時期 ,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CPU的發展歷程與當前產業鏈各 領軍企業的布局情況作詳盡解讀,具體如下:

 

1、國產CPU發展歷程回溯

2、飛騰:PK生態的主導者

3、鯤鵬:快速崛起的領導者

4、海光:性能領先的實干者

5、龍芯:完全自主的引 領者

6、兆芯:合資CPU的探路者

7、申威:為超算而生的強者

 

一、國產CPU發展歷程回溯

回溯中國的國產CPU發展歷程,可分為三個階段:

 

\

 

  •        起步:上世紀50-70年代。1956年,半導體科技被列為國家新技術四大緊急措施之一。此后,中科院計算所、109廠、半導體所先后成立 ,鍺晶體管、硅平面晶體管、集成電路等半導體器件相繼實現突破,為109乙機、109丙機、156機的誕生分別提供了基礎。1975年,伴隨 大規模集成電路技術的興起,我國第一臺集成電路百萬次計算機013機研制成功。這一時期獨立自主的產業發展為我國CPU事業打下了堅實基礎。

 

  •        轉折:上世紀80-90年代。1985年,中科院計算所、半導體所有關研制大規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,產業完全市場化但自主性不足。

 

  •        提速:21世紀初至今。從“十五”開始,國產CPU自主性的問題再度提上議程,產業政策不斷加 碼。泰山計劃、863計劃等催生了一批國產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,我國發布《國家集成電路產業發展推動綱要》,國家集成電路產業投資基金(簡稱 國家大基金)第1期成立,主要投資集成電路制造企業。2019年,國家大基金第2期成立,主要投資應用端。

 

在經歷數十年的艱辛探索后,目前,國產CPU產業已初具規模, 涌現出一批領軍企業。我們根據CPU指令集體系進行分類:

 

  •        1)復雜指令集(CISC)下,以X86架構為主,國內代表廠商包括海光、兆芯;

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

 

\

 

二、飛騰:PK生態的主導者

飛騰CPU由國防科技大學研究團隊創 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CPU企業,是聚焦國家戰略需求和重大項目的CPU國家隊。在以 往信創項目中具有較強的實戰經驗。曾先后嘗試X86、Epic、SPARC、ARM四個指令集,并以SPARC開源代碼為基礎設計了FT-1000、FT-1000A、FT-1500等CPU。之后出于生態考慮,獲得了ARM指令集授權,集成全自主處理器內核,形成了覆蓋桌面、服務器和嵌入式等領域的完整產品線。

 

在生態建設上,飛騰作為獨立的芯片供應商,只提供芯片,秉承開放策略,與所有整機廠商都是對等的開放合作的關系,且全棧各層次生態伙伴眾多,用戶有更多選擇,供應鏈安全性有保障。

\


\

服務器CPU:FT-2000+/64于2017年發布,集成64個FTC662處理器 內核,16nm工藝,主頻2.0-2.3GHz,主要應用于高性能服務器領域,性能與Intel Xeon E5-2695V3系列相當。在ARM v8指令集兼容的產品中,FT-2000+/64在單核計算能力、單芯片并行性能、單芯片cache一致性規模等指標上處于先進水平。

 

2019年5月,基于FT-2000+/64的服務器產品群在福州數字中國峰會上發布。芯片能效(性能功耗比)方面,與其他芯片相比飛騰優勢明顯;數據庫等應用的實測性能對比其他一些國產芯片也相對占優。
\
\

桌面CPU:2019年,飛騰發布FT-2000/4,整體性能與Intel Core I5系列相當。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,FT-2000/4已和國產銀河麒麟操作系統完成適配工作,包括聯想、長城等整機廠商正在開展終端和板卡研制。

 

生態健全完善,融合移動生態。飛騰與國內1000余家軟硬件廠商構建起了國內最完善最龐大的生態體系,僅2019年就新開案板卡設計430余款,已與千 余家軟件進行了適配和應用。此外,飛騰兼容安卓生態,在飛騰臺式機上可以運行200萬級安卓應用,極大拓展了飛騰生態。

 

具備系統級的安全可信:飛騰是唯一一個完整定義并實現了安全處理器平臺架構規 范的芯片廠商,考慮了密碼加速引擎、密鑰管理、可信啟動、可信執行環境、安全存儲、固件管理、量產注入、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安全短板,提升處理器的安全性。

 

PK體系賦能信息技術應用創新。飛騰CPU積極參與CEC(中國電子集團)主導的PK(即 飛騰Phytium CPU和麒麟Kylin操作系統)體系建設,打造安全可靠的中國計算機軟硬件基礎體系國家隊。

 

三、鯤鵬:快速崛起的領導者

 

鯤鵬是華為計算產業的主力芯片之一。為滿足新算力需求,華為 圍繞“鯤鵬+昇騰”構筑雙算力引擎,打造算、存、傳、管、智五個子系統的芯片族,實現了計算芯片的全面自研。鯤鵬系列包括服務器 和PC處理器。近年來,華為先后推出Hi1610、Hi1612、Hi1616等服務器CPU產品,不斷實現主頻與核數的提升,并最終開發出當下的旗艦 產品鯤鵬920與鯤鵬920s,分別用于服務器和PC機。

 

\

 

鯤鵬具備“端邊云算力同構”的優勢。鯤鵬CPU基于ARM V8架構,處理 器核、微架構和芯片均由華為自主研發設計。市場上目前存在超過500萬基于ARM指令集的安卓應用,與ARM服務器天然兼容,無需移植即 可直接運行,且運行過程中無指令翻譯環節,性能無損失,相比X86異構最高能夠提升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服務器和華為云服務。鯤鵬920采用7nm制造工藝。規格方面,支持64內核,主頻可達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、強性能,在典型主頻下,SPECint Benchmark評分超過930,超出業界標桿25%;同時,能效比優于業界標桿30%。

 

\

 

鯤鵬生態蓬勃發展。華為堅持硬件開放、軟件開源,使能合作伙伴,推動鯤鵬計算產業發展。目前,已有超過12家整機廠商基于鯤鵬主板推出自有品牌的服務器及PC產品,華為還與產業伙伴聯合成立了至少15個鯤鵬生態創新中心。作為鯤鵬計算產業底座的鯤鵬處理器,華為將秉承量產一代、研發一代、規劃一代的演進節奏,落實長期投入、全面布局,后向兼容和持續演進的戰略,高效滿足市場需求。

 

\

 

不過 ,華為由于是垂直整合型企業,其業務覆蓋了從芯片、整機、操作系統、云、軟件、集成、銷售、服務等各個環節,市場上具有極強的排他性。雖然其在近期國產基礎軟硬件市場上表達了與其他廠商開放合作的態度,但依然不會單賣芯片,只賣整機和主板,希望其他廠商拿現成的解決方案幫助其開拓市場。這種方式下,下游集成商和整機廠商的利潤空間非常狹窄,且發展權受限。
 

四、海光:性能領先的實干者

海光芯片性能領先,中科曙光為重要股東。海光信息技術有限公司是國內高性能計算機龍頭中科曙光的參股子公司。2014年,在天津注冊成立;后歷經數次股權變更,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,受讓后合計持有海光信息36.44%股權,為海光信息第一大股東。

 

2016年,海光信息同AMD達成合作,共同合資成立兩家子公司,引入X86架構授權。其中,成都海光微電子技術有限公司擁有授權IP所有權,并負責芯片生產,成都海光集成電路設計有限公司負責芯片設計及銷售工作。基于AMD提供的Zen1架構,海光開發出8核心桌面版CPU Dhyana、32核心服務器版CPU Dhyana Plus。

 

\

 

海光信息扭虧為盈,協同效應明顯。2018年下半年,海光CPU實現量產,并陸續投入商用,主要客戶為國內服務器整機廠商。2019年,海光實現營收3.90億元 ,凈利潤為0.60億元,首次扭虧為盈,體現出與中科曙光等廠商的協同效應明顯。一方面,中科曙光擁有優質客戶資源、良好銷售渠道;另一方面,海光CPU滿足國產化需求,將受益于以“中國芯”為底座的IT產業崛起。

 

\

 

\

 

近期,中國電信發布服務器(2020年)集中采購項目貨物招標集中資格預審公告,公告顯示,H系列服務器共集采11185臺,CPU類型為鯤鵬 920系列處理器或海光Dhyana系列處理器,標志著國產CPU已在技術復雜度較高的運營商市場實現了規模化的產業落地。

 

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

 

五、龍芯:完全自主的引領者

        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,龍芯中科技術有限公司正式成立,開始產業化運作。但龍芯基本上是民營企業,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(上海鼎暉華蘊等)41.18%。

\

龍芯堅持 走自主創新與生態建設之路。龍芯走市場帶動技術的道路,通過體制內市場引導,帶動技術進步,再參與體制外市場競爭。基于MIPS架構,龍芯形成了自主指令集LoongISA,處理器核心的微結構和物理設計全部自主研發,并取得了500多項專利。龍芯學習Intel +Google +Apple的商業和技術模式,打造從端到云開放的全產業鏈生態體系,實現OS的跨平臺兼容。

 

目前,龍芯共有三個產品系列定位。3號大CPU面向桌面/服務器類應用,定位Intel酷睿/至強系 列;2號中CPU面向工控和終端類應用,定位Intel阿童木系列;1號小CPU面向特定應用與需求,曾用于北斗衛星、石油勘探、智能設備( 門鎖、水表、電表)等方面,實現“上天入地,守衛國門,保護家門”。

 

\

 

龍芯通用CPU在迭代中發展:

  •        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、整機廠商品類多、國產化橋片方案等特點。目前,累計出貨超過30 萬顆,是此前信創工程上份額最大的通用CPU。

 

\

 

\

 

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

 

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

 

需要關注的是龍芯不支持移動生態,在移動生態方面劣勢相對較大。從龍芯國產生態體系分析,支持龍芯的整機相對較少,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和臺灣威盛電子合資成立。公司基于X86架構,成功研發并量產多代通用CPU,形成“開先”、“開勝”兩大產品系列,實現了“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”等多方面的發展與創新,具備自主演進發展的能力和條件。

 

\

 

主力產品性能較好。2019年6月,兆芯在上海正式發布新一代16nm X86處理器產品——開先KX-6000和開勝KH-30000。新一代兆芯處理器是首款主頻達到3.0GHz的國產通用處理器,支持雙通道DDR4-3200內存,采用SoC設計,包含CPU、GPU和芯片組,芯片集成度進一步增強,性能功耗比上一代產品提升3倍。

 

KX-6000適配win7、win10等主流操作系統,SPEC 2006 INT RATE成績為170分,單芯片性能已經達到7代i5的同等水平,應用體驗大幅提升。

 

\

 

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,專門面向高性能服務器產品市場。此外,兆芯已著手7nm以下工藝產品的定義和研發工作,作為開先KX-7000系列,延續SoC設計方案,在內存、USB、PCIe等規范方面將瞄準國際同期主流水準。

 

兆芯生態具有優勢。兆芯在實現技術創新與產品進步的同時,始終保持開放合作,最大化兼容X86生態的優勢。兆芯CPU廣泛應用于電腦整機、筆記本、一體機、服務器和嵌入式計算平臺等,能夠為黨政辦公、金融、教育、交通、網絡安全、能源等行業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和投資有限公司和威盛集團所屬公司合資成立,中方國資占控 股地位)獲得 X86 架構授權, 存在著一些“不可控”的因素,因為其技術來源始終是受制于合資的威盛(VIA), 而威盛(VIA)與英 特爾 X86 授權協議于 2018 年 4 月到期,威盛已經無法在使用英特爾新的 X86 專利及相關軟件,兆芯未來的 X86 產品升級將因此而可能遇阻;此外,兆芯一直在引進的 X86 源代碼和微結構基礎上改進優化工作,存在因源代碼研究不夠透徹導致后門無法完全發現的風險 。

 

七、申威:為超算而生的強者 

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,并進行了指令集擴展和微結構自主創新,成功應用在國產超級計算機中。

 

在探索中迭代發展。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,分別用于服務器和PC。申威現已形成高性能計算CPU、服務器/桌面CPU、嵌入式CPU三個系列產品線。

 

\

 

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2.2-2.5GHz和2.8-3.0GHz,綜合性能將分別達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、大數據領域,綜合性能預計為同期英特爾主流服務器CPU的60%-70%。

 

申威信息安全產業聯盟應運而生。目前已有包括上海高性能集成電路中心、中國儀器進出口(集團)公司 、中電科技(北京)有限公司等在內的50多家成員,覆蓋芯片設計、基礎軟件、工業控制、整機及方案、定制服務等多個行業領域。2020年3月,統信UOS也已完成對申威421系列、1621系列機型的適配。

 

\

 

結語:CPU國產化大潮起,群雄正逐鹿中原。CPU作為ICT產業的核心基礎元器件,是國家發展的一大“命門”。目前,在國際環境、產業政策、市場需求的聯合驅動下,一大批國產CPU廠商奮楫前行,在工藝、性能、生態建設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,并在“好用”的市場化道路上越走越遠。

 
 

第三十屆CIO班招生
法國布雷斯特商學院碩士班招生
北達軟EXIN網絡空間與IT安全基礎認證培訓
北達軟EXIN DevOps Professional認證培訓
責編:yangjun
日本高清在线视频精品视频