信創(chuàng)從芯開始，CPU國產(chǎn)有多難

數(shù)字底座的“底座”——CPU，決定信創(chuàng)底層邏輯的關(guān)鍵。CPU 是信息產(chǎn)業(yè)中最基礎(chǔ)的核心部件，指令集是計算機(jī)程序執(zhí)行的基礎(chǔ)單元功能集，是 CPU 產(chǎn)品生態(tài)體系的基石，可以分為復(fù)雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）兩大類。

其中，復(fù)雜指集指令豐富、尋址方式靈活，以微程序控制器為核心，指令長度可變，功能強(qiáng)大，復(fù)雜程序執(zhí)行效率高；精簡指令集指令結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計，具有較高的執(zhí)行能效比。在現(xiàn)行主流指令集架構(gòu)中，x86 架構(gòu)是復(fù)雜指令集的代表，而 ARM 架構(gòu)、MIPS 架構(gòu)和 Alpha 架構(gòu)等是精簡指令集的代表。

CPU 是支撐數(shù)字底座生態(tài)架構(gòu)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是決定信創(chuàng)底層發(fā)展邏輯的關(guān)鍵所在。

國產(chǎn) CPU 群雄逐鹿，各顯“神通”。華為鯤鵬在國產(chǎn) CPU 中目前具備最完善的生態(tài)體系與商業(yè)化環(huán)境，自上而下全棧式打造鯤鵬計算產(chǎn)業(yè)。海光 CPU 基于成熟的 x86 指令框架，“類 CUDA”計算環(huán)境和國際先進(jìn)處理器設(shè)計技術(shù)，海光同時擁有海光 CPU 和海光 DCU 兩類高端處理器產(chǎn)品，可以滿足服務(wù)器、工作站等計算、存儲設(shè)備中對高端處理器的功能需求，是目前適配難度最低、通用型較強(qiáng)的國產(chǎn)化 CPU 廠商；飛騰 CPU 與 麒麟操作系統(tǒng)構(gòu)筑國產(chǎn)底座“PK”體系，是基礎(chǔ)生態(tài)體系最全面的“國家隊”。中科龍芯引進(jìn)消化吸收 MIPS，推出了自主指令系統(tǒng) LoongArch，是底層自主化程度最高的國產(chǎn)化 CPU 廠商。

芯片為信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)根本硬件基礎(chǔ)，重要性凸顯。不同于其他產(chǎn)業(yè)，IT 基礎(chǔ)設(shè)施國產(chǎn)化存在顯著的“木桶效應(yīng)”，在“硬件—軟件—服務(wù)”鏈條中任何環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化能力缺失將造成整個自主體系發(fā)展的停滯。芯片作為整個 IT 生態(tài)最底層的基礎(chǔ)硬件，為整個計算機(jī)體系提供算力支撐，通過與上層的操作系統(tǒng)緊密配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件的基礎(chǔ)調(diào)度、控制與資源支持，是整個國產(chǎn)化信創(chuàng)體系的中樞大腦，是我國軟硬件國產(chǎn)化的根本。

1、華為自主研發(fā)的全國產(chǎn)化高性能 CPU

基于 ARM 架構(gòu)開發(fā)，是華為繼移動麒麟芯片、AI 昇騰芯片后，第三款自研芯片。鯤鵬芯片定位于服務(wù)器應(yīng)用，其產(chǎn)品自研完成了華為具備優(yōu)勢的服務(wù)器業(yè)務(wù)自上而下的基礎(chǔ)算力打通。

在通用計算處理器領(lǐng)域，2014 年發(fā)布鯤鵬 912 處理器， 2016 年發(fā)布鯤鵬 916處理器。2019 年 1 月，華為正式發(fā)布鯤鵬 920 芯片。根據(jù)華為官方介紹，鯤鵬 920 處理器是業(yè)界第一顆采用 7nm 工藝的數(shù)據(jù)中心級的 ARM 架構(gòu)處理器，集成最多 64*自研核，支持 64 核、48 核、32 核等多種型號。華為將鯤鵬芯片用于自身服務(wù)器，并用來搭建自身的數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)。

鯤鵬芯片多向出擊，鯤鵬 930 芯片值得期待。華為鯤鵬處理器是華為自主研發(fā)的基于 ARM架構(gòu)的企業(yè)級系列處理器產(chǎn)品，包含“算、存、傳、管、智”五個產(chǎn)品系統(tǒng)體系。為了保證鯤鵬計算產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)演進(jìn)，鯤鵬處理器從指令集和微架構(gòu)兩方面進(jìn)行兼容性設(shè)計，確保既可以適應(yīng)未來的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展演進(jìn)的需求，又能后向兼容。參考華為鯤鵬芯片的發(fā)展路徑規(guī)劃，鯤鵬次時代芯片 930 芯片將有望進(jìn)一步迭代，并在服務(wù)器和 PC 兩個方向進(jìn)一步出擊。

TaiShan 200 服務(wù)器是華為新一代數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，基于華為鯤鵬 920 處理器，適合為大數(shù)據(jù)、分布式存儲、原生應(yīng)用、高性能計算和數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用高效加速，旨在滿足數(shù)據(jù)中心多樣性計算、綠色計算的需求。TaiShan 200 服務(wù)器僅為華為基于鯤鵬芯片所打造的自有服務(wù)器產(chǎn)品，鯤鵬通用計算平臺事實(shí)上提供基于鯤鵬處理器的TaiShan 服務(wù)器、鯤鵬主板及開發(fā)套件。

2、基于海外龍頭加快自主研發(fā)，發(fā)出國產(chǎn) x86 體系最強(qiáng)音

擁有海光CPU和海光DCU兩類高端處理器產(chǎn)品，可以滿足服務(wù)器、工作站等計算、存儲設(shè)備中對高端處理器的功能需求：

海光 CPU：兼容 x86 指令集，處理器性能參數(shù)與國際同類型主流處理器產(chǎn)品相當(dāng)，支持國內(nèi)外主流操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、虛擬化平臺或云計算平臺，能夠有效兼容目前存在的數(shù)百萬款基于 x86 指令集的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，具有優(yōu)異的生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢。此外，海光 CPU 支持國密算法，擴(kuò)充了安全算法指令，集成了安全算法專用加速電路，支持可信計算，提升了高端處理器的安全性。

從海光 CPU 應(yīng)用場景角度看，公司將海光 CPU 產(chǎn)品規(guī)劃為海光 7000 系列、海光 5000 系列和海光 3000 系列。三個系列產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計同源，處理器核心等具有相似的技術(shù)特征。根據(jù)不同的產(chǎn)品規(guī)格定義，需要在一塊基板上封裝 1 至 4顆裸片。目前，公司在售的海光 CPU 產(chǎn)品主要為海光 7200、海光 5200 和海光 3200 系列產(chǎn)品。

海光 DCU：以 GPGPU 架構(gòu)為基礎(chǔ)，兼容“類 CUDA”環(huán)境，軟硬件生態(tài)豐富，典型應(yīng)用場景下性能指標(biāo)達(dá)到國際上同類型高端產(chǎn)品的水平。海光 DCU 主要面向大數(shù)據(jù)處理、商業(yè)計算等計算密集型應(yīng)用領(lǐng)域，以及人工智能、泛人工智能類運(yùn)算加速領(lǐng)域。海光 DCU 產(chǎn)品采用與海光 CPU 類似的產(chǎn)品研發(fā)策略，2018 年1 月啟動深算一號 DC 產(chǎn)品設(shè)計，目前品已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。另一方面，公司啟動了第二代 DCU 深算二號的產(chǎn)品研發(fā)工作已于 2020 年 1 月啟動。

海光 CPU 系列產(chǎn)品中海光一號、海光二號已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，海光三號完成實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，海光四號處于研發(fā)階段；海光 DCU 系列產(chǎn)品深算一號已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，深算二號處于研發(fā)階段。

3、長期自主化耕耘，擁抱 ARM 架構(gòu)

目前主要包括高性能服務(wù)器 CPU（飛騰騰云 S 系列）、高效能桌面 CPU（飛騰騰銳 D 系列）、高端嵌入式 CPU（飛騰騰瓏 E 系列）和飛騰套片四大系列，為從端到云的各型設(shè)備提供核心算力支撐。

基于飛騰 CPU 的產(chǎn)品覆蓋多種類型的終端（臺式機(jī)、一體機(jī)、便攜機(jī)、瘦客戶機(jī)等）、服務(wù)器和工業(yè)控制嵌入式產(chǎn)品等，在國內(nèi)政務(wù)辦公、云計算、大數(shù)據(jù)以及金融、能源和軌道交通等行業(yè)信息系統(tǒng)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。

前兩代飛騰芯片均停留在學(xué)術(shù)層面，均采用仿制英特爾架構(gòu)及指令集的方法對芯片基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)消化。自第三代產(chǎn)品 FT-1000 以來，飛騰芯片轉(zhuǎn)而采用 SPARC 指令架構(gòu)下的OpenSPARC 指令集。FT-1000 在制程上采用臺積電的 65nm 技術(shù)，并可兼容SPARCv9 指令集。隨著 Sun 公司被 Oracle 收購，SPARC 架構(gòu)的支持逐步減弱。

飛騰芯片逐步投入 ARM 指令集的懷抱，并推出在原有 FT-1500 芯片上改進(jìn)得來的探索性產(chǎn)品 FT-1500A。2015 年 8 月的 HotChips 2015 大會上，飛騰技術(shù)團(tuán)隊張承義進(jìn)行題為《Mars： A 64-core ARMv8 Processor》的報告，標(biāo)志著飛騰已設(shè)計出世界上第一款基于 ARM 架構(gòu)的 64 核 CPU。

芯片產(chǎn)品主要分為高性能服務(wù)器芯片、高效能桌面芯片和高端嵌入式芯片。

高端嵌入式芯片：飛騰嵌入式芯片采用自主研發(fā)、面向嵌入式行業(yè)定制化的處理器核心，具有高安全、高可靠、強(qiáng)實(shí)時和低功耗的特點(diǎn)，滿足行業(yè)終端產(chǎn)品、工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)品需求。

高效能桌面芯片：飛騰桌面芯片采用自主研發(fā)的高能效處理器核心，全芯片性能卓越、功耗適度，最新產(chǎn)品內(nèi)置硬件級安全機(jī)制，能夠同時滿足信息化領(lǐng)域?qū)π阅堋⒛芎谋群透甙踩膽?yīng)用需求。

高端嵌入式芯片：飛騰嵌入式芯片采用自主研發(fā)、面向嵌入式行業(yè)定制化的處理器核心，具有高安全、高可靠、強(qiáng)實(shí)時和低功耗的特點(diǎn)，滿足行業(yè)終端產(chǎn)品、工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)品需求。

從產(chǎn)品迭代上，天津飛騰主要包括 FT-1500 系列產(chǎn)品、FT-2000 系列產(chǎn)品以及基于 FTC663 內(nèi)核的 D/S 系列產(chǎn)品。

4、中科院嫡系部隊，專注于自主架構(gòu) CPU

引進(jìn)消化吸收 MIPS，推出自主研發(fā)指令集架構(gòu)。龍芯中科在指令系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了自主創(chuàng)新。龍芯中科自研發(fā)初期即選擇基于開放度較高的指令系統(tǒng)并結(jié)合自研的模式，在授權(quán)體系相對開放的 MIPS 指令系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展了數(shù)百條自定義指令，形成了 MIPS 兼容指令系統(tǒng) LoongISA，并在多款 CPU 芯片中得到應(yīng)用。

2020年，龍芯中科推出了自主指令系統(tǒng) LoongArch。2021 年 7 月開始，公司信息化業(yè)務(wù)已經(jīng)轉(zhuǎn)向基于龍芯自主指令系統(tǒng) LoongArch 的 3A5000 系列處理器，工控業(yè)務(wù)開始轉(zhuǎn)向基于龍芯自主指令系統(tǒng) LoongArch 的系列處理器。

具體而言，龍芯中科研制的芯片包括龍芯 1 號、龍芯 2 號、龍芯 3 號三大系列處理器芯片及橋片等配套芯片：

龍芯 1 號系列：低功耗、低成本專用嵌入式 SoC 或 MCU 處理器，通常集成1 個 32 位低功耗處理器核，應(yīng)用場景面向嵌入式專用應(yīng)用領(lǐng)域，如物聯(lián)終端、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集等；

龍芯 2 號系列：低功耗通用處理器，采用單芯片 SoC 設(shè)計，通常集成 1-4 個64 位低功耗處理器核，應(yīng)用場景面向工業(yè)控制與終端等領(lǐng)域，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、行業(yè)終端、智能制造等。

龍芯 3 號系列：高性能通用處理器，通常集成 4 個及以上 64 位高性能處理器核，與橋片配套使用，應(yīng)用場景面向桌面和服務(wù)器等信息化領(lǐng)域；

配套芯片：包括橋片及正在研發(fā)尚未實(shí)現(xiàn)銷售的電源芯片、時鐘芯片等，其中橋片主要與龍芯 3 號系列處理器配套使用和銷售，電源芯片和時鐘芯片主要與龍芯 2 號、龍芯 3 號系列處理器配套使用。龍芯 1 號、2 號、3 號處理器芯片及配套芯片的主要客戶是板卡、整機(jī)廠商。

5、橫向?qū)Ρ龋簢a(chǎn)化 CPU分析總結(jié)

多指令集體系協(xié)同發(fā)展，基本產(chǎn)品參數(shù)已與國際主流產(chǎn)品具備一定可比性。指令集是影響處理器應(yīng)用領(lǐng)域的重要因素，不同指令集架構(gòu)下部分產(chǎn)品參數(shù)如核心數(shù)、超線程對產(chǎn)品性能影響程度不同，僅具有參考意義。目前，海光信息采用 x86指令集架構(gòu)，龍芯中科采用 LoongArch 指令集架構(gòu)，天津飛騰及華為鯤鵬采用ARM 指令集架構(gòu)。

結(jié)合對幾款國產(chǎn)化芯片廠商及其產(chǎn)品的分析和對比，我們認(rèn)為可以得出以下結(jié)論：

（1）國產(chǎn)化浪潮趨勢明顯，國產(chǎn)化芯片廠商有望順勢崛起。在海外貿(mào)易不確定性持續(xù)的背景下，芯片作為硬件基礎(chǔ)底座的重要性與必要性凸顯。海光與龍芯自2019 年以來收入的快速攀升，表明其在信創(chuàng)市場強(qiáng)勁的內(nèi)生需求。在海外主流芯片廠商出口存在不確定的大背景下，國產(chǎn)化芯片廠商有望借助政策東風(fēng)快速成長，順勢崛起。

（2）海光信息服務(wù)器市場優(yōu)勢明顯，中科龍芯 PC 市場存在潛力。根據(jù)產(chǎn)品單價及出貨量來看，海光與龍芯分別在不同市場具備優(yōu)勢。海光承襲 x86 體系，在服務(wù)器市場具備優(yōu)勢；龍芯實(shí)現(xiàn)自主架構(gòu)研發(fā)并重視生態(tài)建設(shè)，在 PC 及類 PC市場具備競爭優(yōu)勢。

（3）ARM 架構(gòu)生態(tài)強(qiáng)大，華為鯤鵬具備“王者歸來”潛質(zhì)。天津飛騰及華為鯤鵬基于 ARM 架構(gòu)設(shè)計，本身能夠較好地吸收 ARM 體系已有的生態(tài)應(yīng)用。鯤鵬 920 芯片各項(xiàng)參數(shù)領(lǐng)先，并具備華為云自身作為穩(wěn)定需求方，在自身軟硬件技術(shù)優(yōu)勢下疊加持續(xù)壯大的合作伙伴生態(tài)體系，我們認(rèn)為其是國產(chǎn)化芯片廠商中最具競爭優(yōu)勢的廠商之一。近期，鯤鵬在中國電信及農(nóng)行等的中標(biāo)，表明其發(fā)展?jié)摿ΑＨ绻?yīng)鏈能夠逐步復(fù)蘇，有望實(shí)現(xiàn)“王者歸來”。

審核編輯 ：李倩