国产处理器发展如何?生态还需加强建设

国产处理器发展如何?生态还需加强建设

白猫 / 2022-05-26 09:03:43144236

目前越来越多的地方开始购买国产电脑以取代原有的办公电脑,不过其中最核心的CPU仍然是Intel以及AMD这两家。或许有人会疑惑,既然要更换,为什么不把所有的产品都进行更换?目前我国的处理器发展已经到了怎样的水平?能否满足未来数以千万台电脑的更换。本文就将抛砖引玉,与大家一起简单探讨我国目前在处理器领域究竟发展到怎样的地步?

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对于处理器,读者或许第一时间想到的就是像英特尔、AMD这样的X86架构消费级处理器,事实上除了这些处理器之外,还有很大一部分是为特殊行业所打造的处理器,因此我们将分为两个市场和领域来介绍我国的处理器,包括面向普通用户的消费级市场以及面向企业、科研机构的服务器市场,而在服务器等专业领域,就有包括X86、ARM、MIPS以及Power等主流架构,当然还包括众多自研架构。

消费级领域:满足轻度办公

面对英特尔以及AMD处理器几乎垄断的X86处理器市场,国产处理器想要突围并不是一件容易的事情。对于国产处理器来说一共有两条路可以走,其中一条路便是利用VIA也就是威盛的X86专利,打造属于自己的处理器。在2013年成立的兆芯公司就是这样一家芯片公司,旗下的芯片主要也是以基于X86架构的为主,最主要的便是利用了VIA的X86专利。在2014年,兆芯就已经实现了ZX-C系列处理器的自主设计研发,并且在2015年开始规模量产,2016年,兆芯大规模量产ZX-C+系列8核处理器。在2017年发布了开先KX-5000/开胜KH-20000系列处理器。

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此外兆芯也不断地通过收购和合作,从而获得更多的X86专利,进而研发更加出色的处理器。对于兆芯来说,最重要的就是2020年10月花费17.2亿元获得了威盛旗下子公司VIABASE、VIATECH拥有的x86芯片组技术以及x86处理器的IP产权,从而实现X86处理器的深度化开发。使用X86架构最大的好处就是可以让微软Windows等系统轻松运行在该处理器上,软件生态方面没有太大的问题。然而这种X86架构处理器的研发最大的问题在于后劲不足,要知道VIA尽管拥有X86专利,但是数量有限,包括X86的众多指令集几乎都被英特尔与AMD囊括,而这两家公司想要将X86架构授权给兆芯并不是一件容易的事情。缺少授权的指令集,对于兆芯提升自家处理器性能来说显然是一件不容易的事情。

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兆芯基于X86架构研发的处理器未来发展前景不可预知,更多的厂商还是选择更加开放的ARM架构,毕竟ARM架构已经几乎占据了所有手机处理器的份额,将ARM架构从移动端带入桌面端也未尝不可,国产处理器中,基于ARM架构的产品也不少。比如说华为推出的鲲鹏920S与飞腾旗下的腾锐D2000均是基于ARM架构设计与打造。华为相信大家已经十分地熟悉,而飞腾作为我国的一家芯片设计厂商,于2014年成立。飞腾在近几年推出了FT-1500A/4芯片、FT-2000/4芯片这样的处理器。腾锐D2000则是飞腾基于自主研发的FTC663内核打造,兼容64位ARMV8指令集并支持ARM64和ARM32两种执行模式,主打低功耗市场。飞腾也表示目前拥有3400家生态伙伴数量,已经和正在适配的软件和外设超过6670种,并且得益于ARM架构,飞腾处理器可以实现200多万款移动APP的应用的兼容,拥有比较完整的生态建设。

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除了使用ARM以及X86架构之外,国产芯片厂商还有一种道路,是独自完成指令集的研发,从而实现处理器的完全自主产权,这种道路实际上最为艰难,不过相比较前面两种方法,自研指令集对于处理器研发水平的提升也是显而易见。目前国产处理器中,自研指令集最具代表的公司便是龙芯,2001年由中国科学院计算技术研究所开始研制龙芯处理器,距离已经有21年的时间。而在2010年,龙芯开始市场化运作,开始将研究成果产业化,从而让龙芯投入到市场中来。

2002年,龙芯一号流片成功,基于的是类MIPS 的RISC指令集,性能与1997推出的奔腾2不相上下。龙芯一号也是龙芯公司首款通用处理器。然而到了2003年,由于寄存器堆设计问题,龙芯2号遭遇了流片失败的情况,随后经过重新设计,龙芯2B在2003年正式流片,性能是龙芯一号的3至5倍。随后龙芯在龙芯二代处理器上不断改良与优化,从而满足不同行业的使用需求。

而到了2009年,龙芯正式推出了龙芯3A1000,而这也是我国首款商用四核处理器,随后龙芯又推出了3A2000、3A3000以及3A4000等处理器,性能也是节节攀升。然而龙芯的上述这些处理器无一例外地采用了MIPS指令系统,但是想要继续做大做强并且实现完全自主产权,那么处理器也需要采用自研的指令集。在2021年4月,龙芯发布完全自主指令集架构Loongson Architecture,拥有完全自主、技术先进、兼容生态三方面特点。而龙芯3A5000处理器则采用了自主指令系统LoongArch,未来可以根据实际需求进行定制和强化,可以说自主处理器发展前景比较广阔。

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采用自主指令集打造的处理器最大的缺陷就是生态建设的缓慢,没有采用主流的X86架构也就意味着告别了Windows等主流系统以及背后数百万款应用所组成的庞大生态。同时像龙芯3A5000处理器这样采用LoongArch指令集也需要专门的Linux系统进行适配,比如说统信操作系统、麒麟操作系统、龙蜥操作系统已经实现了对于LoongArch指令集的适配。

除此之外,软件厂商同样需要实现对于LoongArch指令集,否则将无法顺利运行。对此龙芯从2021年开始牵头成立了龙芯生态适配服务产业联盟,目前已经有70余家适配中心和相关机构加入,形成了遍布全国的适配服务联动体系,并且数十家国内知名整机企业、ODM厂商、行业终端开发商等基于龙芯3A5000处理器研制了上百款整机解决方案产品。

目前包括金山WPS、腾讯QQ、微信等软件已经基本实现对于LoongArch指令集的适配,并且在统信UOS等系统中顺利运行,可以满足政企单位的日常办公。但是对于略微专业的领域例如报税,财政统计等软件,统信UOS便无能为力,而这也是目前基于自主指令集下的最大不便,那就是能够完成基本功能,进阶功能就显得力不从心,生态系统完善仍然是龙芯3A5000想要被用户接受的必经之路。

专业处理器:不同指令集均有涉猎

相比较消费级市场,我国为服务器以及超算科研等领域所推出的处理器发展地比较迅速,并且部分处理器在性能上已经和世界领先水平相媲美。其中一个重要的原因就是在服务器等领域,对于通用领域看重的并不是很深,不需要处理器全能,更多的是需要对于一个功能的深度优化,例如数据的并发能力,AI性能以及深度学习能力等。

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目前主流的专业处理器包括ARM、MIPS、Power以及X86。X86市场同样由Intel的至强以及AMD的霄龙所垄断。因此国产芯片设计厂商基本上使用ARM架构来研发处理器。这些处理器大部分基于ARM指令集打造,相比较封闭的X86架构,ARM架构为公开授权,众多芯片设计厂商也买断了ARM指令集,获得了架构授权,可以永久使用。此外由于服务器运行的系统可以自主研发,不必支持太多的应用软件,更加追求的是芯片的高效化。

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比如说阿里平头哥推出的倚天系列处理器芯片,就是基于ARM架构所打造,华为则推出了鲲鹏系列处理器,华芯通带来了昇龙处理器,而飞腾带来了FT系列处理器。除了ARM处理器之外,国产处理器也更多地采用MIPS指令集,比如说龙芯3A4000以及之前的处理器,北京君正旗下的处理器,这些处理器基于MIPS指令集同样拥有不俗表现,但是后期更新乏力,发展前景没有ARM宽广。此外也有像中晟宏芯这样的国产芯片厂商基于Power 8架构打造处理器,只是和目前主流处理器的性能相距甚远。

除了上述这些架构之外,也有处理器厂商仍然选择X86架构进行开发,代价自然是缴纳一大笔专利费给AMD或者Intel以获得授权。比如说海光打造的Dhyana(禅定)x86处理器就缴纳2.93亿美元给AMD,实现了高性能服务器处理器的流片与量产。然而这种行为我国芯片厂商基本上仅有最初的芯片设计,而在生产、流片以及调试等方面并没有参与其中。同时这种授权的不可预测性也是X86处理器未来发展的不确定性因素。

得益于国产服务器处理器的出众表现,国内三大运营商也愿意将服务器采购份额分配给国产处理器。根据三大运营商服务器近年集采大单的信息来看,中国电信2022-2023年服务器集中采购规模约为20万台,国产处理器份额达到了26.7%,中国移动2021-2022年第1批PC服务器集采项目中,国产处理器份额达到了27.03%,而中国联通2022年服务器集中采购约4.5万台中,鲲鹏处理器的份额更是占到了50%。尽管国产处理器的份额还没有超过一半,但是市场份额也是节节攀升。

在超级计算机领域,国产芯片已经大量应用在超算之中。大家十分熟悉的“神威 太湖之光”便共有40960块申威26010处理器,基于alpha架构,推出的几年间也坐稳了超算TOP1的宝座。可以说国内处理器在专用领域的发展还是相当不错。

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然而限制国产服务器芯片发展的一个重要因素就是制程的选择。对于像倚天710这样的处理器来说,强大的性能需要的是先进的制程工艺,比如说需要7nm、5nm甚至未来的3nm制程。根据相关的数据,在2021年第四季度全球前十大晶圆代工厂营收排名中,我国台湾的台积电营收占据了52.1%,三星占据了18.3%,联电占据5.8%,而我国大陆的中芯与华虹则分别占据了5.2%与2.9%。

这些晶圆代工厂的营收还包括先进制程与成熟制程,至于先进制程的芯片代工基本上被台积电、三星等企业所垄断。我国在先进制程光刻领域相比较国际水平还有比较大的距离。尤其是现在晶圆代工处于严重供不应求的状态,国产处理器出货量的多少很大程度上取决于从半导体代工厂中拿到的产能。

除了CPU这一工业上的明珠之外,我国在DRAM、NAND闪存、显示面板等领域发展迅速,也涌现了一批像长鑫、展锐、长江存储等芯片设计公司,其推出的SSD、内存等硬件也实现了与主流电脑的兼容。同时被众多用户所使用,海量的用户也给了这些厂商更多的市场空间,因此使用国产硬盘、内存、显示器替代国际品牌的可操作性远比CPU要来得容易。

专业领域小有成就,生态打造是关键

由此可见,我国处理器在消费级市场受制于系统生态,能够满足轻度的应用,但是实现专业级应用显得力不从心,而在服务器、超算等领域则发展迅猛,已经改变了过去国外芯片独霸的局面,包括云计算、人工智能、5G、边缘计算等技术的发展也创造了新的计算需求,给了国产专业处理器更多的发挥空间。

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不过国产处理器未来想要取代Intel以及AMD还是一个可行的方案,不过这其中就需要国产软件厂商的共同配合,在满足轻度应用的前提下,再去满足部分专业级应用的使用需求。这样让国产芯片覆盖绝大部分的使用场景,让用户使用起来不会有不便的情况出现,也更加容易接受基于国产系统与处理器打造的主机,随后随着技术的成熟与生态的完善,最终实现电脑的完全国产化。


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