工艺落后两代的国产CPU，未来到底何去何从

一、国产CPU发展现状与成就

国内已开启多技术路线并行的CPU技术产业新格局。在国家科技重大专项和国家级集成电路产业投资资金的推动之下,我国CPU产品技术研发已进入多技术路线同步推进的高速发展阶段,并因发展模式和技术特性的不同而呈现出不同的发展特色,其中:

x86体系由intel封闭主导,国内企业通过商业合作进行CPU产品和部分技术的研发。Intel独揽x86 CPU的基础架构、芯片设计、工艺制造三大环节并封闭发展,目前已积累了超过1.7万件CPU相关专利。在硬件层面,不仅掌控与北桥CPU配套的南桥芯片组外围接口、GPU等核心技术,也主导着与x86相关的标准技术和测试认证,例如内存条接口、硬盘接口以及PCIe总线接口等;在软件层面,与微软结成"Wintel"联盟形成长期相互协同的利益闭环,众多应用厂商围绕x86+windows体系开发产品。我国的兆芯和曙光分别通过与威盛和AMD的商业合作进行x86 CPU的研发,其中兆芯已推出3代CPU产品,并形成了完整的芯片组解决方案,在操作系统层面除兼容windows和linux外,也联合方德、中标、普华等多家国内企业展开适配;曙光联姻AMD加快在服务器领域的布局,自研安全加密模块替代原有AMD的安全部分,提升安全保障能力,预计相关产品今年底实现正式商用。

ARM体系以开放共赢为基本原则,国内企业在获得技术授权的基础上进行芯片架构和芯片设计的研发。ARM公司是ARM生态的主导者和核心规则的制定者,通过基础架构授权、IP核授权等方式获得经济收益。芯片设计企业基于ARM授权的基础架构/IP核进行芯片研发,降低了研发的难度、风险和成本,与ARM公司形成互惠互利的合作伙伴关系。而生态系统中大量的上下游软硬件企业则遵循ARM统一制定的标准规范,对接众多客户需求而实现经济利益获取。国内基于ARM生态的CPU产业已有较好基础,华为海思、展讯、联芯、飞腾等众多企业均已累积多年的ARM芯片研发经验,在移动终端领域我国芯片设计技术已与国际主流水平同步,在高性能计算等应用领域也推出了相应的CPU产品。华为、展讯、国防科大等多家企业取得ARM自主化程度最高的架构授权,可进行自主CPU基础架构的研发。2016年4月集合国内外数十家企业的绿色计算产业联盟的成立,将继续推动国内ARM生态的逐步壮大和在全球生态中话语权的提升。

MIPS体系基于架构授权构建开放生态,国内企业是产品研发和生态推动的主要力量。2012年Imagination和ARM的母公司Bridge Crossing合力购得MIPS公司的580项专利,前者联合多家MIPS芯片设计企业组建MIPS开源社区PRPL基金会,共同推进MIPS架构与IP的持续向前发展;后者则侧重于战略性收购以提升知识产权能力。我国目前是推动MIPS生态繁荣的主要力量,龙芯在MIPS精简指令集基础上自主扩展了指令集loongISA,并坚持自主研发微架构和编译器,2015年8月发布的GS464E在整数运算性能方面基本追平了AMD的微结构,浮点运算性能方面接近Intel在2013年发布的Ivy。君正在MIPS基础指令集的基础之上自主扩展了SIMD指令集,侧重于32位嵌入式CPU芯片及配套软件的研发和销售,主要应用于便携教育电子、可穿戴设备等移动便携设备领域。

此外,国内对Power、Alpha等架构也有布局。国内已通过授权得到IBM的Power CPU全套技术,对标行业应用市场。申威对自主的Alpha架构也在不断深化升级,在双核Alpha基础上拓展了多核架构和SIMD等特色扩展指令集,主要面向高性能计算、服务器领域,在2016年国际超算大会评比中,基于申威26010处理器的"神威太湖之光"计算机系统首次亮相并夺冠,其峰值性能达每秒12.5亿亿次浮点运算,成为世界首台运行速度超10亿亿次的超级计算机。

二、面临挑战和主要问题

国产CPU产业配套滞后于产品技术需求,后续升级压力较大。一是,目前国内制造工艺落后国外两代,CPU专用和高性能制造工艺尚处于起步阶段,面向服务器和PC的国产CPU产品仍需依赖台积电等国外厂商。二是,我国IP产值不足全球的10%,并且高端IP的缺乏难以支撑设计和制造发展的需求。华大九天等国内企业发展自主EDA工具,但目前仍较多应用在低端产品当中。此外,与工艺制造相关的装备和材料技术的落后也制约国内制造工艺的升级,进而影响CPU生态的竞争力。

国产CPU生态环境薄弱且成熟缓慢,长远发展空间受限。受CPU知识产权壁垒和国外CPU企业对商业模式的限制,目前国内孤立的CPU生态环境基础薄弱且成熟缓慢,主要表现在合作伙伴少、软硬件生态力量分散、无法建立Wintel联盟的协同共赢模式、缺乏产业上下游间的融合发展和深度优化等。

应用开发与CPU研制未形成良性互动,竞争力提升缓慢。当前国产CPU研发还极大依赖于国家项目