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国产CPU发展得究竟怎么样?

2018-06-13 09:21:37 广州佩特电子科技有限公司 阅读

一说起国产 CPU,多种架构齐聚可以说是一个典型的特点。当前,我国具有代表性的国产CPU主要有龙芯、申威、兆芯、飞腾、宏芯以及智能手机/平板领域发展最好的海思、展讯、全志等,他们所用的架构涉及X86、ARM、MIPS、Power及SPARC、Alpha等,具体规格信息如下图所示:

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国产处理器架构/指令集及其技术来源一览


一、龙芯:血统纯正的中国芯,商业化不尽如人意


2001 年 5 月,在中科院计算所知识创新工程的支持下,龙芯课题组正式成立,先后完成 32 位的龙芯 1 号,64 位的龙芯 2C、2E、2F、2G,四核龙芯3A ,八核龙芯 3B,其架构设计和工艺处于国内领先地位。龙芯最初的英文名字是 Godson,后来正式注册的英文名为 Loongson。“龙芯”的诞生被业内人士誉为民族科技产业化道路上的一个里程碑,其中龙芯 3A 是首款国产商用四核处理器,主频达到1 GHz ;龙芯 3B1500 是国产商用八核处理器,主频可达 1.5 GHz,具有很高的性能功耗比 ;2015 年龙芯推出了 3A2000/3B2000 性能更高的产品;2015年3月31日中国发射首枚使用"龙芯"北斗卫星;2016 年完成了 3B2000/3B3000 的流片与小规模量产。2017年4月25日,龙芯中科公司正式发布了龙芯3A3000/3B3000、龙芯2K1000、龙芯1H等产品。


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龙芯3A3000


龙芯为何选择兼容Mips?龙芯选择兼容Mips指令是否对其自主知识产权够成影响?Intel 推出 X86 架构之后,曾将此架构授权给为数不多的几个公司,如 AMD、VIA 等,而在 VIA 退出 X86 架构处理器竞争之后,Intel 便不再授权给任何公司,龙芯课题组获得 X86 架构授权的可能性微乎其微。ARM 公司主要从事 RISC 技术芯片的设计与开发,本身不直接从事芯片生产,而是通过出售芯片技术授权,建立起新型微处理器设计、生产和销售模式。授权一般不进行结构授权,只针对软硬核授权,且授权后不允许对其进行更改设计,否则将违反相关协定。如采用 ARM 授权,龙芯后续研发会受到极大约束和限制,对我国自主研发高性能处理器的愿望将产生消极作用和不良影响。MIPS 的架构授权并不限制任何对 MIPS 架构的更改,与 ARM相比,MIPS 是一个完全开放的架构,对龙芯未来发展没有任何限制。再者,MIPS 经过几十年的发展已经拥有一定程度的应用软件生态,主要体现在嵌入式领域。因而,综合考虑来看,MIPS 是最为适合龙芯处理器发展的架构选择。2008年金融危机后,龙芯以较低价格购买了MIPS指令的永久授权。在十几年的发展中对指令集进行了相当大的扩展,逐渐发展出了自己的指令集loongISA,共1907条指令。


微结构方面,龙芯自01年以来,共研发GS132、GS232、GS264、GS464V、GS464E共6个微结构。其中,GS464E微结构的效率在整数性能方面基本追平了AMD当前最好的微结构,在浮点性能方面接近Intel于2013年发布的Ivy。总体而言,龙芯当前与国外巨头在微结构方面的差距已经比较小了。


龙芯与国外巨头在主频和制程工艺方面还存在较大差距。主频方面,龙芯3A2000主频为1G,3A3000为1.6—1.8G,而Intel主频大多在3G以上,部分CPU主频接近4G。制程工艺方面,受限于中芯国际的代工水平,龙芯能使用的最好制程为28nm,而Intel最新产品普遍采用14nm制程工艺。


在软件生态方面,龙芯支持自主研发的loongnix、国产中标麒麟操作系统以及Reworks嵌入式操作系统。在应用软件方面,龙芯支持金山WPS文字处理,JAVA和Flash,火狐浏览器和Chrome浏览器,达梦、金仓、神州通用数据库,东方通、金蝶、中创中间件,中软政务处理系统等,主要针对有信息安全要求的党、政、军、国企、事业单位办公电脑和服务器市场,而在民用PC市场基本看不到龙芯电脑的身影。


龙芯想要市场化运营就离不开一个强大的产业联盟的支持,在产业联盟构建方面,龙芯的合作伙伴主要有中国电子科技集团、中航工业集团、中国核工业集团、中船重工、中国船舶工业集团、中国航天科技集团、中国核建、中国工业兵器集团、曙光、浪潮、中科梦兰、锐捷网络、东软集团、神州数码、研华科技、中兴、西安华芯、清华同方、众达精电等。目前,龙芯下游已有两三百家合作伙伴企业,下游围绕龙芯做研发的技术人员已有上万人。


对于目前的龙芯来说,PC和服务器产品在整机性能上和国外产品的差距依然很大。对于在家用PC市场和国外产品竞争,龙芯电脑在整机性能、价格、软件生态方面处于绝对劣势。以龙芯及其产业联盟的实力要在商业上打败微软和Intel构建的体系确实是痴人说梦。未来,龙芯在PC市场的目标仅仅是在硬件性能稳步提升的同时,通过不断加强编译器的优化、软件和硬件的磨合,使龙芯电脑和服务器的整机性能和软件生态能够满足党政机关的办公需求。至于国内家用PC市场,只有等龙芯的软件生态足够丰富、产业联盟足够强大之后,龙芯的产品才会有竞争力。


二、申威:世界最快超算的心脏和大脑


为解决在超算和国防、信息安全无“芯”可用的困境。无锡江南计算技术研究所(原总参56所)于2003年开始着手设计中国人自己的高性能芯片。申威从此踏上了征途。


申威属于Alpha阵营,指令集也是基于Alpha进行扩展。申威的技术来源是于DEC的Alpha 21164。DEC的技术实力很强,Alpha性能更是惊艳,AMD就曾经购买了Alpha 21264的技术资料,挖走了部分DEC的技术人员后,开发出自己的K7微结构。DEC是技术实力比人强,但商业模式不如人而失败的典型例子,Alpha也被几经转手,先被康柏收购,后被惠普雪藏。目前Alpha已经被束之高阁,指令集和微结构都已经不再更新,技术专利大多已过期或快过期了。申威是目前Alpha阵营中仅存的硕果,拥有自主扩展指令和发展路线的自主权。


56所以Alpha指令集为基础,扩展出自己的指令集,并在2006年设计出具有自主微结构的申威1,申威1是一款130nm制程工艺的单核心CPU,主频900MHz,集成5700万晶体管。


2008年完成的申威2,是一款130nm制程工艺的双核CPU,主频1.4GHz。


2010年,研发出的申威1600是一款65nm制程工艺的16核CPU,主频1.1G,双精浮点140G。申威1600被用于神威蓝光超算。


2012年,56所研制出申威1610和申威410,申威1610为40nm制程的16核CPU,集成10亿晶体管,主频1.6G,最大功耗50W,双精浮点运算200G。申威410为40nm制程的4核CPU,集成2.7亿晶体管,主频1.6G。前者用于服务器,后者用于PC,支持中标麒麟操作系统。这两款产品同样遭遇了龙芯在PC市场遇到的软件生态贫乏和产业联盟弱小导致产品缺乏市场竞争力的困境,加上申威410单核性能太弱,搭载申威410的安全可信PC基本不具备在民用PC市场的竞争力。


2016年6月,“神威·太湖之光”超级计算机系统成为世界上首台运算速度超过十亿亿次的超级计算机,登顶世界超算之首。而“神威·太湖之光”上,就搭载了40960块申威26010处理器。

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登顶世界超算之首“神威·太湖之光” 搭载了40960块申威26010处理器


申威自2003年诞生以来,基于Alpha自主扩展了指令集,共设计了多款芯片,自主研发了神威睿智编译器和神威睿思操作系统,推出了搭载申威芯片的PC、服务器、高性能计算机、超算、防火墙、机架式存储服务器、大规模集群存储系统、瘦客户端、QDR HCA卡、神威云等产品。


申威有自己的指令集、微结构、CPU、编译器、操作系统就足以在超算领域立足,其专注于超算领域,为国家信息安全和超算建设竭尽所能,完成了国家交付的任务。但在和人民群众最息息相关的民用PC市场,我们可能很难看到申威的身影了。


三、飞腾:依附于成熟的ARM生态体系,核心技术难以自主可控


天津飞腾研发的FT系列处理器也在HPC领域有过应用,不过飞腾FT处理器用的架构更杂乱,从公开资料来看,第一代FT处理器兼容于Intel安腾2指令集,第二代FT-64处理器在银河计算机中有过使用,第三代产品FT-1000则是基于开源的Ultra SPARC架构,8核64线程,在天河1号计算机的节点网络上曾经使用过。


之后的FT-1500还是基于SPARC架构,制程工艺从65nm升级到了40nm,16核心128线程,在天河2号超算中使用了4096颗FT-1500处理器作为节点前端处理器。


最新的FT-1500A虽然名字跟上面的类似,但实际上已经没什么关系了,因为它的架构变成了ARM 64位,使用的是28nm工艺。2015年3月26日,中国电子在京召开“CPU与网络交换芯片新品发布暨成果推广会”,发布了采用ARM指令集的FT-1500A系列处理器,FT-1500A系列处理器是64位通用CPU,兼容ARM V8指令集,采用国际先进的28nm工艺流片,具有高性能、低功耗等特点,关键技术国内领先,可实现对Intel中高端“至强”服务器芯片的替代,并广泛应用于政府办公和金融、税务等各行业信息化系统之中。

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应用于高性能服务器的FT-2000/64处理器


目前,“飞腾”CPU的产业化企业----天津飞腾公司放弃了自主研发处理器核,而是直接采用ARM提供的64位V8系列处理器核,与海思的“麒麟”系列手机芯片所采用的ARM处理器核属于同一个系列。这种方式虽能够快速推出系统级芯片方案并占领市场,但问题也很明显,芯片中的处理器核心仍然依赖于国外CPU厂商,难以实现CPU核心技术的自主可控。就像我们之前拿现成的CPU、主板、内存去“攒电脑”一样,只是现在变成了“攒芯片”。


四、兆芯:依附于成熟的X86和ARM生态体系,核心技术自主可控难以保障


2013年4月,上海兆芯集成电路有限公司成立,上海兆芯由上海市国资委下属上海联和投资有限公司和威盛电子股份有限公司(台湾企业)合资成立,注册资本2.5亿美元,研发中国自主知识产权的X86架构核心处理器芯片,号召推动中国信息产业的整体发展。此次合作显然是大陆出钱,威盛出技术,因为兆芯的业务范围包括x86 CPU、ARM CPU、GPU及芯片组研发都是威盛现有的,兆芯凭借这些技术如愿拿下了国家的核高基项目,根据公开报道兆芯可拿到的核高基补贴总额高达70亿。


2015年4月,兆芯自主研发的ZX-C处理器量产,28nm工艺,四核处理器,主频可达2.0GHz,TDP功耗仅为18W,并且支持国密算法加密,但兆芯的CPU基本上都是威盛处理器的马甲。2017年12月28日,兆芯发布了自主设计研发的新一代开先KX-5000系列国产x86处理器,以及一系列由合作伙伴基于兆芯国产自主可控高端通用CPU设计开发的国产整机、服务器、商用办公解决方案。该系列处理器是兆芯第一款采用SOC设计的通用CPU,同时也是国内第一款支持双通道DDR4内存的国产通用CPU。据悉,兆芯和华力微联合打造的28nm通用处理器生产线目前进展非常顺利,预计2018年能够完成工艺通线和试流片,2019年能够量产。


兆芯虽可以完全替代国外同类型产品,可以满足绝大多数领域的办公应用。但依附于成熟X86和ARM技术体系,技术方面过于依赖威盛(台湾企业),因此,核心技术自主可控难以得到保障。


五、海思、展讯、全志、瑞芯微等:追求商用市场的成功

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在商业上取得成功的全志科技处理器


海思、展讯、全志、瑞芯微等很多民营公司开发处理器初衷仅仅为追求商用市场上的成功,对于芯片核心技术的自主可控并未予以充分考虑。以海思为例,海思以市场为导向,并未背负国产产权、自主可控的压力,选择了最热门的ARM体系,架构也多是购买的ARM公司的Cortex-A系列授权,GPU也是花钱授权的。海思还研发了自己的基带及ISP、DSP等芯片,目前的麒麟950处理器是首款Cortex-A72核心、Mali-T880 GPU及TSMC 16nm Plus工艺处理器,已经具备国际先进水平。


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