國產自主芯片行業盤點之一:電腦通用CPU芯片

CPU指令集分類主要分有兩大陣營,複雜指令集計算機(CISC)和精簡指令集計算機(RISC)。而CPU構架主要有:X86/Atom、ARM、MIPS、OpenRISC、RISC-V等等。

PowerPC最初由APPLE、IBM、MOTOROLA組建的AIM聯盟開發,後AIM聯盟被Wintel聯盟分化,導致IBM獨立分出應用微電路公司(Applied Micro Circuits Corporation,轉向PowerPC嵌入式和ARM嵌入式產品)、MOTOROLA獨立分出Freescale(即飛思卡爾,轉向Power和ARM嵌入式產品,2015年被恩智浦半導體收購),國內有中晟宏芯。由於芯片市場逐漸集中於低功耗和高性價比的移動計算芯片,PowerPC雖然漸漸淡出視野,但其處理能力和單芯片架構上的優勢,在工業控制領域和信息產業仍舊具有強大的影響力。

下面詳細說說國產廠商在通用計算CPU芯片領域的情況。

1、天津飛騰信息技術有限公司:飛騰推出面向高性能通用計算應用的Sparc指令集如CPUFT-1000/1500系列、後放棄自主構架轉向ARM64構架推出FT-1500A/2000系列企業級應用處理器,FT-2000+ 集成了64個飛騰自主開發的微處理器內核FTC662,主頻2.2G-2.4GHz,典型應用功耗90W。64核ARM處理器性能堪比Intel 14核28線程的Xeon處理器。FT-2000/64主要應用於高性能、高吞吐率服務器領域,如對吞吐能力要求較高的互聯網/雲計算服務器、對計算性能要求較高的行業業務主機等。

2、無錫江南計算技術研究所:推出申威處理器或申威CPU,簡稱 “SW處理器”。SW處理器源自於DEC的Alpha 21164,採用自主指令集。SW26010就是260核心眾核架構,亂序執行架構,頻率1.45GHz,整個處理器包括4個MPE(Management Processing Element)管理單元、4個CPE(Computing Processing Element)計算單元及4個MC內存控制器單元組成,其中CPE單元又由8x8陣列的64核心組成,所以總計是260個核心(4x64 4=260)。與其他國產處理器相比,申威系在性能上完全走在了前列,SW26010的理論浮點性能高達3TFLOPS,其性能完全可與Inel最新的Xeon Phi加速卡一拼。由於中國超算髮展過猛,被美國禁運相關芯片,因此神威太湖之光采用了申威SW26010處理器,使得中國超算得以刷榜兩年之久,足見此CPU性能之強悍。

8、瀾起科技:與Intel、清華微電子合作,Intel提供完整x86 CPU核,集成清華微電子FPGA或CPLD作為可信計算模塊最終封裝產品,實為intel搶佔中國市場的馬甲產品,合作模式不明,發展前景不明。

10、杭州中天微系統有限公司:開發基於C-SKY V2自主指令架構與16/32位可變長指令系統的面向機器視覺/人工智能等應用的超高性能計算引擎C-SKY®嵌入式CPU之CK860/CK860MP、面向高端嵌入式應用的高性能運算引擎面向高端嵌入式應用的高性能CPU核產品C-SKY®嵌入式CPU之CK810、面向中高端嵌入式應用的高能效CPU核產品C-SKY®嵌入式CPU之CK807。2018年4月20日,中天微系統有限公司被阿里巴巴集團宣佈全資收購。

11、華為:2016年06月華為展出Hi1612 ARM架構64位處理器的華為“泰山”TAISHAN ARM服務器,採用ARM Cortex A57內核,擁有16個核心,兼容ARMv8-A指令集,使用臺積電16nm工藝製造。用來做生態系統驗證,但並非推廣的CPU和量產型號。根據消息,華為也已經加入RISC-V陣營,由於RISC-V發佈僅兩年有餘,生態尚不成熟,還未見相關成熟產品推出。

此外,由於最近興起的RISC-V指令集是一個現代的、沒有專利問題和沒有歷史包袱的全新指令集,並且以BSD許可證發佈。RISC-V在功耗、性能、面積等各種層次都不輸給ARM,任何公司都可以在自己的產品中免費使用,而修改也無需再開源。應用前景有物聯網、移動計算、人工智能,較為廣泛,不少國內企業已經在試圖加入RISC-V陣營,如武漢市聚芯微電子有限責任公司基於蜂鳥E200--RISCV的通用處理器內核。

其它國家的自主通用芯片:

俄羅斯計算機制造公司T-Platforms:貝加爾-T1集成了兩個MIPS P5600 CPU核,以及DDR3、SATA 6Gbps、PCI-E 3.0、10Gb/1Gb以太網等模塊,本質上來說,貝加爾-T1其實是一款SoC。貝加爾-T1的主頻為1.2 GHz,採用了臺積電28nm製造工藝,功耗約為5W,封裝為25 x 25mm。MIPS P5600 CPU核是英國Imagination公司收購MIPS公司之後,在2013年發佈的勇士系列的CPU IP內核產品。

富士通:2009年推出型號為Venus SPARC64 VIIIfx的8核心設計,採用了45納米制造工藝、功耗僅為英特爾同性能處理器的三分之一、高速運算能力是英特爾處理器的2.5倍,擁有128GFLOPs的浮點運算能力,對比英特爾Nehalem架構處理器Xeon 5500的浮點運算能力為76GFLOPs。日本超算“京”即採用富士通芯片產品搭建。近來富士通服務器轉向ARM和x86構架,實質放棄自主構架。

日本還有其它芯片廠商,如NEC,瑞薩科技,Toshiba,Panasonic,Mitsubishi Electric,Hitachi,Sony,Sharp,但後來均轉向ARM路線,開發功率半導體、閃存、CMOS、電容器、工控產品等。沒錯,日本就是這麼彪悍,只是有美國大兵這個特產,結果大家都知道嘍。

日本發展半導體經驗對中國的啟示:

美日貿易戰前夕,日本半導體芯片產業稱霸世界。1985年,經過十年“戰爭”,日本搶佔半壁江山。在世界十大半導體企業中,日本一個國家就佔了五席:NEC(1)、第二名東芝(2)、日立(3)、富士通(8)、三菱電機(9)。

1984年,集計算機OS和CPU設計一體的大型計劃TRON項目開始作為日本國策開始實施。目的要建立日本獨立的計算機軟硬件體系。作為TRON項目成果:1987年日立發佈了H8/H16/H32三款CPU,分別是8位/16位/32位。

這些項目成果產品引發了日美貿易摩擦,美國政府向日本政府施加壓力。TRON計劃被大幅度縮小,只限定在實時嵌入式領域。H32由於TRON項目縮小也被放棄。

此後日本CPU都定位於嵌入式領域,避免與美國直接衝突。嵌入式領域市場龐大並被細分,手機、遊戲機、汽車、各種家用電器、各種工業生產裝置,這些領域都是日本的強勢領域。這些東西和我們日常生活密切相關,但我們往往覺察不到它們裡面計算機的存在。

軟件系統TRON被大幅度縮小,成了uITRON,TRON前面的uI分別代表微型和工業的意思。軟件和硬件系統的結合,使日本的CPU在日本嵌入市場上成為主導,外國CPU佔的市場份額很小。

1986年9月,日本通產省正式與美國簽訂《美日半導體協議》。此後的二十年,由於協議的限制,日本的半導體產業節節敗退。當時美日商量計劃平分中國大陸市場,結果高通英特爾用遠低於市場的價格把日本擠走,霸佔了中國市場。丟掉中國市場後,日本半導體產業走上了滅亡的快車道。2017年,在世界十大半導體企業裡,日本從五席銳減到一席,僅有東芝上榜。而根據2018年最新消息,東芝也在出售其閃存業務,這樣日本的半導體產業實質全軍覆沒。

由此可見,中國目前面臨的形勢與日本上世紀80年代較為相似,都是民族工業即將崛起出現美國高端產品替代公司和產品後,美國即對中國政府推出的”中國製造2025“施壓,同時直接分佈相關法律或以知識產權藉口禁止中國高科技企業進入美國市場,由於美國在2012年即開始禁止華為進入美國市場,但經過幾年發展華為實力反而漸漲,美國政府不得不直接出手,從美國國會限制中興華為的相關提案的100%通過、以及中興先被罰款後又找藉口制裁、擬禁止阿里巴巴雲服務、CFIUS嚴格審查中國收購歐美芯片企業等一系列事件可以看出,美國在遏制中國芯片產業上是不留任何餘地的。而這些事件也並絕非孤立的所謂的違反法律、禁運事件。

而借貿易戰之藉口談判對中國政府提出各種措施,也與日本當初面臨情況類似,但不像日本有美國特產大兵,而且強有力的政府在雄厚資本和國家凝聚力的配合下,也有積極向好的一面,比如中興被制裁,會促使中國高科技企業更加重視自主知識產權,豎立核心技術至少不能完全依賴國外企業的意識。

同時,也需要注意中國自主芯片產業面臨的切實困難:長期不被足夠重視資金不足、人才資源不足、國外的專利技術和標準壁壘等,需要長期積澱才能越過這些障礙。而在芯片的行業發展上,也面臨百花齊放的局面,這種局面是把雙刃劍,可以促使有競爭力的企業脫穎而出,但也可能導致陷入無序狀態,資金、人力、政策等各種資源分配上過於分散不易迅速形成行業龍頭。

具有中國背景的私募基金Canyon Bridge Capital Partnerse曾計劃收購美國 FPGA半導體生產商Lattice Semiconductor(萊迪思半導體)所有股份但失敗,在收購Imagination Technologies Group Plc時,為規避美國政府審查,剝離了旗下的位於美國的MIPS嵌入式處理器業務,以6500萬美元賣給了Tallwood MIPS。再看目前國內已經進入芯片領域的華為、中興、阿里巴巴被美國限制市場禁入或者制裁,以及韓國芯片三星日前遭遇美國種種專利等司法案件來看,核心技術仍然是有國界的,即一旦某一核心技術被美國之外的國家掌握,就會面臨美國相關機構的打壓和長臂管轄。

極為重要也最遺憾的一點是目前國內仍然缺乏一個能得到各大廠商共識並且完全自主知識產權的芯片構架體系,從阿里巴巴的自主構架以及其他加入RISC-V陣營的企業如華為來看,越來越多的中國企業意識到核心構架自主知識產權的重要性。寄希望於將來隨著國家和相關互聯網巨頭企業的涉足,能夠引領相關完全具有自主知識產權和配套生態產業鏈的芯片技術出現,

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