国产自主芯片行业盘点之一:电脑通用CPU芯片

CPU指令集分类主要分有两大阵营,复杂指令集计算机(CISC)和精简指令集计算机(RISC)。而CPU构架主要有:X86/Atom、ARM、MIPS、OpenRISC、RISC-V等等。

PowerPC最初由APPLE、IBM、MOTOROLA组建的AIM联盟开发,后AIM联盟被Wintel联盟分化,导致IBM独立分出应用微电路公司(Applied Micro Circuits Corporation,转向PowerPC嵌入式和ARM嵌入式产品)、MOTOROLA独立分出Freescale(即飞思卡尔,转向Power和ARM嵌入式产品,2015年被恩智浦半导体收购),国内有中晟宏芯。由于芯片市场逐渐集中于低功耗和高性价比的移动计算芯片,PowerPC虽然渐渐淡出视野,但其处理能力和单芯片架构上的优势,在工业控制领域和信息产业仍旧具有强大的影响力。

下面详细说说国产厂商在通用计算CPU芯片领域的情况。

1、天津飞腾信息技术有限公司:飞腾推出面向高性能通用计算应用的Sparc指令集如CPUFT-1000/1500系列、后放弃自主构架转向ARM64构架推出FT-1500A/2000系列企业级应用处理器,FT-2000+ 集成了64个飞腾自主开发的微处理器内核FTC662,主频2.2G-2.4GHz,典型应用功耗90W。64核ARM处理器性能堪比Intel 14核28线程的Xeon处理器。FT-2000/64主要应用于高性能、高吞吐率服务器领域,如对吞吐能力要求较高的互联网/云计算服务器、对计算性能要求较高的行业业务主机等。

2、无锡江南计算技术研究所:推出申威处理器或申威CPU,简称 “SW处理器”。SW处理器源自于DEC的Alpha 21164,采用自主指令集。SW26010就是260核心众核架构,乱序执行架构,频率1.45GHz,整个处理器包括4个MPE(Management Processing Element)管理单元、4个CPE(Computing Processing Element)计算单元及4个MC内存控制器单元组成,其中CPE单元又由8x8阵列的64核心组成,所以总计是260个核心(4x64 4=260)。与其他国产处理器相比,申威系在性能上完全走在了前列,SW26010的理论浮点性能高达3TFLOPS,其性能完全可与Inel最新的Xeon Phi加速卡一拼。由于中国超算发展过猛,被美国禁运相关芯片,因此神威太湖之光采用了申威SW26010处理器,使得中国超算得以刷榜两年之久,足见此CPU性能之强悍。

8、澜起科技:与Intel、清华微电子合作,Intel提供完整x86 CPU核,集成清华微电子FPGA或CPLD作为可信计算模块最终封装产品,实为intel抢占中国市场的马甲产品,合作模式不明,发展前景不明。

10、杭州中天微系统有限公司:开发基于C-SKY V2自主指令架构与16/32位可变长指令系统的面向机器视觉/人工智能等应用的超高性能计算引擎C-SKY®嵌入式CPU之CK860/CK860MP、面向高端嵌入式应用的高性能运算引擎面向高端嵌入式应用的高性能CPU核产品C-SKY®嵌入式CPU之CK810、面向中高端嵌入式应用的高能效CPU核产品C-SKY®嵌入式CPU之CK807。2018年4月20日,中天微系统有限公司被阿里巴巴集团宣布全资收购。

11、华为:2016年06月华为展出Hi1612 ARM架构64位处理器的华为“泰山”TAISHAN ARM服务器,采用ARM Cortex A57内核,拥有16个核心,兼容ARMv8-A指令集,使用台积电16nm工艺制造。用来做生态系统验证,但并非推广的CPU和量产型号。根据消息,华为也已经加入RISC-V阵营,由于RISC-V发布仅两年有余,生态尚不成熟,还未见相关成熟产品推出。

此外,由于最近兴起的RISC-V指令集是一个现代的、没有专利问题和没有历史包袱的全新指令集,并且以BSD许可证发布。RISC-V在功耗、性能、面积等各种层次都不输给ARM,任何公司都可以在自己的产品中免费使用,而修改也无需再开源。应用前景有物联网、移动计算、人工智能,较为广泛,不少国内企业已经在试图加入RISC-V阵营,如武汉市聚芯微电子有限责任公司基于蜂鸟E200--RISCV的通用处理器内核。

其它国家的自主通用芯片:

俄罗斯计算机制造公司T-Platforms:贝加尔-T1集成了两个MIPS P5600 CPU核,以及DDR3、SATA 6Gbps、PCI-E 3.0、10Gb/1Gb以太网等模块,本质上来说,贝加尔-T1其实是一款SoC。贝加尔-T1的主频为1.2 GHz,采用了台积电28nm制造工艺,功耗约为5W,封装为25 x 25mm。MIPS P5600 CPU核是英国Imagination公司收购MIPS公司之后,在2013年发布的勇士系列的CPU IP内核产品。

富士通:2009年推出型号为Venus SPARC64 VIIIfx的8核心设计,采用了45纳米制造工艺、功耗仅为英特尔同性能处理器的三分之一、高速运算能力是英特尔处理器的2.5倍,拥有128GFLOPs的浮点运算能力,对比英特尔Nehalem架构处理器Xeon 5500的浮点运算能力为76GFLOPs。日本超算“京”即采用富士通芯片产品搭建。近来富士通服务器转向ARM和x86构架,实质放弃自主构架。

日本还有其它芯片厂商,如NEC,瑞萨科技,Toshiba,Panasonic,Mitsubishi Electric,Hitachi,Sony,Sharp,但后来均转向ARM路线,开发功率半导体、闪存、CMOS、电容器、工控产品等。没错,日本就是这么彪悍,只是有美国大兵这个特产,结果大家都知道喽。

日本发展半导体经验对中国的启示:

美日贸易战前夕,日本半导体芯片产业称霸世界。1985年,经过十年“战争”,日本抢占半壁江山。在世界十大半导体企业中,日本一个国家就占了五席:NEC(1)、第二名东芝(2)、日立(3)、富士通(8)、三菱电机(9)。

1984年,集计算机OS和CPU设计一体的大型计划TRON项目开始作为日本国策开始实施。目的要建立日本独立的计算机软硬件体系。作为TRON项目成果:1987年日立发布了H8/H16/H32三款CPU,分别是8位/16位/32位。

这些项目成果产品引发了日美贸易摩擦,美国政府向日本政府施加压力。TRON计划被大幅度缩小,只限定在实时嵌入式领域。H32由于TRON项目缩小也被放弃。

此后日本CPU都定位于嵌入式领域,避免与美国直接冲突。嵌入式领域市场庞大并被细分,手机、游戏机、汽车、各种家用电器、各种工业生产装置,这些领域都是日本的强势领域。这些东西和我们日常生活密切相关,但我们往往觉察不到它们里面计算机的存在。

软件系统TRON被大幅度缩小,成了uITRON,TRON前面的uI分别代表微型和工业的意思。软件和硬件系统的结合,使日本的CPU在日本嵌入市场上成为主导,外国CPU占的市场份额很小。

1986年9月,日本通产省正式与美国签订《美日半导体协议》。此后的二十年,由于协议的限制,日本的半导体产业节节败退。当时美日商量计划平分中国大陆市场,结果高通英特尔用远低于市场的价格把日本挤走,霸占了中国市场。丢掉中国市场后,日本半导体产业走上了灭亡的快车道。2017年,在世界十大半导体企业里,日本从五席锐减到一席,仅有东芝上榜。而根据2018年最新消息,东芝也在出售其闪存业务,这样日本的半导体产业实质全军覆没。

由此可见,中国目前面临的形势与日本上世纪80年代较为相似,都是民族工业即将崛起出现美国高端产品替代公司和产品后,美国即对中国政府推出的”中国制造2025“施压,同时直接分布相关法律或以知识产权借口禁止中国高科技企业进入美国市场,由于美国在2012年即开始禁止华为进入美国市场,但经过几年发展华为实力反而渐涨,美国政府不得不直接出手,从美国国会限制中兴华为的相关提案的100%通过、以及中兴先被罚款后又找借口制裁、拟禁止阿里巴巴云服务、CFIUS严格审查中国收购欧美芯片企业等一系列事件可以看出,美国在遏制中国芯片产业上是不留任何余地的。而这些事件也并绝非孤立的所谓的违反法律、禁运事件。

而借贸易战之借口谈判对中国政府提出各种措施,也与日本当初面临情况类似,但不像日本有美国特产大兵,而且强有力的政府在雄厚资本和国家凝聚力的配合下,也有积极向好的一面,比如中兴被制裁,会促使中国高科技企业更加重视自主知识产权,竖立核心技术至少不能完全依赖国外企业的意识。

同时,也需要注意中国自主芯片产业面临的切实困难:长期不被足够重视资金不足、人才资源不足、国外的专利技术和标准壁垒等,需要长期积淀才能越过这些障碍。而在芯片的行业发展上,也面临百花齐放的局面,这种局面是把双刃剑,可以促使有竞争力的企业脱颖而出,但也可能导致陷入无序状态,资金、人力、政策等各种资源分配上过于分散不易迅速形成行业龙头。

具有中国背景的私募基金Canyon Bridge Capital Partnerse曾计划收购美国 FPGA半导体生产商Lattice Semiconductor(莱迪思半导体)所有股份但失败,在收购Imagination Technologies Group Plc时,为规避美国政府审查,剥离了旗下的位于美国的MIPS嵌入式处理器业务,以6500万美元卖给了Tallwood MIPS。再看目前国内已经进入芯片领域的华为、中兴、阿里巴巴被美国限制市场禁入或者制裁,以及韩国芯片三星日前遭遇美国种种专利等司法案件来看,核心技术仍然是有国界的,即一旦某一核心技术被美国之外的国家掌握,就会面临美国相关机构的打压和长臂管辖。

极为重要也最遗憾的一点是目前国内仍然缺乏一个能得到各大厂商共识并且完全自主知识产权的芯片构架体系,从阿里巴巴的自主构架以及其他加入RISC-V阵营的企业如华为来看,越来越多的中国企业意识到核心构架自主知识产权的重要性。寄希望于将来随着国家和相关互联网巨头企业的涉足,能够引领相关完全具有自主知识产权和配套生态产业链的芯片技术出现,

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