半导体系列（三）：芯片设计篇之CPU研究，国产CPU到底行不行

CPU又称中央处理器，作为计算机系统的运算和控制核心，是半导体产业技术最密集、最具战略价值的产品，是一个国家技术势力的象征。

目前CPU的市场基本被美国的两大公司垄断，分别是大哥Intel和小弟AMD，两家几乎占领了99%的市场份额。

目前Intel和AMD以X86指令集和微软共同建立了庞大的生态系统并且不对外开放，这样一来，中国队想要自己做CPU的空间不多了。

01 CPU定义

CPU在半导体行业中是人们常接触到的一种芯片，最常见的应用就是在电脑中，其中有名的有Intel的 i9-11980HK 和AMD的 R7-5800X 。

按照CPU种类来分类，可以分为服务器CPU、家用电脑CPU、嵌入式设备CPU和手机CPU，服务器CPU需要更出色的性能、稳定性和安全性，要求服务器365天开机运行，连续工作，一个服务器可以安装多个CPU；而家用电脑CPU性能要求相对较低，容量较小，不要求连续工作，一个电脑只能安装一个CPU；嵌入式设备和手机对CPU的性能要求相对更低。

按照CPU指令集架构来分类，CPU可以分为RISC和CISC。

CISC 即复杂指令系统计算机，物如其名，CISC是比较复杂的，指令系统比较丰富，有特定的指令来完成对应的功能，可以处理特殊任务。

RISC及精简指令集计算机，把精力集中在经常使用的指令上，对不常用的功能，通过组合指令来完成，实现简单高效的特点，一次RISC不能处理特殊任务。通俗来说就是经常用的功能简单化，不经常用的功能复杂化。

这其中CISC代表的指令集有X86，RISC代表的指令集有ARM、MIPS、RISC-V、Alpha、SPARS，除了这两种之外，还有我国自主研发的指令集DEC和LoongArch。

02 六大国产CPU

首先我们来了解一下什么是CPU的生态环境， CPU的生态环境就是一块CPU推出后，系统和软件对它的支持和优化有多少， 比如国产CPU龙芯就没有一个好的生态，不论是采用MIPS还是自主研发的LoongArch都不能支持Windows系统。

自主建立生态环境又难于上青天，而生态如果没有建立，软件商店就不会有软件（比如QQ在Linux中停更），这也是国产CPU发展最大的瓶颈之一。

目前国内有六大CPU设计厂商，他们是华为、飞腾、兆芯、申威、龙芯、海光（均未上市），他们分别以不同的方式参与CPU的设计。

CPU国产替代的故事得从Intel开始。

Intel趁着PC的东风迅速发展，建立了X86架构，标识了一套通用计算机指令集合，并且与微软一起在X86指令集上建立了庞大的生态。

目前的X86指令集不对外授权，只被英特尔和AMD所掌握，而X86又是PC、服务器领域做得最好的，别的指令集的生态环境远远抵不过X86，留给中国队的发展空间实属有限。

中国队CPU分为3个路线。

其一是由 龙芯 和 申威 代表的：自研指令集

龙芯最初采用的是MIPS精简指令集，制作通用CPU，主要产品是自主可控消费类例如服务器、台式机、嵌入式、航天器等领域。

申威最初采用的是Alpha精简指令集，主要应用在超级计算机和军事领域。

龙芯和申威都因为生态的原因，很难发展起来，尤其是龙芯，想要打入服务器和台式机市场必须有很好的生态。

龙芯因为MIPS的分崩离析，开始发展自己的指令集—— LoongArch ，它是完全有龙芯自主研发，可以兼容MIPS生态， 并且开始尝试用二进制翻译兼容ARM、X86处理器，龙芯的目标是在2025年消除指令集之间的壁垒，彻底搞定兼容问题。

申威也因为Alpha被收购，开始发展自主研发的指令集—— SW64 ，它是由Alpha改进而来，申威制作的神威·太湖之光超级计算机便采用SW64指令集，被称为“国之重器”，在国际上都有一定的地位，多项指标全球第一。

第二路线是由 华为 和 飞腾 代表的：ARM指令集授权

华为芯片“四大天王”麒麟、鲲鹏、巴龙、升腾中，除了巴龙以外，均采用ARM指令集授权来开发。这其中最著名的就是“麒麟”了，在手机领域一度领先，直至海外因畏惧华为的崛起，开始了制裁华为事件，就此“麒麟”短暂隐身。

飞腾也是国内目前使用ARM架构制作CPU的厂商之一，其技术不弱于高通，目前公司也被美国列入黑名单，其芯片制造环节同样被卡脖子，可能成为第二个华为。

除了华为和飞腾以外，国内以ARM架构制作芯片的厂商还有很多，例如贵州华芯通、展讯通信等。

第三路线是由 兆芯 和 海光 代表的：合资获取X86授权

兆芯的X86架构授权是源自于VIA公司将部分X86处理器相关技术、资料等IP产权以1.18亿美元价格卖给兆芯。兆芯基于X86的生态和技术，性能方面普遍高于龙芯，但还是不能和英特尔比肩。

海光的X86架构授权是通过和AMD合资公司来拥有AMD授权IP，但并不是完整的技术转让，而是阉割后的残缺版，所以性能上面和AMD锐龙、高通骁龙差一个档次。

03 RISC-V

RISC-V近些年流行的新型指令集，它是一种开源式指令集，对使用者免费开放，也是这种特性使它被众多专家认为是中国处理器产业的一次机会，而且可能是最后一次机会。

目前全球CPU的市场格局是以X86架构垄断PC、服务器行业；ARM架构垄断移动设备行业，这两家几乎涵盖了所有CPU市场需求。

X86架构归“Wintel”（英特尔+微软）所属，是一种封闭指令集，不对外授权， 简单说就是谁也别想用，就我自己能用 ；ARM架构属于可授权指令集+可授权设计， 简单说就是你用需要经过我同意并且收费，你想再它基础上设计还得再经过我同意并且再收费。

正因为如此，RISC-V作为开放式指令集，被中国队大力支持，看作救命稻草。

那RISC-V究竟有没有那么好呢？我们主要得看两方面： 一个是它的生态好不好，生态是决定指令集发展空间的最大因素；另一个就是它到底是不是彻头彻尾的免费，日后会不会再被卡脖子。

第一，RISC-V的生态怎么样。

RISC-V具有性能高、功率低、面积小、易于扩展等技术特点，最重要的是它的开源、免费的独特属性，为其带来众多合作商，影响力逐步扩大。

从2015年组织RISC-V基金会成立是的25个成员，到现在已经有超过300多个单位的加入，其中包括阿里、谷歌、华为、英伟达、高通、中科院、麻省理工等等。

日前，有知情人士表明，英特尔将以20亿美元收购RISC-V领域的重量级公司SiFive，这也表明了英特尔的态度。

虽然英特尔靠X86架构在PC、服务器领域无人能敌，但是移动设备一直是他的心病，ARM在移动设备领域是他无法抗衡的，而RISC-V的出现，给了机会。

但是看好归看好，ARM的垄断地位依旧很难撼动，RISC-V后续可能与X86联手对抗ARM，但更大的可能是打入嵌入式设备市场中，做物联网领域的“一哥”。

总体来说，不论是PC、服务器，还是移动设备，都很难被RISC-V介入，相反一些嵌入式设备比如空调、冰箱、扫地机器人、电动车等等发展环境更好。

第二，RISC-V是否永远免费。

RISC-V源于2010年，加州大学伯克利分校的一个研究团队研发，当时他们因为市场已存在的指令集相当复杂，且成本和门槛太高，所以建立了新的指令集。

“开源架构RISC-V将永久免费，成为人类共有财产。相较于X86和ARM架构的高门槛，开源架构RISC-V将带来芯片设计的革命”——RISC-V架构开发者之一Krste Asanovic博士。

这是RISC-V架构开发者的原话，表明该指令集是完全开源免费的，到目前为止他们也很好的履行了，甚至把基金会总部搬离美国，迁移至瑞士（永久中立国）以防止美国地方政策的限制。

尽管RISC-V从表现来看做得很优秀，但抽丝剥茧，终究还是有隐患在的。

实现RISC-V指令级架构的处理器内核有很多个不同的微架构实现，而微架构实际的模式是分不同类型的，其中有开放的、需授权的以及封闭的。

虽然基于RISC-V开发CPU不需要支付授权费用，但如果直接用RISC-V内核设计，也是需要支付授权费的。通俗来说就是你用我不需要收费，但是想在它的基础上设计得经过我同意，甚至收费（我们目前是全免费，但我有权利在以后收些钱）。

总结来说，目前全球的指令集呈现以X86、ARM、RISC-V三足鼎立的局势，RISC-V作为新时代的弄潮儿得到了各大厂商的认可，有发展的空间，但它不足以撼动其他两个指令集的地位，不过可以预料到的是，等RISC-V成长起来，仍然有可能对我国CPU发展卡脖子，我们需要保持隐患意识，在跟随洋人步伐的同时，发展自身CPU业务。

纵观国内厂商在电脑CPU领域，龙芯以自研为主，开发属于中国的指令集，目前已经可以满足一些党政领域以及机密工作的需求，但打入家用电脑领域仍需要提升CPU的生态和性能；服务器CPU中，申威在超算上小有成绩；华为近期也有消息称完成40nm去美化工作线投产，在明年更将攻破20nm的工作线，麒麟可能会重新归来；一些未上市公司如芯来 科技 、平头哥等也有在尝试RISC-V领域。

种种迹象都在证明，虽然我们起步慢了30年之久，但国产CPU一直在突破，路途艰辛却一路披荆斩，长夜漫漫，但黎明终将到来。

全文由各种资料查证，如有专业领域上的错误，希望可以抛砖引玉，有所探讨。

芯片全产业链图（绿底已经写完）

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深圳特区成立40周年之际，首届慕尼黑华南电子展在深圳国际会展中心举办。期间芯师爷专访了全球电子产业链的近20家领先企业、潜力企业的领袖及高管，特别推出“慕名而来·圳好”专题报道，与众多业内人士共同探讨全球电子产业趋势、中国半导体发展和技术创新等热点焦点话题。

本文为芯师爷专访极海半导体资深产品总监王超实录。王超，极海半导体资深产品总监，拥有近20年芯片原厂市场及产品规划经验，曾在ST（意法半导体）、NXP（恩智浦）等企业MCU部门长期任职。

珠海极海半导体有限公司（以下简称：极海半导体） ，是艾派克微电子旗下全资子公司。极海半导体具有20年的集成电路芯片设计经验，现产品涵盖32位工业级通用MCU，低功耗蓝牙芯片以及工业物联网SoC-eSE大安全芯片产品与方案。

采访实录

1、您对慕尼黑华南电子展的初印象是什么？

极海半导体资深产品总监王超：

慕尼黑华南电子展在深圳虽是首次开展，但其实在电子行业内闻名已久，慕尼黑电子展在行业内的影响力以及展会策划能力是值得信赖的。所以这一次就先祝本次电子展完圆满成功。

2、本次参展极海半导体带来了哪些新的产品展示？请介绍下它们的性能特色、主要优势等。

极海半导体资深产品总监王超：

关于新产品， 极海这次带来了两个系列产品，一是通用32位MCU系列；二是针对于高端工业物联网领域的大川GS系列

32位通用MCU系列中，极海推出了工业级扩展型APM32F072xB和工业级增强型APM32F051x8系列MCU新品。

这两款MCU采用全新的制造工艺，新增电容触摸功能和HDM CEC接口，可精准识别触控输入指令，满足高级控制应用需求，实现了比市场主流竞品低50%的超低运行功耗、高1倍以上的Flash擦写速度。

另外我们今年还推出了5款针对高端工业物联网领域的大川GS系列SoC-eSE大安全芯片。这个系列产品全系列产品都是基于国产平头哥玄铁CPU，支持双核、4核到7核的多核异构架构，符合国密二级标准，并采用国内领先水平的嵌入式eSE安全单元技术，具备全方位一体的安全防护能力，相比市面上较多的独立安全芯片方案，大川eSE单芯片SoC方案具有更高集成性、更低功耗和更高安全性。

3、极海半导体成立的契机是什么？目前极海半导体的产品布局是怎样的？

极海半导体资深产品总监王超：

极海半导体前身是艾派克微电子2015年成立的物联网芯片事业部，经过了4年的内部孵化，为顺应物联网的行业的蓬勃发展，于2019年12月正式成立为独立运营公司。

其实当公司业务做大，需要扩增规模进入下一个领域的时候，大多都会采用这种矩阵形式来经营管理，成立独立公司有助于子公司的业务灵活运营，便于激励和业绩考核。

目前母公司艾派克更聚焦于打印机及打印机周边芯片开发，极海的主营业务主要在打印行业以外，现 产品涵盖32位工业级通用MCU，低功耗蓝牙芯片以及工业物联网SoC-eSE大安全芯片产品与方案。

4、截止当前，极海半导体的MCU系列产品在技术和市场上有何新发展？

极海半导体资深产品总监王超：

在市场方面，极海 APM32系列MCU自2019年量产发布以来，已广泛应用于消费电子、智能家居以及医疗设备领域。且极海已经通过IEC61508认证拓展至工业领域， 与国内工业智能制造的标杆企业建立了密切合作 ，为工控核心设备提供高安全、高可靠性国产MCU产品方案。目前极海已经在定义和设计M4和M7内核的中高端MCU。未来，极海还将布局高价值、高门槛的车规MCU市场，实现MCU领域的全行业覆盖。

从技术上来说，极海的产品有以下几个优势：

1）稳定可靠 ：全系列产品工作温度覆盖-40 ~+105 ，ESD等级高达8KV，抗干扰性强，可满足严苛工作环境需求。

2）可移植性好 ：有助于客户降低芯片替代成本，缩短产品开发时间，加速产品上市。

3）安全性高： 已通过中国IEC61508和USB-IF认证，并支持工业级MCU+安全芯片产品组合，符合工业和车用高可靠性标准，目前正在申请德国相关认证。

4）定制能力强 ：基于极海多年的产品开发经验，极海能满足客户多种内核、多种架构的SOC的定制需求。

5、近两年国产MCU发展得比较快，市场出货量不断攀升，您如何看待现在的国产MCU市场？

极海半导体资深产品总监王超：

目前5G新基建、人工智能以及物联网万亿级市场的持续发展，为国产MCU带来了广阔的市场空间。另外，中美贸易战也催化了芯片国产替代进程，在内外因素的双重影响下，国产MCU迎来了新一波快速发展的机遇。

但值得注意的是，国产MCU虽然在加速发展，但目前来说主要集中在中低端应用领域，高端市场仍被国外厂商占据主导地位。

6、在未来的规划中，极海半导体的MCU将在哪些方面加强产品优势，增强市场竞争力？

极海半导体资深产品总监王超：

从极海来说，未来一方面将加大MCU芯片研发投入和技术创新力度，为客户提供更低功耗、高更性能、更高稳定性和性价比的产品。极海将在2021年年底推出基于M4内核的中高端产品，基于M7内核的芯片也在积极筹备中，意向客户们也可以找极海多交流。

另外， 针对高端工控领域，我们将推出工业级 MCU+安全 芯片的产品组合策略；针对消费电子领域，我们将提供基于 MCU+蓝牙、MCU+传感器、MCU+WIFI、MCU+认证 等方案，为市场提供更多面向不同场景的定制化方案。

7、 极海半导体的大川系列是安全芯片，您认为芯片设计该从哪些方面保障物联网的安全？

极海半导体资深产品总监王超：

极海大川GS系列安全芯片设计是从以下3个方面去保障物联网的安全性：

一是芯片的安全化+可靠容错设计 ：通过构建可信执行环境和可定制化的硬件机制，保障物联网安全资源的机密性和完整性。

二是采用高集成度的eSE嵌入式芯片设计 ：以安全子系统是作为单芯片内嵌模块，可实现多位一体的安全防护，这样能有效保障芯片器件自身安全以及物联网数据信息安全。

三是多核异构芯片设计 ：采用全国产平头哥玄铁CPU，可提供双核、4核至7核的灵活混编CPU内核设计，具备“业务应用加速与安全防护”双重优势，支持物联网特定领域的专用IP定制。

8、现在市场如何看待物联网的安全问题？

极海半导体资深产品总监王超：

随着物联网万亿级市场的持续发展，像用户的数据被窃取，终端的设备遭到非法地 *** 控等安全威胁也越来越多地暴露出来。这样一来保障物联网数据传输、设备连接过程中的信息安全，对于稳定有序的互联时代的发展至关重要。

尤其是国际贸易争端加剧，现在 越来越多的国内企业开始关注和重视物联网安全问题，并且急切 的 寻求安全的国产芯片替代方案。 所以极海除了刚才提到的大川GS系列安全芯片，未来还将不断推出专注于物联网安全的产品和方案。

9、您对明年慕展有什么期望？是否会继续参会？

2021年我们会继续支持慕尼黑华南电子展。同时也期待我们在展会上能不断提升品牌知名度，收获更多优质客户。

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