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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撰文 | 机器之能

“ 吉姆 · 凯勒（Jim Keller）是一个摇滚明星，英特尔失去了一位伟大的建筑师，” Moor Insights and Strategy的总裁和首席分析师帕特里克·穆尔黑德向媒体说道。

机器之心6月12日消息，英特尔宣布负责硅工程部门(Silicon Engineering Group)的高级副总裁吉姆 · 凯勒因为个人原因辞职，辞呈立即生效。不过，吉姆 · 凯勒将继续出任公司顾问六个月时间，以协助工作交接。

吉姆 · 凯勒是英特尔新架构的策划者之一，在宣布辞职之前，他已在英特尔工作了两年，提出了 3D 堆叠芯片等创新方法。英特尔表示，此后他还将留任顾问六个月以进行工作交接。随着凯勒的离开，英特尔也进行了一系列组织架构调整：

尽管吉姆 · 凯勒在计算机行业之外鲜为人知，但他无疑是芯片领域的超级明星。

他的设计帮助AMD从一个失败者变成了一个受人尊敬的竞争者；特斯拉 汽车 能识别红灯和停车标志，那也归功于他的设计。从iPhone到谷歌云服务器，再到Xbox 游戏 机，所有芯片里都潜藏着他的核心工作。

一 所到之处皆留下「大作」

作为半导体业界的传奇人物，在吉姆 · 凯勒近40年的职业生涯里，从业经历颇为丰富，虽然跳槽频繁，但所到之处均留下了痕迹——在英特尔、特斯拉、AMD、苹果和Alpha等公司就职期间留下了不少经典之作，是的，你所知道的「翻身」故事有不少都是出自他之手。

第一款以500 MHz运行的芯片，其内存缓存达到1 GHz，这是当时闻所未闻的速度。Alpha还率先推出乱序运行软件指令，以提高性能。

吉姆 · 凯勒与AMD的渊源最为深厚，在两次为 AMD 效力的经历中，他曾先后主导了 AMD Opteron(K7和K8 X86-64架构)和 Zen 架构，无论是主流的Ryzen还是发烧的Ryzen ThreadRipper都让人惊喜万分。

而在服务器、数据中心领域，AMD曾经凭借Opteron在服务器领域拿到过27％的市场份额，风光一时无两。

Opteron是最早的64位处理器之一，可安装在服务器中，并开创了一种称为HyperTransport的数据通信标准，该标准至今仍在云计算中广泛使用.

凯勒致力于提高图形能力。为最初的iPad和iPhone 4供电的芯片启用了Apple的第一个高分辨率“视网膜”显示器。

特斯拉表示其首个内部人工智能 该芯片旨在实现自动驾驶，其性能是其替换的Nvidia芯片的20倍。

低功耗芯片是Intel 最早受到凯勒影响的设计之一，旨在运行小型便携式设备，但可以扩展到PC。

二 加入英特尔：「被他深深的挣扎所吸引」

三 每一次转身，都卡在节点

在加入英特尔之前，吉姆 · 凯勒已经活成了一个传奇。AMD二十多年来几次挑战英特尔，还有苹果A系列的一炮而红，都与其有密切的关系。

吉姆 · 凯勒在上世纪九十年代就曾在DEC工作， 并涉足了Alpha处理器项目的设计。这段经历让他对Alpha处理器获得了深入了了解，并为后面的经历埋下了伏笔。

在DEC被收购之后，公司大批人才出走，当时求贤若渴的AMD CEO Jerry Sanders 立即招募了大量 Alpha 项目的资深工程师，其中包括吉姆 · 凯勒。进入AMD后，凯勒参与了K7处理器的设计，并成为后来K8的主架构师，由于这开启了AMD对Intel的大反击，因此这对吉姆 · 凯勒的职业生涯是一个重要加成。

K7综合性能超越同频的奔腾III（代号Katamai），让所有的用户为之震惊。吉姆 · 凯勒 还主导了将战火推向最高潮的K8架构核心研发，但在第二年，他离开AMD。在不少人看来，凯勒的突然离开似乎有些“虎头蛇尾”，但是，AMD首席技术官Fred Weber有不同看法。

“我不认为，他没有完成任务（就走了），他肯定完成了。”“他更像是一个项目的前沿人物。好消息是，他的前线做了这么多工作，设定了这么好的方向。”

对于一名这位工程师中的工程师来说，解决清楚有趣的问题永远排在第一，“工程师喜欢工作，不想再胡扯了。”他说。在他旅程的下一站，很重要的一个节点换做了苹果。

苹果A系列处理器之所有能够获得今天的市场地位和表现，一个很重要的原因在于2008年收购了PA-Semi。这家公司是由Daniel W. Dobberpuhl在2003年创立，专注于高端个人电脑和服务器的芯片，而且他们都曾效力于DEC。

Daniel W. Dobberpuhl在半导体领域的地位是吉姆·凯勒目前难以企及的。不过，在加入PA-Semi工作的几年里，吉姆·凯勒在老板的领导下，继续积累了低功耗RISC处理器的设计经验。直到2008年，苹果将PA-Semi收归囊中。

对于凯勒来说，苹果的吸引力主要有两方面。一个是向世界上最坚韧、最成功的CEO史蒂夫·乔布斯学习；二是新兴智能手机带来的挑战和乐趣。

在此之前，iPhone的前三个版本都使用了三星芯片，凯勒加入后，成立了苹果自己的芯片团队。从iPhone 4开始，苹果采用了凯勒设计的芯片。他对苹果A6和A7影响最大（这两款芯片用在了iPhone 5和5s上）。设计速度不仅比竞争对手快，还对芯片进行了优化，图形处理更加流畅，让竞争对手相形见绌。另外，芯片还加速了iPhone的语音处理，为Siri提供了支持。

凯勒还吸收了乔布斯的一句格言，这句话也在其后续辉煌中，产生共振：“一旦你知道什么是正确的事情，这就是你应该做的所有事情。”

随后，看到新问题和机会的凯勒再度回到正处水深火热的AMD。凯勒给AMD带来的市场优势此时已经黯然褪去，英特尔又再度居上。他知道原因在哪里：

AMD芯片设计错综复杂，难以改进，而优秀的工程师又会花很长时间优化旧芯片的设计。这个时候需要的不是优化，而是借助新技术，从零开始。

芯片本质上就像在搭乐高：用更小，单独制造的硅块组装成更大，更复杂的芯片。凯勒意识到，他可以通过将几个小芯片组合在一起，为高计算强度的活动制造出新的芯片，比如深度学习。这样的设计比单个集成芯片更便宜，但仍然很强大，而且，模块化设置能够实现在不产生太多热量的情况下，增加计算能力。这些小芯片还可以在更大配置中工作，满足云计算数据中心的需求。

“他有那种疯狂的专注力。”　这是同事对他的评价。他设计的首批芯片被称为Ryzen系列，直到2017年才上市。价格低于英特尔，但在某些情况下，性能却超过英特尔，引发市场轰动。到2019年，仍然采用凯勒设计的第三代Ryzen芯片几乎在所有方面都击败了曾经的对手。

写到这里，典型的故事结尾又发生了：在Ryzen上市之前，大神早已转身离开。

四 遇上马斯克，迷上制造

“他是我们行业的阿甘，”AMD前首席技术官Fred Weber曾评价道，“他总是置身于有趣的事物之中，并做出改变。”

回到老东家创造奇迹后，大神又转会到特斯拉。还记得马斯克在2016年股东大会上大谈工厂自动化吗？当时，他也谈到了片上系统（Soc），主要原因就是2016年1月，凯勒加入了特斯拉。

马斯克想要制造自动驾驶 汽车 ，但是，英特尔和英伟达的产品都不足以让这位天才工程师满意。而在加入特斯拉之前，凯勒已经真正将 汽车 视为计算机领域的挑战。在工作面试过程中，凯勒说服马斯克，自己可以设计一种专利芯片，运行速度比对手快10倍。

一旦了解特斯拉软件的运行方式，凯勒发现，可以忽略或者最小化英伟达芯片中那些与特斯拉软件不太相关的组件。2019年，凯勒设计的芯片开始被纳入Model 3系列和其他车型，公司业绩也增长了20倍。

不过，让人印象最深刻的是凯勒还在芯片设计上增加了一项功能：Model 3在遇到红灯和停车标志时，会自动停车。

凯勒被特斯拉的制造业务迷住了。通过观看 汽车 组装过程，他发现，虽然许多部件需要使用5年或10年，但是，芯片需要频繁更新，每两三年更新一次。于是，他说服特斯拉重新设计计算机组件与 汽车 其余部分连接方式，方便公司更容易更换芯片板。

五 转身之后

就在凯勒从英特尔离职的前一天，英特尔发布了新的 Lakefield 混合处理器，其中包括他参与设计的低功耗Tremont处理器，对于凯勒来说，他已经完成了现阶段在英特尔的任务。

或许，和过去每次转身一样，等不及看着自己的工作结出市场硕果，在完成最为开创性新的工作之后，又去寻求下一个激动人心的问题和解决之道。

鉴于吉姆 · 凯勒和前雇主 AMD 的「深情厚谊」以及后者近几年突飞猛进的发展，很多人猜测他「可能重回 AMD」，可谓「Once an AMD forever an AMD」。

也有人猜测，他可能重回苹果。因为前段时间彭博社报道称，苹果可能会在今年 WWDC 2020 上宣布自家 Mac 产品将会从英特尔处理器转向 ARM 处理器。真是一个巧合的时间点。

对于当下风云变化莫测的芯片市场来说，这位重量级人物的“恢复单身”势必会引发新的人才争夺，不知道这一次是否会出现中国大厂的身影？

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