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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1、华为海思半导体有限公司：

目前是国内规模最大，技术最强的IC设计公司，2015年进入全球前十IC设计榜单。全球半导体市调机构IC Insights报告称，华为海思今年一季度销售额接近27亿美元，在全球半导体厂商（包括集成电路和O-S-D）中排名从去年同期第十五名一跃升至第十名，首次跻身前十。目前海思已成为中国第一、全球前五IC设计公司，是第一个将5G无线芯片组商业化以促进5G行业发展的公司。海思旗下芯片共有五大系列，分别是用于智能设备的麒麟系列、用于数据中心的鲲鹏系列服务CPU、用于人工智能的场景AI芯片组升腾系列SOC、用于连接芯片（基站芯片天罡、终端芯片巴龙）以及其他专用芯片（视频监控、机顶盒芯片、智能电视、运动相机、物联网等芯片）。

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2、紫光展锐：

由紫光旗下展迅和锐迪科合并而成，英特尔持有其20%股份。紫光展锐是紫光集团旗下芯片设计公司。

3、中兴微电子技术有限公司：

中兴通讯全资控股，其前身是中兴通讯于1996年成立的IC设计部，规模已跻身全国IC设计行业前三。

4、华大半导体有限公司：

CEC旗下子公司，国内前十大IC设计公司之一。2015年，华大半导体接受母公司中国电子无偿转让的上海贝岭26.45%股份，成了上海贝岭控股股东。

5、北京智芯微电子科技有限公司：国网信息产业集团旗下全资子公司，涉及芯片传感、通信控制、用电节能三大业务方向。

6、深圳市汇顶科技股份有限公司：国内最大的触控芯片供应商，汇顶科技在2016年10月17日上市后股价连续20个涨停后到达178元，市值一路飙至800亿，超过全球第二大手机芯片厂商联发科。目前，指纹芯片是其主要收入来源。

7、杭州士兰微电子股份有限公司：

旗下拥有士兰明芯、美卡乐光电、士兰集成公司、成都士兰半导体等子公司。2016年，士兰微集成电路营收同比增长20.92%，LED照明驱动电路为主要增长来源。

8、大唐半导体设计有限公司：

大唐电信旗下集成电路设计公司，前身为原邮电部电信科学技术研究院集成电路设计中心。

9、敦泰科技（深圳）有限公司：

台湾上市公司敦泰科技下属公司，敦泰科技是全球最早从事电容屏多指触控技术研发的公司之一，也是全球出货量最大的电容屏触控芯片提供商。

按照功能划分，可以分为四种类型，主要是内存芯片、微处理器、标准芯片和复杂的片上系统（SoCs）。按照集成电路的类型来划分，则可以分为三类，分别是数字芯片、模拟芯片和混合芯片。

从功能上看，半导体存储芯片将数据和程序存储在计算机和数据存储设备上。随机存取存储器（RAM）芯片提供临时的工作空间，而闪存芯片则可以永久保存信息，除非主动删除这些信息。只读存储器（ROM）和可编程只读存储器（PROM）芯片不能修改。而可擦可编程只读存储器（EPROM）和电可擦只读存储器（EEPROM）芯片可以是可以修改的。

微处理器包括一个或多个中央处理器（CPU）。计算机服务器、个人电脑（PC）、平板电脑和智能手机可能都有多个CPU。PC和服务器中的32位和64位微处理器基于x86、POWER和SPARC芯片架构。而移动设备通常使用ARM芯片架构。功能较弱的8位、16位和24位微处理器则主要用在玩具和汽车等产品中。

标准芯片，也称为商用集成电路，是用于执行重复处理程序的简单芯片。这些芯片会被批量生产，通常用于条形码扫描仪等用途简单的设备。商用IC市场的特点是利润率较低，主要由亚洲大型半导体制造商主导。

SoC是最受厂商欢迎的一种新型芯片。在SoC中，整个系统所需的所有电子元件都被构建到一个单芯片中。SoC的功能比微控制器芯片更广泛，后者通常将CPU与RAM、ROM和输入/输出（I/O）设备相结合。在智能手机中，SoC还可以集成图形、相机、音频和视频处理功能。通过添加一个管理芯片和一个无线电芯片还可以实现一个三芯片的解决方案。

芯片的另一种分类方式，是按照使用的集成电路进行划分，目前大多数计算机处理器都使用数字电路。这些电路通常结合晶体管和逻辑门。有时，会添加微控制器。数字电路通常使用基于二进制方案的数字离散信号。使用两种不同的电压，每个电压代表一个不同的逻辑值。

但是这并不代表模拟芯片已经完全被数字芯片取代。电源芯片使用的通常就是模拟芯片。宽带信号也仍然需要模拟芯片，它们仍然被用作传感器。在模拟芯片中，电压和电流在电路中指定的点上不断变化。模拟芯片通常包括晶体管和无源元件，如电感、电容和电阻。模拟芯片更容易产生噪声或电压的微小变化，这可能会产生一些误差。

混合电路半导体是一种典型的数字芯片，同时具有处理模拟电路和数字电路的技术。微控制器可能包括用于连接模拟芯片的模数转换器（ADC），例如温度传感器。而数字-模拟转换器（DAC）可以使微控制器产生模拟电压，从而通过模拟设备发出声音。

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