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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一直以来，半导体行业都是国内产业生产的薄弱之处，很多技术都依赖于外企。

像EUV光刻机、芯片核心制造技术以及高端光刻胶等方面，但同样我们在芯片设计、封测技术等方面也占据了世界前列的位置。

如今，随着局势的变化，华为因芯片断供产生的后续影响已经初步显现，它让国产其他相关企业认识到只有自己掌握了核心技术才能避免在这些方面受到技术上的"卡脖子"。

11月13日，根据新浪 财经 最新报道，国内光刻胶领域迎来好消息，对于国内7nm芯片制造或可迎来重大突破。消息显示，国内宁波南大光电材料有限公司已正式宣布，首条ArF光刻胶生产线已经正式投入生产，预计项目完成后年销售额达10亿元。

目前该公司已经将生产出来的ArF光刻胶样品送至客户手中进行测试，如果测试成功，那么该公司将迎来更多ArF光刻胶方面的订单。

或许有小伙伴不太了解ArF光刻胶。

光刻胶在芯片生产中起到很关键的作用，可以说它是集成电路产生制造中的核心材料，对于芯片最终呈现的质量和性能方面都有很大的影响，因而光刻胶的成功对于生产制造芯片也有很大的帮助。

目前来说，虽然国内不乏有主营光刻胶的企业，但在ArF光刻胶这样的高端种类却几乎100%依赖于外企，而ArF光刻胶在对于28nm-7nm工艺芯片的生产起到至关重要的作用，因而可以说这一次在ArF光刻胶上的突破也预示着在7nm芯片制造上迎来突破！

根据资料显示，目前高端光刻胶主要集中于美企和日企手中，所占份额达全球光刻机份额的95%，而这一次宁波南大光电材料有限公司在ArF高端光刻胶中的突破也预示着国产半导体的逆势崛起，将打破美日企业在高端光刻胶领域上的垄断。

不过，想要避免外资企业在技术上的垄断，光靠一家公司明显后劲不足，但就如今的发展趋势来说，目前国产半导体相关企业已经纷纷在各自的领域中寻找突破之路。

上海微电子、上海华虹半导体、晶瑞股份等公司在芯片生产工艺上以及光刻机上等方面寻求突破口，照这样的趋势发展，未来国产半导体行业将迎来新生！

美股费城半导体指数近期遭空头反扑，外媒直指，这波半导体股大跌的原因，可能与大陆官方规划发展第三代半导体产业，以反制川普政府打压有关。 财经 专栏作家认为，晶片龙头英特尔技术落后台积电二至三个世代，大陆至少花五年以上才能与大厂抗衡，因此台积电将维持优势，暂无竞争对手。

美股涨多就是最大利空，尽管目前没有反转步入熊市的迹象，不过，有30年 *** 盘经验股市大咖老马在商周专栏撰文指出，股市短期涨幅过大，累积潜在卖压就会暴增，下杀的力道也快又猛，但低接买盘随后又反手进场，主要是热钱没有更好去处。

他表示，在低利率环境下，持有现金不如多找一些好股票，资产增值速度远大于微薄的利息，因此建议，选对主流产业趋势，并长期持有，忽略小幅度拉回，时间将会证明一切。「以半导体产业资本支出仍持续成长来看， 科技 业将继续保持高速成长，投资人可多留意，千万别预设目标价，以免错失更多获利机会。」

由于美国对大陆不断发动 科技 围剿战，斩断外国供应链的种种行径，大陆计划在2021年至2025年，在科学研究、教育和融资方面大力支持第三代半导体产业，对此项任务赋予的优先程度「和当年制造原子d一样」。

研调机构Gavekal Dragonomics指出，由于大陆第一、二代半导体技术落后国际大厂，且目前没有其他国家在第三代技术居主导地位，大陆将以倾国之力押注该领域，希望如同5G一样实现弯道超车。目前中国电子 科技 集团、三安光电等中企已进军第三代半导体产业。

老马认为，美中 科技 战升级，大陆关键技术被卡住，因此全力发展半导体相关产业，但说实话，晶片龙头英特尔技术也已落后台积电二至三个世代，大陆没花费五年以上时间，不可能与先进技术相抗衡，所以「台积电将维持优势，暂无敌手，但部分低阶订单确实会受到影响」。#台湾#

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