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118亿美元价格卖给兆芯。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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国产cpu有华为鲲鹏、飞腾CPU、海光CPU、龙芯、兆芯、申威。

其中华为鲲鹏、飞腾CPU采用的是ARM架构，龙芯采用的是MIPS架构，而兆芯、海光CPU采用的是X86架构，申威采用的是Alpha架构。

先说采用ARM架构的鲲鹏、飞腾CPU，由于采用的是ARM架构，所以无法安装windows，再加上ARM架构的原因，用在个人PC上不太合适，目前也主要用于服务器，一定程度上而言，只能部分取代intel的服务器芯片。

再说说龙芯，龙芯采用MIPS架构，也无法安装windows，而最新的龙芯芯片3A5000系列，其水平大致也只能与3年前的英特尔台式机芯片的i3系列水平相比。

所以龙芯要替代intel，在个人CPU领域，也是有点困难的，大多用在工控，以及一些教育、行政等等对性能、生态要求不高，但对安全、自主可控要求高的地方。

再说说申威，申威主要用于超级计算机，比如神威．太湖之光，曾拿下全球第一超算的称号，目前其性能也排名全球第4名。

同样的申威也有用于服务器的，但同样由于是alpha架构，所以装不了windows，也很难用于个人PC领域，只能部分取代intel的服务器芯片、超算芯片。

最后说说海光CPU、兆芯，这两种CPU采用的是X86架构，最大的优势是可以安装windows，满足大家对于windows生态的要求，比较适合个人消费者PC产品。

但海光CPU主要用于服务器，兆芯可以用于个人PC，但性能方面，与intel相比，基本上也是落后3-5年左右的差距，主流的台式机、笔记本采用的还是相当相当少的。

近日，全球著名增长咨询公司Frost& Sullivan在2021第十五届GIL增长、科创与领导力峰会上授予了中兴通讯“2021年度全球服务器产品创新奖”，充分认可了中兴通讯服务器在产品收入、市场增长、创新技术、品牌等方面取得的卓越表现，并再次引发了市场对中兴通讯新一代G4X服务器的关注。
今年4月中兴通讯推出了G4X服务器，其计算性能于6月份刷新了SPECCPU性能测试的世界记录，更在超10个行业进行了创新实践。
那么，中兴通讯G4X服务器是如何不断“打怪升级”，在国产x86服务器全面竞争的市场环境下建立强有力竞争力的呢？总结起来，中兴通讯实现了企业服务的“三重境”。
第一重：
内修于“心”，产品实力更上层楼
产品实力永远是第一竞争力。任何厂商想要获得用户的认可，必须以产品性能为基础，服务器也不例外。
“5G、人工智能、大数据等新应用的发展，推动服务器朝着多样性算力、分布式以及硬件智能加速等方向发展。基于此，中兴通讯推出的全新G4X系列服务器，相比上一代产品有了很大提升。”中兴通讯副总裁郭树波表示。
产品性能方面，G4X服务器的通用算力、存储能力和IO能力均大幅提高，性能指标全面升级：整型计算性能提升了50%，浮点计算性能提升了52%，工作负载运行速度全面提升；充分发挥CPU优势，内置16通道、32个内存插槽，且支持英特尔新一代傲腾持久内存，充分结合了内存容量与智能系统加速能力，使内存带宽提升47%，内存容量提升33%，能够有效支持大数据应用；同时，新PCIe40的加盟相比上一代拥有更多互联通道，为G4X服务器带来了PCIE带宽的大幅提升，PCIE带宽达到上一代产品的26倍。

异构计算支持方面，G4X服务器搭载了第三代英特尔至强可扩展处理器。作为一款数据中心级的CPU，新一代英特尔至强提供端到端的数据科学工具及庞大的智能解决方案生态，能够灵活高效的应对多种应用场景。
除此之外，G4X服务器面向大数据、云计算、人工智能、5G等多个应用场景的需求，全面支持多种异构算力平台，使AI性能提升200%，NFV负载性能提升60%。
以智能制造场景为例，基于中兴通讯G4X服务器提供的强大AI算力以及网络转发性能，轻松应对工业制造企业面临的复杂的多元计算、海量的数据处理、以及高并发实时处理的挑战，支持机器视觉、无人作业、云化AGV、数字孪生等创新应用。
安全性上，“随着数据安全问题被提到新的高度，中兴通讯G4X系列服务器主要从固件级、系统级和硬件级三个层面加强了安全设计。”郭树波说。G4X服务器使用了intel CPU原生的SGX、TME、TXT等安全特性，全面防御网络攻击，实现每进程/容器/VM粒度的加密内存域，增强系统安全和抗攻击能力；通过支持双BIOS分区、双BMC分区等功能，大幅降低版本升级可能带来的隐患；通过外置TPM/TCM模块，采用安全芯片作为可信计算技术的核心，实现了敏感数据加密存储、身份认证、数据加密传输等功能，确保用户数据安全。
能耗方面，G4X服务器能帮助用户在保证性能的前提下实现节能：通过供电方案优化、机箱布局优化、部件选型和设计优化、智能散热管理，将系统散热能力提升了30%以上。

第二重：
外修于“行”，更好满足用户需求
除了过硬的技术实力，及时响应用户需求和定制化的解决方案需要厂商深厚的行业理解和沉淀。
中兴通讯始终秉承着关注用户体验，更好服务客户的原则，“G4X服务器在产品设计上历经了2多年时间，人力投入高达12000+人/月，收集了20000+条用户需求，经历了10000+项测试验证。”郭树波说。通过构建多重软实力，中兴通讯不断提升向客户的交付能力，获得了广泛的认可。
中兴通讯自2012年就全面进入了服务器自研时代。通过在CT行业30余年的精耕细作与技术沉淀，中兴通讯着力服务器和存储的研发，目前已经申请了1200多项发明专利，是业内少数同时具有自主研发硬件设备、 *** 作系统、数据库、存储软件及虚拟化软件的国产服务器厂商。

也因此，中兴通讯G4X服务器可以覆盖所有行业各类人工智能、大数据、云计算和其他智慧计算场景。面对不同行业用户对服务器的差异化需求，中兴通讯结合多年深耕行业的沉淀，力求使服务器的性能更贴合用户需求。通过打造端到端的综合解决方案和适应具体行业需求的软件定制化开发和预测试认证，可以向金融、政务、电信、电力和交通等多个行业提供特异性的算力支持。
值得一提的是，中兴通讯G4X服务器内置的第三代英特尔至强可扩展处理器拥有平衡的架构和多种集成加速能力，不论云端还是边端，不论5G、AI、物联网还是高性能计算，均可以实现性能提升，为被G4X服务器的定制化能力打下了坚实的基础。
另外，中兴通讯还在深圳、河源、长沙、西安及南京地区拥有多个生产基地，生产能力达到4万台/月。同时，中兴通讯始终坚持用电信级标准对服务器研发制造全流程进行管控，确保服务器出厂“零缺陷”，力求实现向用户高质量、高速度的交付。
在中国移动信息化应用创新加速落地的趋势下，电信行业对PC服务器的需求逐步加强。2021年6月，中兴通讯以第一名中标标包1：X86平台，中标份额为60%，超过17000台服务器，这是继中国移动2019年至2020年PC服务器集中采购、中国移动2020年PC服务器集中采购两个项目后，再次获得中国移动通用服务器类项目的最大份额。中兴通讯服务器以在产品设计、功能、性能等方面优异的集采测试结果，完美契合了网络云场景，赢得了标准最严格的电信行业客户的认可，并建立起长期合作关系。

第三重：
兼容并包，构建开放生态
面对全球化的市场，“单打独斗”已经难以适应发展的需求。想要提升产品竞争力，就需要全面的卓越技术，而这对术业有专攻的厂商来说并不现实。与合作伙伴共同构建技术生态，以开放的视角提升产品影响力成为了大部分有前瞻性的厂商的共同选择。

除了致力于打磨自身技术实力外，中兴通讯始终秉承着合作共赢的原则，联合产业链上优秀的合作伙伴，集中力量提升产品竞争力，共同实现跨越发展。
基于与业界顶尖供应商的多年合作，中兴通讯服务器与业界领先的硬盘、内存等供应商均保持着良好的合作关系，部件与器件始终保持了较高的行业水准，全面支持服务器整体的高性能。
不止于硬件上完善、高质量的产业链生态，中兴通讯还与 *** 作系统、数据库、中间件等软件厂商进行了兼容性测试和认证，相互协作互相促进，帮助客户降低了系统的风险，带来了更大的价值。
正是这样兼容并包的态度，使得中兴通讯联手英特尔等众多合作伙伴，不断实现技术创新，以更高的产品品质、更强的技术能力、更佳的用户体验，帮助客户更好实现数字化转型。升级与突破，中兴通讯一直在路上。

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