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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12月15日，在加州旧金山举办的第 67 届国际电子器件会议（IEDM 2021）上，IBM 透露它和三星的合作在半导体设计上取得了“突破”，提出了一种全新芯片制造工艺 VTFET。

VTFET，即垂直传输场效应晶体管，旨在取代当前用于当今一些最先进芯片的 FinFET （鳍式场效应晶体管）技术，并能够让芯片上的晶体管分布更加密集。这样的布局将让电流在晶体管堆叠中上下流动，而在目前大多数芯片上使用的设计中，电流是水平流动的。

相比 FinFET，VTFET能让晶体管使用更大的电流，同时减少了能源浪费，可以有两倍性能提升，或者减少85%能耗。

IBM研究院混合云和系统副总裁Mukesh Khare博士说道：“VTFET制造工艺是关于挑战传统，并重新思考我们如何继续推进 社会 ，提供改善生活、商业和减少环境影响的新创新。”

1965 年，计算机科学家戈登 · 摩尔提出著名的摩尔定律假设：

然而当前可以塞进单个芯片的晶体管数量几乎达到了极限。为了延续摩尔假设的速度和计算能力的进步，我们需要制造具有多达 1000 亿个晶体管的芯片。

VTFET技术工艺通过放宽晶体管门长度、间隔厚度和触点尺寸的物理限制来解决缩放障碍，并在性能和能耗方面对这些功能进行优化。

通过 VTFET，IBM 和三星成功地证明了在半导体设计中， 探索 纳米片技术以外的缩放性能是可能的。

IBM 和三星合作研究的半导体设计的突破性进展，有助于摩尔定律在未来几年保持活力，并重塑半导体行业。

虽然我们无从知晓 VTFET 设计工艺何时能够制成芯片为我们所用，但是IBM和三星已经提出了一些大胆的想法：

除IBM和三星，英特尔也在今年夏天公布了其即将推出的 RibbonFET（英特尔首款全环栅晶体管）设计，这是其在FinFET技术上获得的专利。这项技术将成为英特尔 20A 代半导体产品的一部分，而20A代芯片则计划于 2024 年开始量产。

半导体的垂直设计已经发展许久，并从现在通用的FinFET技术中获得了一定的灵感。当平面空间已经更难让晶体管进行堆叠时，未来唯一真正的方向或许就是向上堆叠。

近日，36氪获悉，芯片设计独角兽企业「瀚博半导体」获16亿人民币的B-1和B-2轮融资，由阿里巴巴集团、人保资本、经纬创投和五源资本联合领投，国寿科创基金、Mirae Asset (未来资产)、基石资本、慕华科创基金（清华产业背景），以及老股东红点中国、耀途资本和元木资本跟投。

在这轮融资中，瀚博半导体引入了继快手之后的第二家互联网战略投资人——阿里巴巴。此次融资后，公司将持续完善产品矩阵，包括SV100系列产品线（云边AI推理和视频产品线）在国内外市场的大规模落地，加大图形GPU产品线的研发投入，并开始布局其他智能产品线。

瀚博半导体成立于2018年12月，公司位于上海，瀚博半导体创始人&CEO钱军提到，瀚博要做的是为像素世界提供算力的高端芯片。

根据Gartner的预测数据，全球人工智能芯片市场规模将在未来五年内呈现飙升， 从2018年的42.7亿美元成长至343亿美元，增长超过7倍。

AI芯片在2021年掀起融资热潮，国外市场有SambaNova Systems、Cerebras Systems、英国AI芯片独角兽Graphcore、Groq、以色列的AI芯片独角兽Hailo Technologies等AI芯片独角兽，国内也有着寒武纪、地平线等企业。

五源资本合伙人刘凯表示：“作为AI技术的底层驱动，全球的AI芯片领域都在经历爆发性的增长。我们观察到，在美国，自2016年前后诞生了几十家AI芯片的初创公司，经历了近5年的发展，这一领域在美国已经成长出众多独角兽级别的创业企业。在业务进展层面，不同的AI芯片企业围绕DSA架构，纷纷快速迭代产品、形成差异化竞争能力，且大部分企业已经进入行业落地阶段，未来数年将进入大规模量产出货阶段。”

瀚博半导体的产品矩阵共有三块，一是AI推理+视频加速卡，2021年7月，瀚博半导体世界人工智能大会上发布了公司首款服务器级别AI推理芯片SV102及通用加速卡VA1，该芯片即将量产上市；二是图形GPU，主要用于云 游戏 、云桌面、云渲染相关的一些图形产品；三是其它智能产品。

据悉，瀚博半导体的首款云端推理AI芯片SV102已在和战略合作伙伴合作，即将量产上市。

瀚博在团队优势上，一是，创始团队主要出自AMD第一颗7nm GPU团队，有着丰富的芯片设计、量产经验，整个团队曾有上百颗GPU流片的经验；

二是，瀚博首先选择了AI+视频的赛道。钱军总曾在发布会上表示，计算机视觉任务占据了AI市场的大部分，视频流占据数据流的 70%，而且比例持续攀升，市场空间大，且有落地应用场景。

瀚博半导体创始人&CEO钱军表示：“在即将过去的2021年，我们亲眼见证了芯片核心技术在各类新兴应用领域焕发的勃勃生机，这是半导体从业者最好的时代。伴随着互联网视频直播、短视频、计算机视觉、自然语言处理、云 游戏 、云桌面、云渲染、元宇宙等现象级应用的极速发展，数据中心算力需求的不断增加，下游客户对芯片、硬件、软件等各个方面都有了更高的期待。瀚博将继续延展各条产品线，进一步扩大行业领先优势。”

在创始团队上，公司创始人兼CEO钱军有25年以上高端芯片设计经验，离职前在AMD任高级总监，全面负责GPU（图像处理器）和AI服务器芯片设计和生产，现在市场上绝大多数的AMD Radeon图像处理器和AI服务器芯片都是由其带队开发。

创始人兼CTO张磊是前AMD Fellow，有23年以上芯片和IP架构设计的丰富经验，负责AI、深度学习，视频编解码和视频处理领域。

公司目前拥有超300名研发工程师，分布于上海、北京、深圳、西安、成都和加拿大多伦多。

人保股权公司投资部负责人舒琬婷表示：“瀚博首款芯片聚焦AI加速和视频处理，可大幅降低互联网公司数据中心TCO，能有效解决互联网在线视频厂商的痛点，具有广阔的市场空间。公司创始人及核心团队具备世界顶级的算法、芯片设计及量产能力，在芯片设计、AI和视频处理领域积累深厚。异构计算加速卡将在互联网视频直播、短视频、云 游戏 、云桌面、云渲染等场景中发挥关键作用，公司的产品发展潜力巨大。”

经纬创投合伙人王华东表示：“视频类产品已经成为现在用户端使用的第一大应用类别，行业需要更高实时性、更强算力的视频处理技术及对应的集成电路产品。瀚博具有稀缺的高性能AI+视频集成电路研发能力，同时在核心IP沉淀的积累也能扩展新的集成电路类别。”

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