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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笔记本处理器排行榜前五的有英特尔，AMD，苹果M1，龙芯，飞腾。

1，英特尔

英特尔是半导体行业和计算创新领域的全球领先厂商，创始于1968年。如今，英特尔正转型为一家以数据为中心的公司。英特尔与合作伙伴一起，推动人工智能、5G、智能边缘等转折性技术的创新和应用突破，驱动智能互联世界。

2，AMD

美国AMD半导体公司专门为计算机、通信和消费电子行业设计和制造各种创新的微处理器（CPU、GPU、主板芯片组、电视卡芯片等），以及提供闪存和低功率处理器解决方案，公司成立于1969年。AMD致力为技术用户——从企业、政府机构到个人消费者——提供基于标准的、以客户为中心的解决方案。

3，苹果M1

Apple M1是由苹果公司（Apple）研发的处理器芯片，于2020年11月11日在苹果新品发布会上发布，适用于部分Mac、iPad设备。Apple M1的制程为5纳米，内置8核CPU，集成4个高性能大核心以及4个高效能小核心；此外，Apple M1还内置了8核GPU（部分机型为7核）以及神经网络引擎 。

4，龙芯

2002年8月10日诞生的“龙芯一号”是我国首枚拥有自主知识产权的通用高性能微处理芯片。龙芯从2001年以来共开发了1号、2号、3号三个系列处理器和龙芯桥片系列，在政企、安全、金融、能源等应用场景得到了广泛的应用。

5，飞腾

飞腾CPU，是国产飞腾服务器CPU、国产飞腾桌面CPU、国产飞腾嵌入式CPU等系列产品的简称。飞腾CPU产品具有谱系全、性能高、生态完善、自主化程度高等特点，主要包括高效能桌面CPU、高性能服务器CPU、高端嵌入式CPU和飞腾套片四大系列 ，为从端到云的各型设备提供核心算力支撑。

1、中标麒麟 *** 作系统：中标麒麟Linux桌面软件是上海中标软件有限公司发布的面向桌面应用的 *** 作系统产品。中标麒麟开发了与windows *** 作系统非常接近的图形化桌面。习惯使用windows *** 作系统的用户，只需做简单的适应性学习即可在该图形化桌面下完成软件安装、文档编辑、浏览网页、播放视频音频等 *** 作。
优点：为windows用户迁移到该 *** 作系统提供了方便，使用户能够迅速掌握新系统，可节省大量人员培训成本。
缺点：与其他软件兼容性差，响应速度慢。与服务器兼容欠佳，系统运行时，高级别进程在执行低级别文件后会降低级别，而低完整级进程不可能通过执行文件提升自己的权限。
2、银河麒麟 *** 作系统：银河麒麟（Kylin）是由国防科技大学研制的开源服务器 *** 作系统。此 *** 作系统是863计划重大攻关科研项目，目标是打破国外 *** 作系统的垄断，研发一套中国自主知识产权的服务器 *** 作系统。
优点：银河麒麟 *** 作系统具有性能领先、生态丰富、体验提升、云端赋能、融入移动、内生安全等优点。
缺点：在其稳定性、性能和标准化这方面，还有进一步提升空间。
3、云针 *** 作系统（CloudNeedle OS）：分为服务器 *** 作系统、桌面 *** 作系统、移动 *** 作系统、物联网 *** 作系统四个版本，该 *** 作系统适用于各种智能终端，是一款能够把各大 *** 作系统的软硬件生态完全兼容和直容的新型革新纯国产无国界 *** 作系统。其研发公司云针科技系列产品主要包括以云针 *** 作系统为核心的软件产品，与合作开发生产嵌入该 *** 作系统的服务器、消费终端（电脑、电视、平板、手机、智慧盒）、物联网终端等硬件产品，及虚拟化应用服务，可见生态集群极其丰富。
优点：一个内核就将服务器终端到消费终端、物联网终端全面打通的全新 *** 作系统；从办公到娱乐，同时兼容直容安卓应用和windows应用，独具特色的丰富应用生态，相应速度更快，更安全可靠，并革新了美国软件生态的下载、卸载、安装等复杂的 *** 作过程，更加高效，便捷。同时，完全直容和兼容目前国际国内市场上大部分算力终端设备（含芯片）及软件，完美打通“云－边－端”，真正实现了生态、生活、生产算力的全方位归集与精准调度运营。
缺点：由于是初上市的全新纯国产无国界 *** 作系统，还不被大多数人所熟知，需进一步打进消费者市场，让更多人发现。
4、深度Linux(Deepin)Deepin：原名Linux Deepin，于2014年4月更名为Deepin，常被称为“深度 Linux”，是一个致力于为全球用户提供美观易用，安全可靠的Linux 发行版。它不仅仅对最优秀的开源产品进行集成和配置，还开发了基于 HTML5 技术的全新桌面环境、系统设置中心、以及音乐播放器，视频播放器，软件中心等一系列面向日常使用的应用软件。
优点：Deepin 简单易用，桌面美观，能够很好的代替Windows系统进行工作与娱乐，深受用户好评。
缺点：性能优化不足，软件难兼容，应用生态不健全等一系列问题仍旧需要不断完善。
5、UOS统一 *** 作系统：统一 *** 作系统筹备组是由多家国内 *** 作系统核心企业自愿发起，成员包括中兴新支点、中国电子集团(CEC)、武汉深之度科技有限公司、南京诚迈科技。2019年7月，筹备组联合技术研发团队正式成立，并在广州、武汉、南京、北京等地组织了数百人的研发团队开始研发工作。
优点：UOS采用开源共创社区研发模式，鼓励上下游产业链厂商和技术人员参与研发工作贡献代码，共同打造符合行业用户需求的安全、易用、稳定的 *** 作系统产品。今年内将发布UOS的第一个版本，实现不同的CPU平台上统一发布渠道，统一应用商店、统一交互体验、统一内核版本、统一文档和开发接口。
缺点：但对于普通用户来说，缺点也很明显，缺少日常软件、游戏的生态环境极大地阻碍了系统在消费市场的发展。
6、华为鸿蒙系统（HarmonyOS）：鸿蒙OS是华为公司开发的一款基于微内核、耗时10年、4000多名研发人员投入开发、面向5G物联网、面向全场景的分布式 *** 作系统。鸿蒙的英文名是HarmonyOS，意为和谐。 基于AOSP的一款 *** 作系统，华为基于安卓生态开发的应用能够平稳迁移到鸿蒙OS上做好衔接——将相关系统及应用迁移到鸿蒙OS上，差不多两天就可以完成迁移及部署。
优点：这个新的 *** 作系统将打通手机、电脑、平板、电视，并且该系统是面向下一代技术而设计的，能兼容全部安卓应用的所有Web应用。若安卓应用重新编译，在鸿蒙OS上，运行性能提升超过60%。鸿蒙OS架构中的内核会把之前的Linux内核、鸿蒙OS微内核与LiteOS合并为一个鸿蒙OS微内核。创造一个超级虚拟终端互联的世界，将人、设备、场景有机联系在一起。同时由于鸿蒙系统微内核的代码量只有Linux宏内核的千分之一，其受攻击几率也大幅降低。
缺点：虽然鸿蒙系统可以兼容安卓应用，基于AOSP，但不是真正完全适配的软件，使用起来总是有些不稳定，其系统框架下的APP应用数量太少，局限性强，使其饱受诟病，鸿蒙OS基于Android系统的常用应用，也同时受谷歌的框架服务GMS制约，出国使用不了，导致核心技术始终受制于人的局面。

其实早在1999年，倪光南院士就发文，呼吁发展国产 *** 作系统，发展国产CPU，建立起中国自主的、完整的信息化产业体系。

但20多年过去了，国内的信息化产业体系，还是以INTEL、AMD的X86芯片为主，而 *** 作系统主要还是以windows为主，虽然取得一些进展，但还远远不够。

按照数据， 国内Windows *** 作系统的份额目前仍在90%以上，国内PC产业的CPU，INTEL+AMD，也占了90%以上的份额。

但事实上，虽然国产CPU、国产 *** 作系统，还远远不能与INTEL芯片、WINDOWS媲美，但大家也都没闲着，一直以努力

目前国内已经有了6大国产CPU，还有了6大国产 *** 作系统，大家都在努力的、想方设法的，全方面的替代INTEL+Windows。

先说说6大国产CPU，分别是龙芯、兆芯、华为鲲鹏、海光、飞腾、申威。

这6大CPU分为三类，一类是采用ARM架构的华为鲲鹏、飞腾，利用ARM架构，更多的还是用于服务器，在服务器层面对INTEL的CPU进行替代。

另外一类则是采用X86架构的芯片，分别是兆芯、海光。其实海光主攻服务器芯片，而兆芯则个人PC、服务器都有涉及。

第三类则是走自主可控道路的龙芯、申威。龙芯之前采用MIPS架构，后来自研指令集，而申威也是采用Aplha架构，再自研指令集，龙芯在服务器、个人PC端都有涉及，申威则主要用于超级计算机。

很明显，6大国产CPU、已经从个人PC领域、服务器领域、超级计算机领域，三大主流领域，对INTEL、AMD的X86芯片进行全面替代。

接着说说国产 *** 作系统，目前较为成熟的国产 *** 作系统包括六大品牌，分别是：麒麟、统信、普华、中科红旗、中科方德、中兴新支点。这6大品牌中，目前较有竞争力的就是两家：麒麟和统信。

在这6大 *** 作系统也是全面从个人PC端，服务器对windows展开替代工作，特别是统信UOS,累计装机已经超过300万套，与几千家合作伙伴进行了适配，已经有几十万应用了。

另外更重要的是，除了传统PC时代的 *** 作系统之外，在云计算、物联网、人工智能的新时代。国内各种跨终端、全场景式 *** 作系统也在不断跟进中，比如华为鸿蒙、欧拉，阿里飞天、龙蜥等国产 *** 作系统，更是全面开花，在各个领域表现出了强劲的生命力。

可以预料的是，国产CPU、国产 *** 作系统已然成为国产替代的必然之路，只是时间问题，虽然现在与INTEL、windows差距大，但时间站在我们这边。

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