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2020年国产CPU现状:早不只有龙芯 8核x86也有零售了

时间:2020-02-07 19:27:16 来源:互联网 作者: 神秘的大神 字体:

  要说在 DIY 行业什么产品国产化最能牵动国人的心,那 CPU 要说第二恐怕没人敢说第一。众所周知 CPU 是一台电脑的大脑,指挥着电脑各个部件运行,因此 CPU 的制造也是一个非常高科技的活,里面涉及到各行各业,甚至连 CPU 的原材料硅晶圆制造门槛也极高。

  因此当网上报道国产 CPU 有什么进展,有什么喜讯时,许多网友第一反应总是不相信,并且质疑,而他们最经常说的话就是,“敢不敢拿出来卖啊!”

  还好,最近淘宝上终于是有国产处理器售卖了,趁着这个热点,晓边就和大家聊聊国产 CPU 的发展现状。

  看完大家就知道为什么“敢不敢拿出来卖啊!”这句话用来批判国产 CPU 取得进展是一个常识性的错误了。

  CPU 也分很多种,这些你都了解吗?

  CPU 中文名为中央处理器,它在计算机中负责读取指令,对指令进行诠释和执行。

  为了让 CPU 读取诠释指令的效率更高,CPU 内部会有叫做“指令集”的东西,指令集就是人们预先设置好的一套工作(读取、诠释、执行指令)方法和指南。

  当 CPU 外部接受到某种指令时,CPU 就开始找预设的工作方法中对应的指南去执行。

  因此 CPU 指令集先进与否,也往往决定了 CPU 性能有多强。

  按照指令集的复杂程度划分,我们可以把 CPU 简单划分为两种架构,一类是 RISC (精简指令集处理器),另一种是 CISC(复杂指令集处理器),它们的区别在于设计理念的区别。

  早期 CPU 全都是 CISC,这类 CPU 设计目的就是让外部生成的非常简单指令就能被机器读懂,方便编译器开发(编译器就是将“更接近人语的高级语言”翻译为“电脑能读懂的低级语言”的程序)。

  但为了达成这一目的 CPU 内部会集成非常复杂的指令读取,翻译和诠释的逻辑,也对 CPU 的架构和电路设计提出更高的要求,这类处理器的代表就是我们个人电脑常用的 X86 处理器。

  RISC 则是指令集比较简单,因此外部指令要被 RISC 处理器读懂,配套的编译器需要非常强大,能将复杂的指令简单化。

  相应的,RISC 的制造会简单许多,在同等工艺下能制造出特定功能性更强的 CPU,这类处理器的代表就是手机上的 ARM 处理器和 IBM 的 Power 处理器。

  更加简单通俗的区分就是 CISC 强调用硬件去更有效率地执行工作,而 RISC 则更依赖软件(编译器);

  CISC 处理器上的指令集丰富而全面,是个全能选手,RISC 处理器通常只保留特定常用指令集,让处理器某项性能非常强(比如为挖矿优化的特定 RISC 矿机),更适合打造专才。

  按照基础指令集的不同,目前世界上的 CPU 可以分为五大体系,分别RISC 类别的 ARM 体系、MIPS 体系、Power 体系、Alpha 体系、ARM 体系和 CISC 类别的 X86 体系,下面就介绍一下这五大体系处理器在国内的发展现状。

  国内 MIPS 体系处理器的现状-充满生机与活力

  MIPS 的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlockedpipedstages),其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题,MIPS 处理器最早由 80 年代初斯坦福大学研究出来,也是最早商用的 RISC 处理器,其特点是高效率低功耗,目前已经发展到 MIPS64 架构。

  国内 MIPS 处理器的代表有两家,一家是大家都经常能听到的龙芯,另一家为君正。

  龙芯:

  龙芯是 2002 年由中国科学院计算所(下文简称中科所)开始研发,那时中科所是想做一款独立自主的处理器,当时可选择的方向有四个,其一做 X86 处理器。

  但是 X86 处理器太难制造,要经过 AMD 或者 Intel 直接或间接的授权,进行技术指导才能搞清楚;

  其二是做 ARM 处理器,但那时 ARM 主要面向移动端,和中科院想做 PC 处理器的初衷不相符;

  第三就是自主研发架构,这个就更不现实了,难度更大;

  而 MIPS 处理器那时在科研单位、大学中也有广泛的使用基础,因此当时中科所就选择了第四条路,MIPS 体系处理器,再搭配 Linux 系统,打造国产 PC。

  不过有意思的是龙芯第一代产品发布时是没有经过 MIPS 正式授权的,有侵权的嫌疑。

  但最后两家公司在 2009 年达成和解,龙芯支付了一笔费用永久性获得了 MIPS32 和 MIPS64 架构的授权。

  现在龙芯完全是自主可控的,将来不会再出现被别人卡脖子受限于人的局面。

  龙芯经过这么多年的发展也早已不是简单的其他 MIPS 处理器仿制版,在 MIPS 固有指令集上龙芯还添加了不少自主研发的指令集,指令集数量是原有两倍。

  目前龙芯最新的产品是 2019 年年底发布的龙芯 3A4000/3B4000,其中龙芯 3A4000 是面向桌面台式机和笔记本,采用 28nm 打造,4 核 4 线程,主频为 1.8~2.0GHz(也就是支持睿频)。

  面向科学计算、高密度数值信息处理的峰值计算性能是上代产品龙芯 3A3000 的 4 倍以上,通用处理性能基本打平 AMD 的末代 28nm 产品“挖掘机”。

  而龙芯 3B4000 属于龙芯服务器 CPU 产品线,在核心线程、频率上与芯 3A4000 一致,但支持双路、四路服务器,即在一台服务器主板上安装 2 个或者 4 个龙芯 3B4000 芯片,一台服务器最多包含 16 个处理器核。

  所有 CPU 之间通过高速总线接口直接互联,共享使用物理内存。龙芯 3B4000 专门优化了 CPU 之间的高速互连总线,跨片访存实际带宽提升 400% 以上。

  目前龙芯的发展势头还是十分不错的,已经不需要国家经费支持,完全实现自给自足,公司收入主要来源为太空芯片销售、高温芯片销售、对外 IP 授权销售、嵌入式方案销售和党政军采购。

  在 19 年年底的发布会上龙芯中科董事长胡伟武表示龙芯在 2019 年出货量达到 50 万颗,净利润达上亿元,合作伙伴已经增至近千家,下游基于龙芯的开发人员达到数万人。

  使用龙芯的笔记本、一体机、服务器、云终端、网络安全设备、工业控制计算机等产品已经运用于我国的各行各业。

  君正:

  北京的君正知道的人就比较少了,因为君正主打的是嵌入式设备,是专注于可穿戴,物联网领域的本土芯片设计公司。

  由于嵌入式设备有一定的定制需求,软件生态链短,不需要 CPU 性能有多强,着重点在于廉价、低功耗和尺寸,因此这个领域现在是百花齐放的局面,君正也因此能分一杯羹。

  作为一家纯商业化的公司,目前君正的合作伙伴和出货量还是很可观的,甚至还做过小米手环的项目,而且已经上市,财报都能查到,2019 年全年财报显示北京君正净利润为 5780.75 万元,也是良性发展了。

  国内 MIPS 处理器虽然发展地不错,但是由于最新的微软 Windows 系统只支持 X86 处理器和部分 ARM 处理器,我们普通人一般是接触不到 MIPS 处理器,认知不足也可以理解,就算买来龙芯的笔记本,由于生态和软件的问题,对普通人来说也是浪费钱。

  国内 ARM 体系处理器的现状-星星之火已成燎原

  ARM 体系处理器大家就并不陌生了,大家手中的手机就是用 ARM 处理器的,在这里晓边就简单介绍一下。

  ARM 全称为 Advanced RISC Machines(高级 RISC 核心),使用 32 位精简指令集,ARM 处理器具有低功耗高性能、大量使用寄存器读取指令快、体积小、指令长度固定、节省存储空间等特点。

  ARM 处理器也是一个商业化十分成功的处理器,只要你向 ARM 公司支付一笔费用,就能获得 ARM 处理器的授权,授权的模式有三:

  第一是架构/指令集层级授权,授权后你可以对 ARM 架构进行大幅度改造,甚至可以对 ARM 指令集进行扩展或缩减,比如苹果、华为就是这种;

  其二是内核层级授权,你可以以一个内核为基础添加其他模块;

  其三是使用层级授权,意思是你只能使用,不能魔改。

  国内发展 ARM 处理器体系主要有四家,分别是华为海思、飞腾、展讯。

  华为海思:

  华为海思应该是国内 ARM 处理器商业化最成功,乃至所有国产 CPU 中商业化最成功的公司了。

  华为海思的处理器主要应用于移动端产品,应用场景包括但不仅限于手机、监控设备、机顶盒、电视和路由器等。

  最新的代表产品就是麒麟 990 5G 版了,7nm euv 工艺打造,集成 5G 基带,其 CPU 性能可与目前世界一流水平的手机处理器骁龙 865、A13 同台竞技。

  除此以外华为海思在服务器领域也有涉足,最新产品为鲲鹏 920,7nm 工艺打造,最高可扩展为 64 核,主频为 2.6GHz,支持 8 通道 DDR4 内存和 PCIe 4.0。

  不过鲲鹏 920 目前还处于华为自用阶段,作为于华为云服务的服务器内核,而且目前高性能服务器基本都是 X86 处理器的天下,鲲鹏 920 暂时不会对服务器市场造成多大的影响。

  飞腾:

  飞腾公司是中国国防科技大学高性能处理器研究团队建立的企业,如果用一个词去形容飞腾处理器的发展历程,那肯定是一波三折了。

  一开始飞腾是做逆向工程的(也就是仿制别人的 CPU),以 Intel 的 IA-64 指令集为基础做。

  不过后来 Intel 放弃了这个指令集,飞腾也转向做 Sparc 处理器,使用开源的 Sparc V9 架构,花了三年时间做出了 8 核 32 线程(1 核 4 线程)的处理器 FT-1000,又花了三年扩展成了 16 核 64 线程的 FT1500。

  2010 年国防科大的银河一号超算进行扩容时加入了 2048 颗 FT-1000 处理器,虽然相比于超算其他的 AMD、Intel 处理器数量来说微不足道。

  但也足以振奋国内研发人员,激发了当时国人的民族自豪感,在天河二号的建造中国防科大又使用了 4096 颗 FT-1500 芯片用于超算的网络数据处理。

  但是,SPARC 架构母公司败走服务器市场,被 Oracle 收购之后,就再也没有开源新的 SPARC 指令集了,飞腾手中的 SPARC 架构指令集很快就落后了,于是飞腾果断就转向做更火的 ARM 架构处理器。

  飞腾也是购买了 ARMv8 指令集的永久授权,最新产品 2019 年 9 月发布的 FT-2000/4 处理器,4 核 4 线程,16nm 工艺打造,最高主频为 3.0GHz,最大功耗仅为 10W,主要面向台式机或者笔记本。

  目前 FT-2000/4 已和国产银河麒麟操作系统(PC 版)完成了全部适配工作,因为不使用 Windows 系统,主要客户也是军队、政府等单位了。

  展讯:

  展讯是一个不得不提的国内 ARM 处理器设计公司,根据统计展讯每年出货 6 亿片芯片,占据全球手机芯片 25% 的市场,仅次于高通和联发科,在去年展讯旗下的 SC6531 芯片击败了高通华为联发科三星成为单芯片出货量世界第一。

  或许很多网友疑惑,我们手中的手机芯片不是高通、华为海思就是苹果或者联发科的,这个展讯这么没听过?

  其实展讯的手机芯片主要用于老人机、三防手机上,主打耐用性与超长续航,仅支持 GSM、GPRS 两种网络制式,主要市场也集中于非洲、东南亚等低收入海外市场,是真正走出去的国产芯片。

  国内 Power 体系处理器的现状-胎死腹中?

  Power 架构是蓝色巨人 IBM 开发的指令系统架构,大到超算,小到车载音响都有它的身影。

  不过如今 Power 架构处理器是越来越不景气,在高性能计算的竞争上 Power 对比 X86 因为采用 SMP 技术,具有内存访问任何一个 CPU 核心时速度都一样的优势,更利于制造多核处理器。

  但 Power 价格昂贵,而且 IBM 本身就是系统制造商,Intel 联合 Windows 的联盟实在太强大,Power 不得不败下阵来;

  在其他终端设备上 Power 处理器则不如 ARM 处理器尺寸小,功耗低。

  IBM 也意识到生态的重要性,开始把 Power 授权给更多公司,2016 年国内企业中昊宏芯获得了 POWER 8 芯片架构和指令系统的永久授权。

  但中昊宏芯研发过程并不顺利,期间还遇到股权变更和欠薪事件,国产 Power 也就一直难产,至今都没有影子

  2019 年 8 月 POWER 指令集架构正式开源,或许这能促进国产 Power 处理器出现。

  国内 Alpha 体系处理器的发展-已成独苗

  Alpha 是 DEC 公司制造的处理器架构,最早用于自己的工作站和服务器当中,支持 UNIX、Linux 等系统。

  后来 DEC 公司被美国惠普收购,而惠普的精力主要在“X86 架构”的个人电脑,所以对Alpha 架构的指令集早已很久没有更新。

  恰逢我们国家全力发展自主科技,所以我们无锡的江南计算所(军方研究机构)买了 Alpha 架构的所有设计资料,制造了完全自主可控的国产 Alpha 处理器,也就是大名鼎鼎的申威,申威处理器也是目前 Alpha 架构处理器的独苗了

  江南计算所在原有 Alpha 指令集的基础上增添了 SIMD 等特色的扩展指令集,还拓展了多核架构,把 Alpha 架构处理器发展到新的高度,现在的申威处理器和以前的 Alpha 处理器已经不可同日而语。

  最新的申威 SW26010 处理器使用了申威为高性能计算自主研发的指令集,频率 1.45GHz,260 个核心,这也是它的特殊之处。

  整个处理器包括 4 个 MPE(Management Processing Element)管理单元、4 个 CPE(Computing Processing Element)计算单元及 4 个 MC 内存控制器单元组成,其中 CPE 单元又由 8x8 阵列的 64 核心组成,所以总计是 260 个核心(4x64+4=260)。

  此前多次夺得超算排名第一的神威·太湖之光超算就用了多达 40960 颗申威 26010 众核处理器,全都是超算的运算主力,并不像飞腾那样打打辅助。

  由此可知申威 26010 众核处理器确实实力过硬,能与其他国家的超算一比高下。

  目前申威处理器主要用于超级计算机打造和服务器,我们普通消费者更加难接触到了。

  国内 X86 体系处理器的发展-势头良好,仍存阻碍

  与 RICS 诸侯混战不同,CISC 系处理器一直是 X86 架构的天下,X86 处理器大家都很熟就不再介绍了。

  国内要想发展 X86 处理器,最大的难题是授权问题,在 X86 处理器发展过程中 Intel 和 AMD 的指令集经过复杂的融合,形成了如今两家交叉授权才是完整 X86 指令集的局面。

  换句话而言想堂堂正正地发展 X86 处理器,理论上要同时得到 Intel 和 AMD 的授权才行。

  兆芯:

  目前世界上除了 Intel 和 AMD 以外第三家拥有 X86 授权的公司,是威盛 VIA,上海兆芯集成电路有限公司经过一番操作也是取得了威盛 VIA X86 处理器的授权。

  早期兆芯处理器也只是威盛处理器简单的仿制产品,不过经过这么多年的迭代研发,兆芯已经研发出 KX-6000 系列处理器,基于 16nm 制程,主频可达 3GHz,有 4 核/8 核可选,集成核显、支持双通道 DDR4 内存,性能与 Intel 酷睿七代 i5 处理器看齐。

  目前 KX-6000 系列的 KX-U6780A 已经推出到零售市场,而且某宝上已经能买到。

  产品搭配国产主板品牌深圳芯杰英(Cjoyin)开发“C1888”主板一起销售,板U价格为 4300 元,考虑到处理器的性能,产品性价比还是比较低的。

  不过这也可以理解,产品并没有大规模销售,每一颗处理器分摊的研发费用自然很高。

  因为可以使用 Window 系统,兆芯的处理器是与普通消费者的距离最近的国产 CPU,感兴趣又有财力的网友可以买回去玩玩,装上 Win10 系统日常用肯定是没有问题的了。

  目前兆芯需要担心的依然是授权的问题,按照此前美国裁定威盛的 X86 授权早已在 2018 年 4 月份过期,之后新的 X86 指令集无权使用,也就是说以后研发新指令集只能靠兆芯自己了。

  结语-拨开云雾,终见曙光

  光阴似箭,21 世纪已经进入了第三个十年,在头 20 年里,在无数国内科研人员呕心沥血地奋斗下国产 CPU 得到了长足的进步,上至超级计算机、下至手机、智能音响,都能找到中国芯的身影。

  由于架构的不同,许多还算不错(虽然追不上世界一流水平,但比较好用)的中国芯离我们消费者很遥远,这也是为什么很多中国芯没有推出到零售市场,我们也买不到(推出了一般人也不会买,厂商只会亏本)的原因。

  好在国产 X86 处理器也得到了一定的发展,电商平台上有最新的国产处理器板U套装出售就是有力的证据,国产桌面端 PC 处理器从未如此接近我们普通消费者。

  不过目前这款国产 CPU 性价比还是相对低下,但现在也只是第三方渠道流出,而这些问题会随着产品量产,销量提高而得到解决。

  这也是个积极的信号,随着产品不断的迭代发展,晓边相信不久的将来国产 X86 处理器能像国产 ARM 处理器那样足够优秀,也能与世界一流厂商正面对决,最终让消费者愿意用手中的小钱钱支持它。