中国cpu的现状

　　我国处理器研发起步相对较早，但发展历程比较坎坷。上世纪六十年代，基于超大规模集成电路的 微处理器还未出现，计算机系统就是一个大型的中央处理器，体积大，计算速度慢。当时，我国使 用的计算机系统都是自主设计，且同国际水平差距不大，标志性产品包括晶体管 109 机（1965 年 6 月研制）、小规模集成电路 106 机（1968 年研制）等。上世纪 70 年代以后，美国大规模集成电路尤 其是超大规模集成电路快速发展起来，以英特尔 4004 为标志，美国真正意义上的微处理器面世， CPU 正式进入商用时代，此后按照摩尔定律持续快速演进，英特尔此后也一直统治着全球桌面和高 性能计算市场。相反我国受限于国内经济条件、国际技术封锁等原因，期间虽然研制出了基于大规 模集成电路的第三代计算机系统——专用 77 型微机，但丧失了第四代计算机系统（基于超大规模集 成电路）的研究能力。从“七五”开始，一直到“九五”，国家对国产 CPU 的支持力度明显下降， 主要科研支持计划都未将其列入。直接的后果是，上世纪 90 年代中期，国内大量处理器研究单位关 闭，人员大批流失，大学也很少设置硬件专业，计算机公司变成组装厂，CPU 设计能力基本丧失。

　　但是，随着国内信息化的加速以及电子信息制造业的快速发展，“缺芯”的问题又再次受到国家重视。 “十五”期间要不要、能不能开发国产 CPU 的争论开始爆发，此后科技部将信息产业部启动了发展 国产 CPU 的“泰山计划”。虽然该计划未能实现既定目标，但为国产 CPU 的发展点燃了“星星之火”， 这些火种演变成了现在国产 CPU 设计的三支国家队——飞腾、申威和龙芯。除了“泰山计划”外， 科技部也在通过“863 计划”对国产 CPU 进行支持。从“十一五”开始，国家通过核高基重大科技 专项对国产 CPU 重点企业进行了扶持。“十二五”以来，国家通过集成电路产业优惠政策、产业基 金等措施扶持国产 CPU 产业，国内培育出了一批国产 CPU 设计单位和研究机构，发展走向正轨。 其中，传统的设计机构如龙芯、飞腾、申威、海思、紫光展锐等竞争力正在提升，君正、兆芯、海 光等新秀也在快速成长，科研机构包括中科院计算所、北大众志、国防科大、江南计算所、北京大 学、浙江大学等都在积极参与，形成了百花齐放的局面。

　　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？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nm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X86 CPU的现状：研发近10年，市场份额基本为0

　　众所周知，国产一共有6大CPU，分别是华为鲲鹏、龙芯、兆芯、海光、申威、飞腾。

　　 其中华为鲲鹏、飞腾采用ARM架构，龙芯采用MIPS架构，申威是alhpa架构，而海光、兆芯使用的是X86架构。兆芯的X86架构来自于威盛(VIA)，而海光CPU的X86授权来自于AMD。

　　 其中海光主要发展服务器CPU方面，而兆芯更多的还是桌面CPU方面。这两大厂商都研发了很多牛了，比如兆芯2013年就成立了，至今都快10年了。

　　 那么这两大国产X86 CPU如今在市场上的表现如何？近日 市场研究机构Mercury Research公司发布的2021年第四季度全球CPU市场份额报告显示了全部数据。

　　 如上图，按照 Mercury的统计，整个X86 CPU市场，intel的份额为74.4%，剩余的25.6%的市场，全被AMD占领了。

　　 至于VIA（威盛）的份额，一直为0，也就是说意味着来自于威盛授权的兆芯的CPU，市场份额为0。至于海光，则没有列出来，也意味着等于0。

　　 当然，这个为0，并不是指绝对的为0，只是说这个数值实在太小，连0.1%的份额都不到，所以无限接近于0。

　　 事实上，不管是海光，还是兆芯，都推出了自己的几款芯片，并且也出现在零售市场，也有一定的用户，但从结果来看，说明基本就没有太多存在感。

　　 至于为什么， 海光获得的只是AMD 14nm Zen架构的IP授权，而不是完整的技术转让，海光只能在高级层面根据自己的需要进行修改、定制，所以推出的芯片性能有限。

　　 而 兆芯来自威盛的x86技术，架构技术相对Intel、AMD差了很多，所以推出的CPU，性能也较intel、AMD差了些。

　　 可见，想借鸡生蛋，基于别人的成熟的X86技术，借windows的成熟生态，推出自己的CPU，绕开生态的问题，其实还是很难的，对方没这么大方，关键还得靠自己自研，你觉得？

　　 当然，大家也要对国产CPU抱以更多的信心，毕竟我们现在的路有很多条，不只有X86，还有ARM，龙芯等等，只要一步一步走下去，总会成功的。

　　国产CPU现在发展得如何了？

　　行业主要公司：目前国内CPU行业主要公司有天津海光、华为鲲鹏、天津飞腾、上海兆芯、龙芯中科等。

　　1、中国CPU第一股诞生

　　2022年1月6日，嵌入式CPU设计公司苏州国芯科技股份有限公司于科创板上市，股票代码(688262)发行价为每股41.98元。标志着我国嵌入式CPU第一股的正式诞生。国芯科技是一家聚焦于国产自主可控嵌入式 CPU 技术研发和产业化应用的芯片设计公司。致力提供 IP 授权、芯片定制服务和自主芯片及模组产品，主要应用于信息安全、汽车电子和工业控制、边缘计算和网络通信三大关键领域。2009年，国芯科技主要聚焦汽车电子、工控和信息安全领域，2017年，公司开发开源RISC-V指令集架构处理器，同时进军边缘计算与网络通信领域。

　　国芯科技的技术研发经历了三个重要发展阶段：1、M*Core阶段：2002年4月，国芯科技与摩托罗拉签署M*Core处理器核心授权，协议未约定履行期限，属于长期有效的框架协议。2008-2009年，国芯科技基于M*Core指令集推出C200/C300/C400处理器设计。

　　2、PowerPC阶段：2010年9月，国芯科技与IBM签署Power ISA微架构授权协议，授权费用445.80万美元，2017年签订补充协议，费用120.00万美元。国芯科技2010年至今基于PowerPC指令集推出C2000/C8000/C9000处理器设计。

　　3、RISC-V阶段：2017年，国芯科技基于开源RISC-V指令集推出CRV0/CRV4处理器设计。

　　2、国产CPU指令集呈现多元化，制程迎头追赶

　　从目前我国国产CPU产品来看，国产CPU采用的指令集也呈现多元化状态，且制程多集中于28-14nm制程节点，而全球CPU巨头如英特尔、AMD、IBM多采用7nm以下高端制程，差距较大。目前，上海兆芯与龙芯中科推出了消费级CPU及相关产品，其中兆芯拥有x86指令集授权，有较好的兼容性，龙芯在其3A5000/3B5000产品中放弃MIPS指令集架构，采用自研指令，实现了我国处理器市场指令集的新突破。除此之外，天津海光、华为鲲鹏则用于服务器。国芯科技CPU基于M*Core、PowerPC及RISC-V指令集，面向工业控制、信息安全、金融电子等多种领域。

　　3、国芯科技嵌入式CPU IP授权业务达到国际主流水准

　　国芯科技嵌入式CPU IP授权业务已达到主流水准。从产品方面来看，国芯科技拥有8种40余款嵌入式CPU内核，虽然不及ARM的领域广泛，但已经具有面向信息安全、物联网、汽车电子、工业控制、信息安全、边缘计算、网络通信等关键领域。从制程上看，国芯科技支持先进14/7nm工艺节点实现，已达到国际主流水准。

　　4、我国CPU行业发展策略——走自研道路

　　国芯科技作为国产CPU开发商，无论是市场份额还是技术水平上都难以与国际龙头企业匹敌，但其自研CPU填补了信息安全、工业控制等关键领域的空白，实现了从“0”到“1”的突破。国产CPU发展，需要走自研道路，完善全产业链，防止国外“卡脖子”。同时还要注重生态搭建，做好软硬件结合。最后，要警惕国外倾销，保证国产CPU的可持续发展。