平心而論,擁有一顆真正的“中國芯”是幾代中國IT人的夢想。這里說的“真正”,不僅僅是指的品牌,還表示在服務器、存儲等關鍵IT設備中,中國人自己設計、制造的芯片可以得到大規模的應用。
既然如此,我們就來談談中國芯片那些事兒,這事兒得從英特爾和高通這兩大芯片界的“武林高手”說起。前段時間,高通與貴州省政府簽署了戰略合作協議,宣布雙方正式成立合資企業——貴州華芯通半導體技術有限公司,該公司將專注于設計、開發并銷售供中國境內使用的服務器芯片。英特爾則與清華大學和瀾起科技宣布將聯手研發融合可重構計算和x86架構技術的新型通用CPU(服務器領域)。
高通與貴州省政府簽署戰略合作協議并為合資企業貴州華芯通半導體技術有限公司揭牌,這個事件再度讓高通進軍服務器芯片市場成為人們關注的焦點。
簡單來說就是高通、英特爾這兩芯片大廠都要和中國合作推出芯片了。可以看到,在我國政府大力投資和扶持芯片產業發展的背景下,我國芯片產業的發展進入了一個全新的階段,而國外芯片巨頭也紛紛調整自己的在華戰略。大家看,目前國內的芯片領域是不是出現了新的趨勢?這是好事嗎?說到這里,也許大家會對中國芯片產業的發展提出疑問:很久都沒有它們的報道了,它們現在怎么樣了?國內都有哪些公司在研究芯片?有沒有進展?大家別急,請接著往下看。
國內芯片產業都有哪些玩家?
從我國的情況看,中國科學院計算所、國防科技大學、北大眾志等主要研發高性能通用CPU,用于高性能計算和服務器等產品;中國科學院計算所、北大眾志等還研發了主要用于桌面和筆記本電腦的CPU;研發嵌入式CPU的單位則比較多,包括浙江大學、清華大學、蘇州國芯、杭州中天等。
不過從發展模式上來看的話,目前我國處理器產業的發展大致可分為以下三條路徑。
1、國家隊:嘗試最大程度的獨立自主
這一路線的主要代表是龍芯、申威以及飛騰這三家公司。龍芯倚靠著中科院計算所,申威出自于軍方旗下的江南56所(又稱江南計算所),飛騰則誕生于國防科大。公正地說,這個派別的“國產化程度”貫徹最為徹底,作為代表的三個公司也是國內最早開始嘗試進行自主設計CPU的企業。
不過大家都能想到,獨立自主的道路是最曲折的,市場化也最弱,距離大眾消費電子領域也最遠。它們在初期的現狀更是慘不忍睹,由于市場化程度弱,沒有盈利或者盈利很弱,基本依靠國家出錢支持,因此使用的制造工藝也差不多落后于國外企業兩到三代,而且相關人才也較缺乏。
2、核高基支持的半民營半國家隊:引進吸收再創新
這里說的“核高基”指的是我國的核高基重大專項項目,“核高基”即核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品的簡稱。
這一梯隊的主要代表是蘇州宏芯、上海兆芯。這些公司的市場化氣息濃厚,宏芯和兆芯都是2013年成立的新公司,它們都得到了核高基專項大額資金扶持。此外,這兩家公司的路線和國家隊死磕自主的思想不同,它們不僅引進外資的先進技術進行消化再吸收,并且都有著公開的國產芯片戰略計劃。其中蘇州宏芯借勢于IBM的OpenPOWER戰略,獲得了Power8的全套設計源碼和后繼支持;上海兆芯則依靠于VIA,而VIA具有對個人電腦和服務器領域至關重要的x86授權。
3、民營隊:一切以市場為主
從市場的角度來說,華為海思可能是目前中國最成功的國產芯案例,不過它的國產化程度也較弱。目前為止,華為的所有SoC都使用了ARM的公版核心,從Cortex-A9一路到Cortex-A72,我們都沒看到它的自研核心面世。
但另一方面,華為海思的市場成績也是最亮眼的,可以說大于前兩個梯隊的總和十倍以上。同時因為具備極強的盈利能力,華為海思一面與ARM保持著很好的合作關系,使其能使用最新的ARM產品,知曉ARM最新的路線圖;另一面敢于第一個試水新工藝(例如臺積電的16nm FinFET),以極低的良品率為代價去換取對先進的超深亞納米工藝的提前把握。你們看,華為海思是不是值得稱道?
科普時間
目前全球有四大處理器架構,分別是x86、ARM、MIPS和POWER。
x86是英特爾首先開發制造的一種微處理器體系結構的泛稱。該系列較早期的處理器名稱是以數字來表示,并以“86”作為結尾,因此其架構被稱為“x86”。
ARM架構,被稱作高級精簡指令集機器(AdvancedRISC Machine),是一個32位精簡指令集(RISC)處理器架構,由ARM控股公司開發,其廣泛地使用在許多嵌入式系統設計中。由于其主要設計目標為低成本、高效能、低耗電的特性,ARM處理器非常適用于移動通訊領域(如手機)。
MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages,無內部互鎖流水級的微處理器),是一種采取精簡指令集的處理器架構,1981年出現,由MIPS科技公司開發并授權,廣泛地被使用在許多電子產品、網絡設備、個人娛樂裝置與商業裝置上。
POWER架構,它是一種精簡指令集處理器架構,由IBM聯合多家公司設計,全稱為“Performance Optimization With Enhanced RISC”,即“性能優化的增強RISC”。有兩個基于POWER架構的衍生處理器架構廣泛應用于消費電子產品中,一個是PowerPC,由Apple、 IBM和摩托羅拉聯合研制,是一種32/64位指令集微處理器。另一個是Cell,由Sony、Toshiba和IBM聯合研制,其主要的商業應用為索尼的PlayStation 3游戲主機和IBM服務器。
前行的路并不平坦
即便發展模式明朗,但是國內芯片的發展之路依然充滿荊棘。從具有代表性的國家隊來看,以飛騰為例,由于國防科大在超級計算機領域的需求,飛騰從一開始就被定位成提供超大規模并行科學計算的高吞吐型處理器,擁有較高的多線程吞吐能力,但是它的單線程處理能力較弱,類似于今天的GPGPU。為了追求這種高吞吐,2004年的第一代飛騰兼容EPIC的超長指令字指令集,第二代飛騰的重點也是一個重吞吐的流處理器(streamprocessor),第三代飛騰轉向仿制以吞吐能力見長的Sun Ultrasparc T1/T2,第四代飛騰則轉向了在hotchips曝光的ARMv8“小米”核心。
申威在定位上也與飛騰類似,主要服務國家自研的神威超級計算機,因此申威雖然基于Alpha指令集,但是單線程性能一直不高,設計重點也是在于提供吞吐能力上。龍芯與申威和飛騰則有所不同,龍芯于2001年立項(2000年前后即開始了前期調研,最終圈定MIPS指令集)。起初進展較為順利,立志做趕英超美的處理器設計殺入個人電腦市場,龍芯2代的性能也一度追上奔騰3/奔騰4處理器的水準。
但是,龍芯2代過后便后繼乏力,龍芯3代更是犯了戰略性的方向錯誤,如申威和飛騰一樣轉向多核主攻吞吐量,單核心微結構接近十年未有變化,刨去主頻進步后單線程性能實際上是原地踏步,進軍個人電腦市場的性能前提已經破滅。而龍芯3與同為中科院旗下的曙光公司合作共建超級計算機的計劃也不了了之,這導致龍芯在2013年時仍然處于銷量(以處理器顆數計)僅為5位數的窘境。
這三個代表性的單位,除了飛騰對SunUltrasparc的仿制以外,其他兩家都堅持了最大程度的自主設計。從技術上來說,只有制造工藝和EDA仍掌握在國外公司手中,但是對這條路線,輿論的討伐也最多。
主要原因有兩個。其一,大家對“指令集”的不了解。由于龍芯、申威、飛騰的設計均基于MIPS、EPIC、Alpha、ARM等指令集設計,時常能見到不了解芯片設計的人,包括一些在業內小有名氣的所謂評論人士,誤以為指令集設計是國產芯的核心于是痛罵國產芯實為外國芯。對這一點的誤解,經過不少業內人士反復說明以后,已經大有改觀。
其二則是大家對于這三個單位未能服務公眾、未能進入市場的不滿。現在許多網民都抱怨只見雷聲不見雨點,每每有國產芯的消息傳來,最后卻都進入了公眾不可見或者不關心的領域,對于國家隊吃軟飯的指責此起彼伏。
現如今它們又取得了哪些進展?
2014年,龍芯的新一代微結構GS464E橫空出世,其初步性能測試罕見地獲得了媒體一致贊譽。根據目前已經公布的資料來看,龍芯的新一代產品在單核心性能上為目前的國產最高水平,考慮進主頻的差距,尚未正式推出的2GHz主頻版本GS464E單核心性能為英特爾Haswell 4GHz主頻產品的40%左右。
最新公布的飛騰“小米”核心也在單核心性能上取得了長足進步,有了性能優勢,又有國家市場的后盾,國家隊自保當無問題,甚至還可以在公眾可見的個人消費電子領域有所試探。
市場方面,以龍芯為例,近年來連續拿下海信與海爾數百萬顆機頂盒芯片的單子,在軍工和國防領域也開拓了一些市場,如北斗衛星上吸引了一定關注的龍芯2F抗輻照版本,和輿論中并未涉及太多筆墨的總裝備部采購等。依靠這些市場訂單,龍芯已經基本擺脫了依靠國家投入的狀況,做到了盈虧平衡甚至盈利。
飛騰和申威的新芯片目前已經確定會各自服務于下一代超級計算機,但是對于其余市場的耕耘尚未見到較為清晰的計劃。值得注意的是,最新的申威1600已經改用自定義指令集,意味著與消費電子市場上的通行設備不具備兼容性,申威很可能從頭到尾都沒有考慮過進入外部市場,一如其過往作風。而飛騰“小米”采用了極具市場潛力的ARMv8指令集,打入市場的門檻不高,對其市場化的努力可以抱著謹慎樂觀的態度觀望。
民營隊方面,由于兆芯和宏芯處于剛剛起步的狀態,因此其主要成果還停留在消化吸收的階段。目前兆芯和宏芯已經推出的產品其實是IBM和VIA各自仿制產品的初始版本,不宜過早做出斷言。
再來看看華為,從市場的角度來說,華為海思也可能是目前中國最成功的國產芯案例。依仗著華為開拓的龐大市場,海思的芯片幾乎不愁銷路。據悉,在ARM Cortex-A9時代海思就已經做到了極高的出貨量,但是相對于英特爾鋪天蓋地的“IntelInside”廣告宣傳而言,海思顯得特別低調務實,在很長的一段時間里海思的成就僅為他們自己以及圈內人士知曉。
但是隨著海思的實力越來越強,以及受智能機時代引發的對于芯片這種底層基礎器件的大眾關注,海思是想低調也不成了。據2015年末報道,海思芯片已搭載于超過一半的華為手機當中,而華為手機的全球出貨量已經突破一億部,僅此一項計算海思就有五千萬顆芯片的銷售入賬,這還不包括大家不太關注的其他終端、基站等設備上使用的海思芯片。
在麒麟950發布會上,華為宣布正在設計自主微結構的服務器芯片,該款芯片一旦上市,將徹底結束華為使用ARM公版微結構的歷史。
對于海思而言,最大的遺憾是CPU核心設計并沒有掌握在自己手中,使得“國產芯”的說法始終顯得有那么一點不順。海思的SoC設計極見功力不容抹殺,但是CPU核心部分一直受制于ARM,采用公版設計也是不容忽視的一個軟肋。業內關于海思開展自研CPU核心的傳聞已有時日,以海思的實力來說,正式交出一份完整自研的答卷相信也為期不遠。在輿論評價中,海思的這條路線是最被看好的一個。