我国CPU产业迎来黄金发展机遇期 | 国产CPU最新发展态势分析
来源：高科技与产业化（ID:hitechcas），作者：霍雨涛（工业和信息化部赛迪研究院）
长期以来我国在通用CPU 领域一直受制于人。信息通信技术的深度融合，以及云计算/ 大数据和SDN/NFV 的快速发展，正在推动计算架构、网络架构、存储架构向通用化方向演进。这对互联网服务器CPU 提出了全新的规格需求，同时也给我国发展CPU 产业带来了新一轮的黄金发展机遇期。赛迪智库集成电路研究所认为， 我国应以互联网服务器CPU 为切入点，从而实现在高端服务器及通用CPU 领域的安全自主可控发展。
CPU产业面临新的需求
云计算推动计算架构向通用服务器演进。云计算模式正在重构信息技术产业链， 并推动服务器从传统的小型机向通用服务器演进。同时云计算所需的互联网服务器， 主要关注低功耗和低成本大规模部署，而对单颗CPU 和单台服务器的处理能力要求比传统通用服务器低很多，ARM 架构服务器芯片由于功耗低、指令复杂度低、开发成本低等优势而逐渐受到关注。近期高通和AMD 均推出了基于ARM 架构的服务器芯片，同时惠普也在其最新的服务器中开始使用ARM 架构芯片。
SDN 和NFV 推动网络架构向通用服务器的演进。SDN 和NFV 技术使得网络设备不再依赖于专用硬件，基于通用服务器即可实现资源的灵活共享、新业务的快速开发和部署，并解决云、管、端协同组网能力，因而在云计算数据中心应用中逐渐成为首选方案。目前越来越多的企业正围绕SDN/NFV 积极展开布局，例如思科和英特尔联合研发基于X86 通用服务器的SDN/NFV 解决方案，高通等企业为了打破英特尔垄断而研发基于ARM 架构的互联网服务器芯片。
互联网应用推动CPU 向异构和定制化演进。随着移动互联网的高速发展，互联网企业对搜索、数据分析、计算等单一应用的处理需求快速增长，催生了对服务器CPU 芯片定制化的需求。
互联网企业通过采用自主设计或深度定制CPU 芯片的方式， 来提升CPU 对于特殊应用的处理能力， 降低服务器功耗水平， 削减硬件运营成本。谷歌、Facebook、亚马逊等企业都加大了对服务器芯片的研发投入，同时英特尔也积极调整战略，按各互联网企业要求提供定制化服务。
人工智能和类脑计算推动计算与存储深入融合。传统的CPU 在处理神经网络、人工智能等新兴应用时，面临效率低下、存储带宽和容量有限等瓶颈，如谷歌大脑需要1.6 万个CPU 核跑7 天才能完成猫脸无监督学习。在互联网服务器里面集成深度学习处理器，通过计算与存储的深度融合，实现对海量数据的计算、分析、传输、存储等功能，已成为人工智能和类脑计算等新兴应用的迫切需求。
我国发展CPU产业的基础
市场需求空间大。国内互联网产业的快速发展带动大量数据中心的建设，我国正成为全球互联网服务器需求增长最快的地区。据IDC 统计，2015 年我国服务器出货211 万台，占全球20% 份额，同比增速达到18.8%。其中，阿里巴巴采购量和巴西相近，腾讯采购量超过韩国，百度采购量则与新西兰相当。除互联网领域外， 政府机构和关键行业领域的服务器市场需求也在同步增长，未来5 年复合增长率预计超过10%。
产业基础实力雄厚。2015 年我国网络经济营收规模首次突破1.1 万亿，同时全球10 大互联网企业我国已占到4 家，分别是阿里、腾讯、百度、京东，并且前30 位企业中我国也有12 家。根据各企业2015 年年报，腾讯营业收入1028.63 亿元，同比增长30% ；阿里巴巴营业收入1011.4 亿元，同比增长33% ；百度营业收入666.8 亿元，同比增长35.3%。我国主要互联网企业目前均处于高速发展期，并且具备较好的产业基础。
技术基础优势明显。从生态和工艺的角度来看，互联网服务器CPU 产品技术与移动智能终端CPU 重叠度高、可复用性好，现阶段我国凭借市场优势在手机领域已经形成了海思、紫光展锐等龙头企业， 可在市场与国外巨头正面竞争，同时也积聚了一批高端技术人才和自主知识产权，具备了发展互联网服务器CPU 的技术基础。
生态基础基本完善。服务器CPU 产业生态链较短，其操作系统、应用程序的需求和种类相对较少，实现起来相对容易， 我国在互联网领域已经形成了较为完备的产业生态体系。同时谷歌、Facebook、亚马逊等互联网厂商也用事实证明了，互联网企业可以实现从芯片设计、制造、封测到软件和中间件等各环节全部由自己掌控， 并借此获得更多话语权。
大力推进我国CPU产业发展
抓住ICT 产业融合发展机遇，以互联网服务器CPU 为切入点。一是制定国家CPU 设计制造能力提升路线图，长期持续投入，围绕互联网数据中心核心需求， 出台鼓励扶持政策，大力推进我国互联网服务器CPU 产业的发展。二是发挥大市场优势，推动我国企业获得国际主流CPU 架构授权。三是鼓励互联网企业、网络通信企业、服务器整机企业自研芯片，在服务器领域首先实现安全可控，再逐步实现自主可控。
探索协同创新发展模式，构建服务器CPU 自主产业生态体系。一是加强芯片、整机、软件、操作系统、应用等各环节企业之间的沟通协作，组建服务器CPU 芯片联盟，探索揭榜挂帅的模式，联合攻克关键核心技术。二是以国家主导方式建设CPU 相关基础设施，包括设计工具、模拟仿真平台、专用CPU 工艺生产线、封装测试平台等，为CPU 设计验证提供持续的全局化支持。三是围绕“开源社区战略”大力推进配套产业生态环境建设，加强国内基础软件与服务器CPU 硬件平台的协同发展，构筑完整的服务器CPU 自主产业生态体系。
加强知识产权布局和前瞻基础研究， 为实现持续发展蓄力。一是建立国家CPU 战略专利资源池，吸纳国内各企业专利， 对加入组织的国内企业进行专利保护，并支持专利池积极收购国外专利。二是加强与CPU 技术紧密相关的支撑学科建设，包括计算机体系结构、系统软件、计算机网络、微电子、材料科学、光学工程等。三是加大对量子计算、人工智能、类脑计算等前瞻基础研究的投入，加大对新材料、新结构、新器件的研究。聚天下英才，加速人才体制机制改革和人才引进力度。一是完善科研人员收入分配制度，以市场化标准对各类人才进行评价和支持，人员待遇与市场接轨，克服重物轻人的经费管理弊端。二是建立符合芯片领域特点的人才评价机制和人才激励机制，以实际能力为衡量标准，不唯学历、不唯论文、不唯资历，在人才入股、技术入股以及税收等方面制定专门政策。三是打造全球配置人才资源能力，以全球视野进行选拔和引进高端人才，支持企业在境外设立研发机构，充分开发利用国际人才资源。
国产CPU最新发展态势分析
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国内已开启多技术路线并行的CPU技术产业新格局。在国家科技重大专项和国家级集成电路产业投资资金的推动之下，我国CPU产品技术研发已进入多技术路线同步推进的高速发展阶段，并因发展模式和技术特性的不同而呈现出不同的发展特色，其中：
x86体系由intel封闭主导，国内企业通过商业合作进行CPU产品和部分技术的研发。Intel独揽x86 CPU的基础架构、芯片设计、工艺制造三大环节并封闭发展，目前已积累了超过1.7万件CPU相关专利。在硬件层面，不仅掌控与北桥CPU配套的南桥芯片组外围接口、GPU等核心技术，也主导着与x86相关的标准技术和测试认证，例如内存条接口、硬盘接口以及PCIe总线接口等；在软件层面，与微软结成“Wintel”联盟形成长期相互协同的利益闭环，众多应用厂商围绕x86+windows体系开发产品。我国的兆芯和曙光分别通过与威盛和AMD的商业合作进行x86 CPU的研发，其中兆芯已推出3代CPU产品，并形成了完整的芯片组解决方案，在操作系统层面除兼容windows和linux外，也联合方德、中标、普华等多家国内企业展开适配；曙光联姻AMD加快在服务器领域的布局，自研安全加密模块替代原有AMD的安全部分，提升安全保障能力，预计相关产品今年底实现正式商用。
ARM体系以开放共赢为基本原则，国内企业在获得技术授权的基础上进行芯片架构和芯片设计的研发。ARM公司是ARM生态的主导者和核心规则的制定者，通过基础架构授权、IP核授权等方式获得经济收益。芯片设计企业基于ARM授权的基础架构/IP核进行芯片研发，降低了研发的难度、风险和成本，与ARM公司形成互惠互利的合作伙伴关系。而生态系统中大量的上下游软硬件企业则遵循ARM统一制定的标准规范，对接众多客户需求而实现经济利益获取。国内基于ARM生态的CPU产业已有较好基础，华为海思、展讯、联芯、飞腾等众多企业均已累积多年的ARM芯片研发经验，在移动终端领域我国芯片设计技术已与国际主流水平同步，在高性能计算等应用领域也推出了相应的CPU产品。华为、展讯、国防科大等多家企业取得ARM自主化程度最高的架构授权，可进行自主CPU基础架构的研发。2016年4月集合国内外数十家企业的绿色计算产业联盟的成立，将继续推动国内ARM生态的逐步壮大和在全球生态中话语权的提升。
MIPS体系基于架构授权构建开放生态，国内企业是产品研发和生态推动的主要力量。2012年Imagination和ARM的母公司Bridge Crossing合力购得MIPS公司的580项专利，前者联合多家MIPS芯片设计企业组建MIPS开源社区PRPL基金会，共同推进MIPS架构与IP的持续向前发展；后者则侧重于战略性收购以提升知识产权能力。我国目前是推动MIPS生态繁荣的主要力量，龙芯在MIPS精简指令集基础上自主扩展了指令集loongISA，并坚持自主研发微架构和编译器，2015年8月发布的GS464E在整数运算性能方面基本追平了AMD的微结构,浮点运算性能方面接近Intel在2013年发布的Ivy。君正在MIPS基础指令集的基础之上自主扩展了SIMD指令集，侧重于32位嵌入式CPU芯片及配套软件的研发和销售，主要应用于便携教育电子、可穿戴设备等移动便携设备领域。
此外，国内对Power、Alpha等架构也有布局。国内已通过授权得到IBM的Power CPU全套技术，对标行业应用市场。申威对自主的Alpha架构也在不断深化升级，在双核Alpha基础上拓展了多核架构和SIMD等特色扩展指令集，主要面向高性能计算、服务器领域，在2016年国际超算大会评比中，基于申威26010处理器的“神威太湖之光”计算机系统首次亮相并夺冠,其峰值性能达每秒12.5亿亿次浮点运算,成为世界首台运行速度超10亿亿次的超级计算机。
二、面临挑战和主要问题
国产CPU产业配套滞后于产品技术需求，后续升级压力较大。一是，目前国内制造工艺落后国外两代，CPU专用和高性能制造工艺尚处于起步阶段，面向服务器和PC的国产CPU产品仍需依赖台积电等国外厂商。二是，我国IP产值不足全球的10%，并且高端IP的缺乏难以支撑设计和制造发展的需求。华大九天等国内企业发展自主EDA工具，但目前仍较多应用在低端产品当中。此外，与工艺制造相关的装备和材料技术的落后也制约国内制造工艺的升级，进而影响CPU生态的竞争力。
国产CPU生态环境薄弱且成熟缓慢，长远发展空间受限。受CPU知识产权壁垒和国外CPU企业对商业模式的限制，目前国内孤立的CPU生态环境基础薄弱且成熟缓慢，主要表现在合作伙伴少、软硬件生态力量分散、无法建立Wintel联盟的协同共赢模式、缺乏产业上下游间的融合发展和深度优化等。
应用开发与CPU研制未形成良性互动，竞争力提升缓慢。当前国产CPU研发还极大依赖于国家项目扶植和支持，未结合市场需求，导致产品和应用脱节的情况较为突出，无法持续发展。目前各级单位正在大力推动国产CPU的应用，但因基于国产CPU的操作系统及应用软件生态并不丰富，目前规模较小，产品竞争力提升缓慢。
三、对未来发展的建议
强化统筹协调，提升国内技术生态水平。依托国内的市场优势和企业的成长优势，以我国信息安全特殊需求为切入点，针对具有我国特色的个性化应用需求，联合华为、国防科大、展讯等核心优势企业，加大对CPU产品的研发和在相应生态中的影响力。深化国际合作，在兼容开放、专利申请等方面争取更多权益。
强化配套供给，提升国内生态体系完备性。一是，推动国内芯片设计企业与中芯国际等制造企业、江苏长电等封测企业间深化合作，围绕服务器、移动芯片、物联网芯片等专用需求，实现国内自有的专用制造和封测工艺技术。二是，加大对与芯片特色功能优化紧密相关的基础IP的自研力度，力图逐步实现国产化替换。三是，支持企业积极参与国际开源社区，深化对开源软件技术的理解，提升国内CPU系列芯片产品配套应用的系统软件和应用软件供给能力。
强化应用驱动，提升国内技术产业化进程。面向国产化应用实际需求，开展研发攻关和国产化应用部署。整合各类专项资金和社会资金，继续加大对核心技术/产品自主突破的支持力度。鼓励应用企业主导建立应用牵引、研用融合的核心技术研发体系，形成研发、应用、纠错、完善的体系化迭代创新模式，实现技术研发与应用的协同效应。
强化标准建设，提升国内差异化竞争优势。围绕我国特定领域信息安全需求，构建完备标准化体系，并将其纳入国内市场准入控制范畴。推动企业加强对专利申请的重视程度，适当降低知识产权申请的费用门槛和管理门槛，探索产业共建知识产权专利池，提升我国对外知识产权自我保护能力。
作者简介：周兰，就职于中国信息通信研究院两化融合所集成电路与软件研究部。联系方式：zhoulan@caict.ac.cn
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