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打造新时代“中国芯”

颜士强 周腾飞
2020-01-17 08:42:40  来源:解放军报

  2019年12月24日,北京龙芯中科技术服务中心北京赛车时间表发布了龙芯新一代通用CPU产品。这一芯片产品采用新工艺,使用其最新研制的新一代处理器,通过设计优化成倍提升了性能。同时,新一代芯片内集成了安全机制,实现了自主可控和安全可靠的统一。

  我国的CPU研发起步并不晚,但发展过程较为坎坷,相关产业发展一直面临“缺芯”问题。近年来,一大批国产CPU设计单位成长壮大,自主研发也逐渐崭露头角,相关产品不断迭代升级,实现了从“可用”到“好用”的突破。

  

  巨头垄断的战略产业

  CPU,即中央处理器,被视为计算机的“大脑”和“心脏”,是计算机运算核心和控制核心,属信息处理、程序运行的最终执行单元。它可被看作一个巨复杂系统,又可谓一个国家的大宗战略产品。在信息化、智能化时代,是国家战略安全、产业安全的重要保障。

  1971年,Intel公司发布了世界第一款微处理器芯片,这也是第一款商用计算机微处理器。自此,CPU产业发展之快超乎想象,目前通用CPU产品主要用于计算机和服务器领域,而嵌入式CPU产品则广泛应用于如工业控制、汽车电子、网络设备、消费电子、移动通信、智能家电等电子设备上。如今,一片小小的CPU芯片,不仅直接关乎一个国家的战略安全、产业安全,同时也早已渗透、影响到人们生活的方方面面。

  早期,全球CPU芯片仅由全球寥寥几家大企业掌握,他们主导和参与着由CPU指令集、CPU内核研发到最终芯片形成的整个制造环节。

  历经数十年的发展,随着全球产业分工、产业模式不断调整,逐渐形成了某些专门提供CPU内核的知识产权企业。他们不设计芯片,而是基于某种CPU指令集,专注于CPU内核的设计,并将设计好的CPU内核以知识产权的方式提供给芯片设计企业使用。

  在当时,这类企业主要有英国的ARM公司以及美国的MIPS公司,他们提供CPU内核给芯片设计企业使用,而芯片设计厂商则通过获得他们的指令集架构授权进行设计。

  目前,全球CPU指令集架构市场基本是由Intel和ARM两大巨头厂商垄断。在通用CPU芯片领域,Intel占据了全球超过90%市场份额,在嵌入式CPU芯片领域,ARM的芯片也占据了全球90%以上的市场份额。其中在通用CPU芯片领域,Intel和AMD是占据主流市场的两大厂商,Intel更是以其雄厚的技术积累长期处于“领头羊”的位置。2019年,AMD爆发出前所未有的强悍能量,推出全新产品,向Intel发起了全面挑战。

  CPU产品除了自身技术因素外,更多依托的是生态,生态的作用在CPU市场上的表现十分突出。在传统的电脑市场上,Intel和微软构成的“Wintel”体系一直牢不可破,Intel引领着CPU的发展,并领导着一批PC硬件和制造企业为其适配。在移动市场上,ARM和Android的组合同样具备强大的影响力,ARM占据了全球95%的移动芯片授权市场,而Android在移动操作系统市场上的份额也高达85%。

  目前,在设计环节,芯片仿真设计软件的核心技术被美国企业垄断。在制造环节,最先进的7nm制程技术则被跨国公司掌握。

  自主研发的坎坷之路

  CPU作为一个巨复杂系统,同其他芯片器件不同,它不但强调逻辑控制,还需要有强劲的性能,技术实现难度非常之高。特别是经过近50年的发展,其内部架构和逻辑关系已经变得错综复杂,全球能够独立研发高性能CPU的国家非常少。

  我国的CPU研发长期以来一直处于追赶者的位置,绝大多数CPU都是进口或者采购国外企业在华产品,相关产业发展市场受制于人。

  近年来,我国CPU自主研发逐渐进入快车道。自2001年开始,我国开始启动CPU自主设计项目,产生了以龙芯中科、天津飞腾、申威等为代表的国产CPU品牌,产品性能逐渐提高,应用领域不断扩展,使中国长期以来无“芯”可用的局面得到极大扭转,为构建安全、自主、可控的国产化计算平台奠定了基础。

  虽然进步明显,但目前国产CPU整体性能与国际领先水平还有一定差距,高端芯片还严重依赖于进口,我们长期以来一直处于追赶者的位置依然没变。据龙芯首席科学家胡伟武介绍,龙芯新一代通用CPU产品是我国自主研发CPU从中低端走向中高端的重要标志。

  与此同时,国产CPU研制还面临诸多困境:

  一是生态环境。在产业环境方面,集成电路(IC)自给率低,同时中国企业即便是能够达到Intel的硬件水平,仍很难突破微软的软件垄断。

  二是系统架构。目前国内CPU的架构全是出自国外授权,不论是构建自己技术体系的龙芯、申威,自主设计微结构的飞腾、君正、众志,还是和国外厂商合资的兆芯、宏芯等,都面临着难以逾越的专利壁垒。

  三是专业人才。硬件产业是技术密集型行业,需要大量高级管理和技术人才,而人才的引进不是件轻而易举的事。

  四是制造装备。CPU的制造需要经历几百道不同工艺加工,且全是基于精细化操作,而目前我国能生产出中端光刻机的企业并不多,制造仪器的落后也是影响国产CPU发展的关键因素。

  面向未来任重而道远

  统计数据显示,2019年前7个月,我国芯片累计进口额为1645.71亿美元,继续超过原油居国内进口产品首位。其中,处理器及控制器芯片(主要为CPU)进口额为749.71 亿美元,占到芯片进口额的46%。

  近年来,西方国家对我国超算、服务器、智能手机、通信系统设备等整机制造核心企业的压制持续升级,以Intel、AMD为代表的国际巨头厂商在技术研发上继续用力,CPU产品不断迭代升级,“挤压”着国产CPU的发展。

  作为电子信息终端制造大国,一旦在CPU这种关键器件上遇到“卡脖子”问题,我国如缺乏有效的应对和准备,将会对整个电子信息行业甚至国民经济、社会发展产生大的影响。

  国内有志之士形成共识:引进国外高新技术不是长久之计,关键核心技术是国之重器,必须牢牢掌握在自己手中。国产CPU的发展,最根本的就是走自主可控的发展道路。

  面向未来,不论是营造可持续发展的环境,还是培养高级管理与技术人才,国产CPU产业的发展任重而道远。龙芯首席科学家胡伟武指出,我国信息产业的根本出路在于建立独立的第三套生态体系。自1980年以来,Wintel联盟就一直主导着全球PC市场。在这种联盟的影响下,全球个人电脑产业形成了所谓的“双寡头垄断”格局。

  中国要发展自己的 CPU产业,也必须有坚强的同盟,走合作发展之路,软件、硬件企业不能各自为战,要进行强强联合,不断提升整体性能水平,共同推动产业国产化进程。

  以龙芯为例,龙芯提供开源的基础版操作系统,支持下游的操作系统企业、整机设备企业、解决方案企业推出产品版操作系统,通过基础版操作系统统一系统架构,实现操作系统跨主板兼容和CPU代际兼容,实现应用在不同整机平台的兼容。

  据悉,在此前完成设计能力“补课”的基础上,龙芯团队计划于今年和明年推出更新的产品,其通用处理性能将达到产品级的世界先进水平。

编辑:迟语洋

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