中國 CPU 暗潮洶湧,龍芯、飛騰他們都在走什麼樣的路?

作者 | 發布日期 2015 年 10 月 26 日 7:30 | 分類 中國觀察 , 晶片 , 零組件 follow us in feedly

近年來,在核心電子零件項目補貼和國家級積體電路產業投資基金的扶持下,中國從事高性能 CPU 設計的單位或公司數量也不斷壯大,這當中有像龍芯、飛騰、申威這樣擁有深厚技術底蘊的老牌 IC 設計單位,也有像巨集芯、兆芯這樣的新秀;既有展訊這樣的國有控股公司,也有海思這樣的非國有制企業。



有人評價這是「百家爭鳴、百花齊放」,也有人評價這是「重複建設、互相傾軋」。

事實上,在眼花繚亂的設計單位和公司中,根據自主可控程度高低和市場化經營的難易,可以分為 3 種難度模式:

一種走獨立自主路線,構建自己技術體系的 Hard 模式,其代表是龍芯、申威;

另一種是自己設計微結構,保障晶片安全可控,但依附於 Wintel 或 AA 體系,相容其軟體生態的 Normal 模式,其代表是飛騰、君正、眾志;

最後一種是和中國外廠商合作、合資,或者在軟體和硬體方面完全依附於 AA 體系的 Simple 模式,前者的代表是兆芯、宏芯,後者的代表是海思、展訊。

下面,我們就從 3 種難度模式的發展路線盤點中國 CPU 的技術路線和市場前景。

 

 一、Hard 模式發展路線

獨立自主發展路線顧名思義在智慧財產權、發展路線選擇權方面是完全由自己說了算,走自主路線有以下幾個特點:

一是擁有自主發展權。

擁有自己的指令集,可以自主擴展指令集,在發展方向上可以自主選擇。例如龍芯就在獲得 Mips 永久授權的同時,自行擴展了 148 條 loongEXT、5 條 loongVM 指令、213 條 loongBT、1,014 條 loongSIMD,將 Mips 原本的 527 條指令,擴展為 1,907 條,發展成為龍芯自己的 loongISA,申威對 Alpha 的指令集也進行了很大程度的擴展。

二是安全可控。

自主構建技術體系,可以實現從軟體和硬體上同時實現安全可控。例如,龍芯正在以「loongISA+LCC+GS464E 等自主研發的微結構 + 社區作業系統 loongnix + 軟體生態 + 產業聯盟」為基礎,力爭打造自己的體系,由於軟體和硬體皆自己搭建,因而安全性較高。申威也在積極構建自己的軟硬體體系,開發了自己的神威睿智編譯器,研發了基於 Linux 的神威睿思作業系統,加上超算領域不像 PC 領域那樣存在軟體生態的掣肘,申威構建自主技術體系的道路可說是一片坦途——於 2012 年 9 月投入使用的神威藍光超算使用了 8,704 片申威 1600,搭載神威睿思作業系統,實現了軟體和硬體全部國產化。

雷鋒網配圖

▲ 龍芯 GS464E 處理器示意圖。

三是利潤全部在中國。

舉例來說,龍芯構建了一個涵蓋 2 、300 家企業,上萬名技術人員的產業聯盟。因為擁有自主智慧財產權,可以實現所有利潤都留在龍芯構建的產業聯盟內,中國外廠商除非加入龍芯的產業聯盟,給龍芯當馬仔,否則無法分走一分一毫利潤。申威因專注超算領域,產業聯盟比較封閉,目前除神威超算的液冷系統從國外採購外,其餘大多實現國產化。

Hard 模式之下也有兩個不利因素:

一是技術門檻高,產業化難度大。

設計單位要獨立完成指令集擴展、微結構設計、編譯器研發、軟體生態搭建等工作,還要吸引足夠多、足夠強的合作夥伴加盟,建立產業聯盟。

二是不利於市場化經營。

目前,PC 領域是 Wintel 體系的天下,而行動晶片是 AA 體系的天下,伺服器方面中低階市場基本被 X86 晶片佔領,而高階伺服器則是 IBM 的傳統市場。構建自己的體系必然無法相容國外 Wintel 體系和 AA 體系,不利於市場化經營。

 

二、Normal 模式發展路線

Normal 模式發展路線是指設計單位購買國外指令集授權,自主設計微結構,但依附於 Wintel 或 AA 體系,相容其軟體生態的發展路線。典型代表:飛騰(ARM)、君正、眾志。

Normal 模式有以下兩個特點:

一是購買國外指令集授權。

舉例來說,飛騰購買了 ARM V8 指令集授權,君正購買了 MIPS 授權,北大眾志則獲得了 X86 授權(龍芯課題組成立後,AMD 主動找上門給的。至於其中的原因,你懂的)。

雷鋒網配圖

▲ 國防科大設計的相容 ARM V8 指令的「小米」。

二是自主設計微結構和 CPU,從硬體上來保障硬體安全可控。

舉例來說,飛騰設計了「小米」,並有「火星」和「地球」兩款產品;君正設計了 XBurst0、XBurst1 、XBurst2,並有 Z 系列、X 系列、M 系列三條產品線;北大眾志自主設計了 UniCore-1、UniCore-2,以及眾志-805、PKUnity-3-130 、PKUnity-3(65)、 PKUnity86-2、PKUnity86-3 等 CPU 或 SOC,其中 PKUnity86-3 具有非常高的集成度,實現將 CPU、GPU、DSP,北橋與南橋晶片組集成為單一晶片,最大程度地規避了大批量整機生產中的國外配套晶片斷貨和停產風險。

雷鋒網配圖

三是能相容國外 Wintel 體系、AA 體系的軟體生態。

舉例來說,「火星」和「地球」能流暢運行 Android 及其應用程式;君正則是因為大量應用軟體都是針對 ARM 寫的,導致君正無法運行這些應用軟體,針對這個問題,君正正在開發的 MC 轉碼,能在部份程度上改善相容性的問題。另外,君正的智慧手錶 inWatch T 搭載了 TencentOS;北大眾志則是能完全相容 Window98、WindowXP、Window 7 等作業系統。

雷鋒網配圖

▲ 君正用於智慧手錶 inWatch T 的 Ingenic Newton2──可穿戴裝置開源開發平台。

雖然 Normal 模式下,設計單位無法自主擴展指令集,技術發展只能按照外商劃定的路線圖亦步亦趨,無法自主選擇發展方向。而且無論是授權到期還是指令集更新,都要再次購買指令集授權,始終是受制於人,淪為高級打工仔。

但在沒有自己的體系可以依託或沒有資本和技術自建體系的情況下,依附於國外體系,是獨立自主發展向市場化運營妥協的無奈選擇。

利弊相伴、禍福相依。Normal 模式也能帶來以下優勢:

一是研發的技術門檻、時間成本和資金成本大幅降低。

例如飛騰和君正就不需要自己擴展指令集,不需要開發自己的編譯器,更不需要構建軟體生態和產業聯盟,只需要設計「小米」、XBurst 和 UniCore-2 等微結構以及「火星」、M150、M200、X1000、PKUnity86-3 即可。

雷鋒網配圖

▲ 君正用於物聯網的 M150。

二是有利於市場化經營。

在依附於國外體系後,可以相容其已經發展得很成熟且豐富的軟體生態,不會遭遇 Hard 模式下的軟體生態瓶頸。這對於飛騰、君正和眾志市場化經營來說是一大利多。

 三、Simple 模式發展路線

Simple 模式有兩種情況:

一種是和中國外廠商合作、合資;

另一種是軟體和硬體方面完全依附於 AA 體系。

前者的代表是兆芯、宏芯,後者的代表是海思、展訊。

對於像兆芯、宏芯這樣和國外廠商合資或者合作的企業來說,優勢是顯而易見的,大樹底下好乘涼——兆芯可以得到 Wintel 體系的庇護,而宏芯能夠得到 IBM 的技術支持。當然,代價同樣巨大。從此往後,兆芯淪為 Wintel 體系的馬仔,宏芯也被 IBM 綁在了 OPENPOWER 的戰車上,永遠的失去了像龍芯、申威那樣自主發展的可能性。

而且,在引進技術中,往往有這樣一個過程,先貼牌,後仿製,再修改原始設計,最後在將引進的技術融會貫通後自主創新。因此,宏芯今年發表的 CP1,其實就是 IBM 的 Power 8 的馬甲,兆芯目前唯一一款桌面晶片 ZX-A 就是 VIA Nano 的馬甲。

雷鋒網配圖

按照兆芯和宏芯公布的 PPT,要走完貼牌、仿製、修改、自主創新這個過程基本要到 2018 年左右的 ZX-E 和 CP3。在此之前的產品,基本上談不上自主智慧財產權,就更談不上安全可控。

另外,對兆芯和宏芯來說,還存在另一些風險:

對於巨集芯而言,IBM 對宏芯的技術扶持是受限制的!POWER 8 最有價值的浮點運算方面的技術是不對宏芯開放的。另外,IBM 將技術轉讓給宏芯的意圖是扶持一個打工仔,做四核或八核處理器去和 Intel 搶市場。

如果宏芯想用 IBM 的技術自己設計微結構,做高階伺服器的 CPU 和 IBM 競爭,那麼宏芯將無法得到 IBM 的技術支持。

對於兆芯而言,風險就更大。

台灣 VIA 的 x86 專利來自收購的 Cyrix 公司,雖然獲得了部份 x86 專利的使用權,但 VIA 在技術積累方面缺乏底蘊,在遭受 Intel 專利大棒的襲擊下,VIA 的 x86 晶片銷聲匿跡。

雖然在英特爾與美國聯邦貿易委員會(FTC)達成協議後,英特爾需向威盛提供 x86 授權協議延長至 2018 年 4 月——在 2018 年 4 月前,VIA 與 Intel 將可相互使用對方的專利,但 2018 年 4 月之後,VIA 就不能再使用 Intel 的新專利(舊專利能繼續使用)。

那麼,到了 2018 年後,兆芯若不用 Intel 的新專利技術,那麼很有可能在性能方面被 Intel 越拉越遠,若是使用 Intel 的新專利,那麼就很有可能被 Intel 專利大棒打的半身不遂,重蹈 VIA 當年的悲劇。

另外,兆芯技術起點很低。Cyrix 公司早在 2000 年就有大批技術骨幹人才流失,VIA 的 x86 晶片在 2009 年左右技術發展就基本停滯了,VIA 官網上更是萬年不更新,目前最好的產品是 VIA Nano,但其性能實在是慘目忍睹,不要說和 Intel 的 haswel 比較,就是和龍芯 GS464E 相比都有很大的差距。

雷鋒網配圖

▲ 圖為 1G 主頻下 SPEC2000 測試分數,各款 CPU 的編譯環境未說明,僅供參考。

不過 VIA 最新的 QuadCore E C4650 有一定進步,在製程和主頻方面比 Nano 有一定提升,但根據官網資料,微結構依舊是以賽亞的小改版本,單執行緒能力還是相對較弱。

另外,不知道 VIA 是否將 QuadCore E C4650 轉移給兆芯, QuadCore E C4650 是否就是兆芯的 ZX-C。

對於像海思、展訊這樣的公司來說

依附於 AA 體系下,有利於商業營運,能賺快錢,但在購買 ARM 微結構,集成自己的 SoC 的過程中,ARM 微結構授權費和每生產一枚晶片的專利費猶如 ARM 稅在吸血,榨取了 IC 設計公司的利潤。

海思和展訊的日子過得蠻滋潤,原因在於海思是華為子公司,麒麟晶片自產自銷不愁賣,定價上不受市場影響,華為內部說了算,而且華為產品的高溢價可以為海思留出充足的利潤空間。

展訊在被紫光收購後,Intel 又以 15 億美元入股展訊獲得 2 成股權,另外,國家積體電路大基金給予紫光 400 億資金。在紫光和 Intel 的輸血下,展訊自然是能夠縱橫捭闔。而那些不能「拼爹」,或者雖然有個爹,但爹不是李剛的 ARM 陣營廠商,比如聯芯、炬力、新岸線、全志、瑞芯微等就沒這麼幸運了。

另外,因為大家都是購買 ARM 的微結構,帶來了產品高度同質化、缺乏核心技術、利潤普遍偏低、市場競爭激烈、生存壓力大、產品存在安全風險等問題。

 

四、選擇一個發展方向,集中攻堅是否可行?

目前,如果算上被飛騰終止開發的 SPARC,在中國可謂集齊了 x86、ARM、MIPS、Alhpa、POWER、SPARC 六大陣營,而且還各搞一套軟體生態和產業聯盟,說是重複建設、互相傾軋也不無道理。

那麼,國家是否能夠出面協調,選擇 1-2 個主攻方向,實現集中力量,重點攻堅嗎?

難!

除了部門利益難以調和外,彼此之間發展路線的不認同也是重要因素——在龍芯、申威看來,選擇 Normal 模式、Simple 模式,永遠受制於人,無法形成自己的軟體生態,也無法自主選擇發展方向,永遠不能實現獨立自主。

對於龍芯和申威來說,一個擁有中國最強微結構,另一個擁有中國最好的高性能眾核 CPU,經過十多年的技術積累,龍芯和申威已經有了自己的指令集、編譯器,和頗具雛形的軟體生態與產業聯盟,要他們放棄現有的技術積累,轉投 x86、ARM 陣營顯然是不可能的。

而在兆芯、海思等看來,選擇 Hard 模式不僅技術門檻高,市場化經營更是難上青天。在可以依附於 Wintel 體系和 AA 體系的大樹下乘涼之時,根本不可能選擇 Hard 模式。

另外,Hard 模式成功了固然好,無論是資訊安全方面還是商業利益上都是無與倫比的,但風險異常巨大,失敗了就是血本無歸。而 Normal 模式、Simple 模式雖然在資訊安全還是商業利益方面的收益不能和 Hard 模式比,但風險較低,是在中國半導體產業總體落後西方的情況下,向現實妥協後的無奈選擇。

因此,國家決策層想必也是難以抉擇,於是來個「八仙過海各顯神通」,把能走的路都走一遍,總有個把能成。但以中國在 IC 設計方面的人才積累和資金投入,真的有這個資本和時間去揮霍嗎?

 

五、為什麼國家對各家 IC 設計公司扶持差異巨大

盤點各家公司獲得國家資金扶持情況:

2014 年紫光(控股展訊)獲得國家積體電路大基金 400 億元人民幣。

宏芯成立時獲 6 億註冊資本,從 2014 年成立至今,獲得補助不少於 20 億元人民幣。

兆芯成立時上海市政府出資 12 億元,從 2013 年成立至今,獲得補助不少於 70 億元人民幣。

龍芯自 2001 年成立以來,從國家 863 計畫、核心電子零件專項中累計獲得項目經費 5 億人民幣。龍芯中科公司成立後,獲得北京市政府 2 億人民幣的股權投資。2010 年後未獲得國家專案資金扶持。

飛騰、申威因是軍方專案,並沒有資料。

在中國的國情下,獲得國家補助並不依靠各家的技術水準、技術成果、技術路線(技術水準最好,也是技術成果最豐富的龍芯、申威、飛騰,顯然不如兆芯、展訊受國家重視),而是取決於各家單位的公關能力和國際巨頭的在華影響力。

 

六、結語

五大陣營互相傾軋,一方面是重複建設、資源浪費,同時也帶來了激烈的競爭。

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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