簡單瞭解一下國產CPU
這幾天在B站、油管上刷了一些國產晶片真實上手視訊，順便自己也梳理一下晶片的一些基本概念，以及在美國科技制裁和圍堵的情況下，國產CPU的發展情況。文末有我整理的一張思維導圖，hope u find it informative!
01 縮寫表/術語表
IC：Integrated Circuit 積體電路
IP：Intellectual Property 智慧財產權
ISA：Instruction Set Architecture 指令集架構
SoC：System on a Chip 片上系統
RISC：Reduced Instruction Set Computing 精簡指令集
CISC：Complex Instruction Set Computing 複雜指令集
02 晶片
「晶片」這個詞太火了現在，美國的「晶片禁令」，美國組建的「晶片聯盟」（CHIP4，即美、日、韓、臺），這些大家都耳熟能詳了。「晶片」這個名稱，早期一般指CPU晶片，隨著手機等移動裝置產業的發展，現在一般指SoC（System on a Chip 片上系統），如華為麒麟、高通驍龍等等，都屬於SoC。SoC不是單純的CPU，它整合了CPU、GPU、基頻晶片(Baseband)、記憶體等多種不同的功能元件。晶片產業是一條長的產業鏈，裡面有很多我們耳熟能詳的公司，這裡舉一些簡單的例子。
ARM：持有ARM架構，其商業模式是向下遊提供ARM架構授權、IP核授權，本身不進行晶片生產。
AMD：持有x86架構，設計晶片，但不生產晶片。
Intel：持有x86架構，自行設計、生產晶片。
三星：從ARM公司購買ARM架構授權，自行設計、生產晶片。
華為、蘋果：從ARM公司購買ARM架構授權，設計晶片，但不生產晶片。
臺積電、中芯國際：通常不設計晶片，幫助其他晶片設計公司生產晶片。
為什麼感覺這些年的「晶片設計」公司多了？我覺得主要是由於晶片設計的難度相對下降了，人們不需要從零開始設計晶片，不需要重新發明輪子，而是直接從IP供應商獲得指令集架構、IP核的授權，然後進行組裝或者進行一定的客製化化。
03 指令集架構授權
一個CPU晶片在設計之初，需要確定自己採用什麼架構，這裡的架構指的是指令集架構。指令集架構相當於一種規範，如果A、B兩個公司設計的都採用同一指令集，那麼在A上執行的軟體不需要修改就能執行在B上。想要使用現有的指令集架構，通常需要購買授權。
設計一套指令集並不太困難，難的是指令集之上的生態。你可以設計出一套自己的指令集，但是目前執行在x86或者ARM上的作業系統、各種軟體，都無法在你的指令集上執行，那麼你的產品就沒有市場。
目前指令集架構的兩大霸主分別是PC及伺服器領域的x86、移動領域的ARM。
x86架構目前基本上就是Intel和AMD在使用（AMD通過交叉授權的方式從Intel獲得了x86架構的授權），還有兩家中國公司，兆芯、海光。海光是與AMD合作，於2016年獲得了AMD的x86授權，兆芯的授權是從威盛那獲得，二者都是永久授權，不過x86的後續更新，由於美國的科技制裁，這兩家中國公司很難拿到了。
而在移動裝置領域，90%以上都使用ARM指令集架構，許多晶片設計公司從ARM公司購買指令集授權，例如華為購買的就是ARM V8指令集架構，其他的包括Broadcom、蘋果、華為、Nvidia、AMD、三星、高通、微軟等等。
除了x86和ARM，還有少量其他指令集架構，比如近幾年國內比較火的RISC-V(發音同「risk-five」)，還有基本已經涼涼的MIPS、Alpha指令集等等。
指令集架構相當於一種「規範」，同一個架構，不同的公司有不同的實現方法。技術能力較強的公司可以購買指令集架構之後自行設計晶片，這樣做到好處是可以進行完全的客製化化來實現高效能，例如蘋果自己實現的ARM架構晶片比其他廠家領先至少2年，而壞處就是研發成本高。如果不想完全自己設計，可以購買現成的「IP核」，例如ARM Cortex系列的CPU IP。
04 IP核授權
IP核可以簡單理解為一些經過嚴格驗證的、可重複使用的模組，如DDR介面IP核、USB介面IP核、CPU IP核、GPU IP核等等。IC產業中的一些公司專門從事某一些模組的設計，並把自己設計出來的模組以智慧財產權的方式授權給下游的晶片設計廠商，這樣下游廠商就可以通過組合、客製化模組來完成自己的晶片設計，避免重複造輪子。IP核供應商可以幫助降低晶片的開發難度、縮短開發週期，是IC產業鏈上的關鍵環節。
IP核授權分為三類：軟核、固核、硬核。(實際上各個IP提供商對客戶如何使用這些IP擁有非常大的控制權，尤其像ARM這樣擁有壟斷地位的供應商來說，因此這只是一個泛泛的分類，而不是精確的)
軟核，是晶片結構的程式碼錶示（晶片設計使用的一種特殊的程式語言，可以用這種語言描述一個晶片的結構）
固核，是晶片結構的設計圖紙
硬核，是晶片結構的生產掩膜（交給臺積電，臺積電就能直接生產出晶片了）
軟核、固核、硬核的授權費用是依次降低，使用難度是依次降低，但靈活性是依次降低。購買軟核的公司，可以進行客製化化，圖省事的公司會直接購買硬核。
ARM公司在IP核領域同樣具有壟斷地位，它提供廣泛的處理器和系統IP核，包括Cortex-A、Cortex-M和Cortex-R系列CPU IP核，以及Mali系列GPU IP核，ARM在IP核領域的全球佔比超過40%，排名第一。第二、三名IP供應商是Synopsys（新思科技，美國）、Cadence，這兩家同時是最大的EDA公司。國內最大的IP公司是芯原，排名全球第七，另外Imagination Technologies是中國控股，這個排名全球第四。
05 國產CPU
目前國產CPU主要就是6家：海光、兆芯、飛騰、華為鯤鵬、申威、龍芯。目前這幾家的CPU主要還是集中在政府、事業單位的採購，以及一些特殊領域（如國安、超算等），消費級的桌面CPU還很少，這是基本的現狀。我覺得並不是說國產CPU無法滿足日常辦公和影音（實際上完全可用，這個網上有許多實測視訊，包括SPEC評分等等），主要還是消費者對生態方面的顧慮。
海光，使用x86架構，佔據著國產x86伺服器處理器絕大部分的市場份額。以中國移動為例，其電信運營商伺服器CPU國產化率超50%，其中有一半是海光資訊貢獻的。海光CPU應該是國產CPU中效能最好的，海光3號CPU接近AMD ZEN3水平。海光近幾年發展不錯，2022年營收51.25億元，同比增長121.83%。不過，由於依賴海外企業授權，自主可控方面仍有風險。
兆芯，同樣使用x86架構，目前最新的PC處理器為開先KX-6000G，16納米工藝；伺服器處理器為開勝KH-40000，也是16納米工藝。和海光一樣，兆芯同樣依賴海外企業授權。
華為鯤鵬、飛騰都獲得了ARM V8永久授權，可自行研發設計CPU核心和晶片，也可以擴充指令集。但已經無法獲得更新的ARM V9的授權，因此採用ARM架構仍存長期隱患。
華為鯤鵬，主要面向伺服器領域，2014年釋出鯤鵬912，2016年釋出鯤鵬916，2019年華為釋出鯤鵬920，是業界第一顆採用7nm工藝的資料中心級的ARM架構處理器。隨著美國對華為的打壓，雖然華為還可以設計晶片，但找不到代工廠來生產，因此華為鯤鵬系列目前處於停滯狀態。
飛騰，目前主要在政府事業單位，同時，也被用於天河等超級計算機。2020年，飛騰推出伺服器CPU騰雲S2500（16納米制程，臺積電代工），桌面CPU騰銳D2000（14納米制程，由中芯代工）。由於飛騰目前已被列入美國的所謂「實體清單」，後續包括架構授權、先進位製程的生產都有風險，計劃中的更先進的伺服器晶片如S5000，也因此處於停滯狀態。
申威，使用完全自主的SW64指令集架構（傳言是基於已經涼涼的Alpha指令集架構研發的），不過申威的CPU主要用於超算領域，例如「神威·太湖之光」，使用的就是申威的SW26010。申威的CPU目前還比較小眾。
龍芯，早前基於MIPS指令集架構，2020年釋出了自研的指令集架構LoongArch，龍芯是國內唯一一家能夠對外授權指令集和IP核的通用CPU企業，自主可控程度是國內同類企業中最高的。生態方面，目前國內主流的辦公軟體都完成了LoongArch的適配，同時LoongArch通過軟硬體結合的二進位制翻譯方式實現了部分相容x86、ARM（效能有損失），可以在一定程度上緩解龍芯的生態問題。龍芯年內將要釋出3A6000，採用12納米工藝，據稱效能可以對標7納米的ARM Zen2。目前基於龍芯+統信/麒麟的純國產桌面電腦對於常規辦公、常規影音娛樂沒有問題，大型遊戲有困難，當然，這不僅僅是CPU的問題，也需要國內GPU廠商在硬體和驅動上繼續努力。
多說一句龍芯，我常常在國產硬體的實測視訊中，看到一些人拿著來源不明的訊息甚至臆測來貶低龍芯，油管視訊下面有這些評論我能理解，但很奇怪B站上也是一大堆這類評論。對於這些人，我覺得你可以不看好龍芯，但說任何話最好還是從事實出發，否則就很難讓人不懷疑你的動機了。龍芯的自主化道路，面臨的困難可想而知，這裡向胡偉武博士等龍芯人致敬，道阻且長，行則將至。
RISC-V，最後再說一下RISC-V指令集架構，這個架構和x86和ARM最大的不同是指令集架構本身是免費的，大家都可以用，因此在x86和ARM日趨壟斷的情況下，很多巨頭都投入到RISC-V的陣營，包括谷歌、英偉達、華為、阿里、騰訊等等。RISC-V基金會目前25家最高階別的Premier Menmbers會員中，中國廠商的數量達到14家。阿里平頭哥的玄鐵CPU就是使用RISC-V架構，根據平頭哥官網統計資料，玄鐵處理器IP累計授權晶片出貨量超過30億顆。在5月28中關村舉行的「RISC-V 開源處理器晶片生態發展論壇」上，第二代「香山」（南湖架構）開源高效能RISC-V核心（即IP核）正式釋出，計劃2023年6月流片（即「試生產」），效能預計超過2018年ARM釋出的Cortex-A76 IP核。除了龍芯這種自主路線之外，個人感覺RISC-V也是另外一種不錯的選擇。
總之，革命尚未成功，同志仍需努力。
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