華為與X86芯片商的業務交集,主要發生在桌面級和服務器領域。雖然華為有自己的鯤鵬920芯片,現階段也可以規模量產基於7nm 製程鯤鵬芯片的服務器和臺式機產品,但考慮到華為目前暫時失去了先進工藝的晶圓代工能力,因此除開鯤鵬庫存,華為服務器和桌面級消費業務,亟需依賴英特爾、AMD的CPU芯片。
在桌面市場,華為筆記本2020年銷量估計在五六百萬臺左右,服務器年銷量在百萬臺的規模。英特爾和AMD成為最先向華為亮綠燈的美系供應商,是因為這部分業務,與華為其他業務相比,體量不大,華為與聯想、浪潮一樣,接受英特爾、AMD服務器和桌面級的芯片,其實,美商有更大的利益。
所以,英特爾斷供更多是那些末路之人,秀存在的手段,能夠執行到什麼層次,出現什麼結果還不好說。話說前幾天,華為基於英特爾第11代CPU的2021版新款筆記本,已經發布了。
但是,服務器和桌面級核心領域,我們必須要有自己的一席之地,這是未來科技戰略智能計算的基礎。尤其是疫情在凸顯手機銷量下降趨勢的同時,反逼出智能計算的發展如火如荼。雲服務已經將數據存儲和處理從手機和筆記本電腦等邊緣設備轉移到數據中心。
有一個數據有力地說明瞭服務器芯片的重要性:臺積電在2020年上半年業務增長迅猛,其生產的芯片的銷售量幾乎都在下降,但除了一個領域,居然增長了12%,那就是高端服務器和電腦芯片。
什麼是CPU?
CPU在電子設備上的核心單元,其工作就是運行操作系統和各種應用,處理數據並輸出。CPU發展到現在,已經開始出現多核心。比如華為最新的麒麟9000就包含一個大核、三個中核、四個小核。在服務器領域,甚至可以搭載多個CPU,每個CPU都有多個核心。
要設計製造一個CPU,芯片設計公司首先要決定的是CPU核心的架構,從而要選擇工作指令集ISA,指令集為處理器提供指令,它是連接軟件和硬件的紐帶。不同的ISA設計,使得上層應用不可以兼容運行,除非有專門的仿真環境作為橋樑,但仿真帶來的是性耗的損失。
ISA有兩種基本類型:速度更快的CISC(複雜指令集)架構和更省電的RISC(精簡指令集)架構。這意味著 CISC 可以在一條指令中完成多件事情,而RISC 可能需要多條不同的指令來完成同樣的任務。
RISC著名的代表架構是:Arm、MIPS和RISC-V。而CISC的代表就是英特爾和AMD擁有的x86架構。
在Arm與x86競爭的過去十年中,Arm已經贏得了智能手機等低功耗設備的選擇。而x86在桌面級和數據中心領域有著絕對的優勢,但Arm體系正在其消費生態的闊步成長下,浸入x86的領地。
這一切源於Arm的開放性,使得更多科技巨頭,巨量投入資金和科研力量來發展ARM架構的CPU設計。蘋果、高通、華為,通過不斷迭代的SOC技術,ARM體系也正在步入需要提高電源效率的筆記本電腦和服務器設備中,蘋果的筆記芯片M1 和華為的鯤鵬920就是其中的佼佼者,步履緩慢的X86開始感受到巨大的寒意了。
我們距離世界先進水平還有多遠?
華為是中國芯的龍頭代表。從目前來看,通過世界排名前三的研發投入,華為憑藉對ARM的打磨,已經有了麒麟9000 和鯤鵬920等世界級的芯片。當然,現在的華為正在經歷缺芯之殤,但是代表著國產CPU完全可以崛起,並在世界先進芯片行列中佔有一席之地。
當前國產通用 CPU 處理器儘管與世界最先進水平相比仍有一些差距,但已從十年前“基本不可用”發展到今天“完全可用“,甚至開始有獨立於海外知識產權,不再受制約的 IP架構,國產 CPU 應用開始從專用領域轉向公開市場,邁出了具有裡程碑意義的重要一步。
我們正在尋求設計和製造更先進的國產芯片,以取代進口,遏制核心芯片掐脖子現象,而服務器、桌面級芯片是其中的關鍵。尤其是這個市場的穩定和增長,意味著它擁有很高的戰略價值,即使進入壁壘很高,我們也伸開腿蹚出一條道路。
華為的鯤鵬是迄今為止,國產服務器CPU領域最成功的產品。樂觀的分析認為,2020年有可能交付150萬到200萬顆鯤鵬服務器芯片。但鯤鵬的庫存能支持多久呢?
龍芯是最早的國產商用CPU,而且在艱難的探索歷程中,龍芯意外獲得了MIPS的核心技術,龍芯在此基礎上研發的龍芯指令集LoongArch,成為我們真正意義上可以不被掐住脖子的核心技術。
申威處理器是我國另外一款,具有完全自主知識產權的處理器系列。申威是目前Alpha指令集陣營中僅存的碩果,擁有自主擴展指令和發展路線的自主權。2016年6月20日,搭載40960塊“申威26010”高性能處理器的神威·太湖之光超級計算機,在法蘭克福世界超算大會(ISC)上,登頂榜單之首,成為世界上首臺運算速度超過十億億次的超級計算機。
但是除了鯤鵬和申威在服務器和超算領域,進入世界級的一線產品行列,我們的桌面處理器,距離英特爾和AMD的新一代芯片,差距不小。比如:龍芯目前最先進的3A4000通用處理性能,與AMD公司28nm工藝最後產品“挖掘機”處理器相當。我們的桌面Cpu單核性能,與英特爾、AMD主流 CPU相去甚遠。
國產CPU盤點
龍芯
龍芯已經買斷MIPS指令集的產權,並在此基礎上研發出國產指令集LoongArch。兼容MIPS,部分兼容x86、arm、risc-v。國產CPU領域,只有龍芯和下面將要介紹的申威,擁有自主可控的核心IP。
龍芯最新一代的 CPU 是 4核的3A5000正在流片階段,這款處理器使用 14/16nm 工藝。目前龍芯的桌面CPU 已經可以商用,但在服務器 CPU 上由於核數較少,暫時落後於其他國產 基於X86 和ARM 的CPU。龍芯的服務器 CPU 要等待正在研發的 3C5000 了。
值得一提的是,嵌入式龍芯,已經應用在我國的航天級業務上,北鬥導航衛星的CPU就是龍芯抗輻射芯片。
申威
搭載40960塊申威的神威太湖之光,曾經多次在 TOP500 上名列第一,目前在世界超算界位居第三。申威已經開始把服務器作為發力的方向。
申威的指令集來自Alpha架構,而Alpha已經被束之高閣,指令集和微結構都已經不再更新,技術專利已經過期。申威是目前世界上唯一的Alpha捍衛者,並且在此基礎上,擁有了自主擴展指令和發展路線的自主權。
申威用實踐證明,獨立自主與CPU 高性能可以兼得,沒必要一定依附於 X86 和 ARM,中國人自主定義指令集完全走的通。
2020 年 面向服務器的SW3232 已經開始流片階段。作為自主產權的申威在提升的道路上,顯然不如明星架構ARM 和 risc 上的眾多產品那樣,突飛猛進。
鯤鵬
目前沒有跡象表明,ARM對華為斷供了,而且也沒有任何資料能說明,華為在已經獲得ARM V8永久授權的基礎上,將V8的上限延伸多遠。
有個數據可以證明華為在V8上的延伸能力:華為麒麟9000 的主核甚至不是最新的A78,而驍龍888採用的ARM性能大核X1,號稱比A78 提升30%。然而麒麟9000的單核/多核:1043 / 3647,驍龍888為1127 / 3679。
鯤鵬920處理器正是華為在ARM V8 上傑作,48核的鯤鵬920與同時代最強的 Intel 至強8180性能相當,但鯤鵬920能耗比對方低20%,而64核的鯤鵬920測試性能要優於 Intel 至強8180 33%左右。從某種意義上來說,鯤鵬920的閃亮度絕不比擁有網紅身份的蘋果M1差。
如果芯片代工供應鏈得力,鯤鵬的飛翔高度不可限量。
飛騰
ARM體系的飛騰,是國產桌面級CPU的領先者。新一代的桌面級CPU:飛騰騰銳D2000剛剛發佈,基於14nm工藝,擁有8個FTC663內核,最高主頻2.6GHz。
在高性能服務器方面,下一代騰雲S5000系列會升級到7nm工藝,在今年有可能發佈。
兆芯
兆芯是國產CPU在x86架構方面保持獨立的嘗試。兆芯擁有x86 指令集的使用權。雖然無法在高端領域與英特爾、AMD競爭,但兆芯在低端服務器、臺式電腦和筆記本領域取得了進展。
兆芯最新的KX6000,已經把主頻做到 2.7G 至 3.0G。KX-6000 採用16nm工藝,集成8核。其CPU性能與2017年的英特爾i5相當,這足以讓兆芯滿足辦公領域的要求。兆芯也在規劃7nm 製程的CPU。讓我們繼續關注性能數據。
兆芯的最大的優勢就是能跑Windows,但X86的架構約束度有多大,是需要擔心的最大問題。
海光
2016年,AMD公司與天津海光達成了合作,授權海光生產Zen架構的CPU。但現在外部環境早已鉅變。
AMD也表態:與海光的合作關係目前僅止於第一代Zen架構技術,不提也罷。
結語
隨著產業政策的不斷加碼,國產CPU在近幾年發展快了起來。
我們已經能夠獲得低端CPU的獨立發展,目前需要向高性能計算領域追趕。雖然與世界先進的差距比較大,而且伴隨著芯片產業鏈製造環節的諸多風險,甚至還有資源分化的擔憂,但面對當前風雲變幻的國際產業環境下,我們只能努力向前,克服諸多困難,完善我們自己的軟硬件科技生態。
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