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集微咨询:国产CPU 大有可为 如何破解三大隐忧?

  • 来源:互联网
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  • 2022-02-22
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集微咨询(JW Insights)认为:

-国内CPU厂商近年来奋楫前行,在工艺、性能、生态建设等多个层面不断取得突破,为CPU的自主可控、安全可信构筑了新的堡垒。

-国内CPU厂商在IP和指令集架构授权层面或存在被卡脖子或难以升级的风险,而自主研制指令集又面临生态壁垒,成为制约国产CPU发展的两大屏障。

-国内CPU厂商要在重围中杀出一条“芯”路,需要打持久战,在CPU性能、生态、先进工艺层面久久为功,同时加强云管端和算力融合,加快垂直或横向整合,才能持续突破。

近日,爱集微重磅发布《中国半导体企业 100 强(2021)》排行榜,在此次榜单上欣喜地看到国内四家CPU厂商飞腾(第36位)、海光(第52位)、龙芯中科(第53位)和兆芯(第58位)上榜,可说是国内CPU取得突破性进步的一大标志。

我国对CPU的高度依赖已成为数字化经济的巨大软肋。在大国博弈和科技强国背景之下,自主可控已然形成共识,CPU作为数字化时代的基石,国产化之路是自由之路。在多重因素交织促进之下,国内CPU主要厂商龙芯、兆芯中科、飞腾、海光、申威和华为等迎来了广阔的发展空间。此次海光和龙芯中科登榜即是明证。

作为撑起信息安全和网络安全的“主力”,本报告将主要围绕服务器及PC领域的国产CPU进行解析。

持续攀高

从PC端和服务器市场需求来看,仍呈现出强劲的增长势头。

最新IDC调研数据显示,到2025年,中国PC市场出货量规模将达到约6766万台。但要指出的是,这一成熟市场或将面临产品形态、客户群以及架构的颠覆。

而得益于数据中心的快速增长,织就成一个数字化世界,服务器需求量也水涨船高。IDC预计,2022年我国服务器市场规模预计将达到257.31亿美元,2025年将达410.29亿美元,复合增长率在12.5%。

从Gartner数据显示来看,2021年CPU出货比2020年的下降了不少。但未来在AIoT、云计算、数字化转型等的带动下,CPU将走出短暂的下滑。

因研发门槛高、生态构建难,CPU历来被称作IC业的“珠穆朗玛峰”。而英特尔经过多年的鏖战,先后击败了MIPS、SPARC、PA-RISC、Alpha、Power等RISC处理器阵营,以技术优势和专利壁垒构筑护城河,在桌面和服务器CPU居于统治地位,占据全球80%左右的桌面CPU市场和90%以上的服务器CPU市场。

长期来看,国内仍将是全球最大的CPU消费市场。作为电子信息终端制造大国,我国若是在CPU这种关键器件上缺乏有效的应对和准备,将会对国民经济社会发展产生极具破坏性的影响。目前中美在科技领域的博弈具有长期性,美国的科技制裁导致国际供应链断裂和信息安全风险加剧,出于战略安全、产业升级角度考虑,我国正持续加大对国产CPU研发、应用等领域的支持力度,国产CPU大有可为。

特别是为促进国产CPU发展,我国设立了“信创市场”。随着各地信创项目大面积铺开,信创产业也随之出现了一个现象级的风口,将创造一个万亿玩级别的市场,也将极大地带动国内CPU、基础软件以及信息安全等的大发展。

全方位进阶

回望国产CPU的飞腾之路,这是长时间耕耘的馈赠。

十五期间,国家启动发展国产CPU的泰山计划,863计划也提出自主研发CPU。2006年核高基专项启动,国产CPU迎来了新一轮的国家支持,以中科龙芯、天津飞腾、海光信息、上海申威、上海兆芯、华为海思等为代表的国产CPU厂商崛起,征战四方。

通过多年的耕耘,在国际环境、产业政策、市场需求的联合驱动下,上述国产CPU厂商奋楫前行,在工艺、性能、生态建设等多个层面不断取得突破,为CPU的自主可控、安全可信构筑了堡垒。

在产品迭代和升级层面,龙芯中科已于去年推出了自主指令系统 LoongArch(龙芯架构),发布了基于此架构的3A5000,性能大幅跨越,实现了从可用到好用。新一代服务器处理器龙芯3C5000L则可满足云计算、数据中心对国产CPU的性能需求。而基于x86的海光CPU系列产品海光一号、海光二号已实现商业化应用,海光三号处于验证阶段,海光四号处于研发阶段。兆芯x86 CPU两大系列KX(开先)和KH(开胜)分别面向PC市场和服务器市场开胜,基于全新自主架构设计的开胜和开先处理器样品已成功,即将大规模量产。飞腾持续迭代基于Arm的高性能服务器CPU腾云S系列。不走寻常路、采用“申威 64”指令集的申威威焱 831 处理器,指标均达到国内先进水平。

而生态层面涉及硬件生态和软件生态,国内CPU厂商也在着力扩大“朋友圈”。龙芯中科从2020年开始牵头成立了龙芯生态适配服务产业联盟,目前已有近百家厂商推出了数百款基于LoongArch的龙芯桌面、服务器、网安、密码等产品,在核心的操作系统方面也形成了面向桌面和服务器应用的 Loongnix,独立于Wintel和AA体系。飞腾通过生态圈建设、软硬件适配、软硬件兼容认证、解决方案定制等举措积极完善生态,截至2021年6月底,飞腾软硬件合作伙伴已经超过2300家,飞腾CPU已经与1627家软件厂商完成了4439款软件的适配和优化。不走寻常路的申威,统一操作系统UOS申威版已适用申威421系列、申威1621系列机型。

从应用角度来评价亦可圈可点。2021年至今,飞腾CPU产品销售量超过200万片,广泛应用于信息基础设施、融合基础设施、创新基础设施等领域,位居政务信创市场占比第一。龙芯中科系列产品在电子政务、能源、交通、金融、电信、教育等行业领域已获得广泛应用。此外,海光CPU系列产品兼容x86指令集以及国际上主流操作系统和应用软件,广泛应用于电信、金融、互联网、教育、交通等重要行业或领域。华为2019年推出鲲鹏920,以及基于鲲鹏920的TaiShan服务器和华为云服务,虽受禁令影响,但生态亦蓬勃发展。

更值得一提的是,龙芯中科和海光则更率先登陆科创板。

2021年11月,海光科创板IPO申请已获得受理。12月17日,龙芯中科科创板IPO成功过会,上市在即。据悉,海光计划募资91.48亿元,用于新一代海光通用处理器研发、协处理器研发、先进处理器技术研发中心建设等。龙芯中科也计划募资35.12亿元,用于先进制程芯片研发及产业化项目等。

层层隐忧

尽管国内CPU整体取得了不小的突破,但在地缘政治及产业巨变之际,国内CPU发展的隐忧亦浮出水面

集微咨询(JW Insights)认为,国产CPU面临的隐忧主要在三大层面。

一是CPU核心,这是实现自主可控的“基石”。国内CPU厂商采用核心不同,却各有各的“难处”。

国内CPU厂商主要有三大路线:一是以龙芯中科和申威为代表的指令集+自研的架构;二是以飞腾和华为鲲鹏为代表基于Arm指令集授权的架构。Arm主要有三种授权等级,而海思、飞腾已经获得Arm V8永久授权;三是以海光、兆芯为代表获得x86的授权(仅内核层级的授权),未来扩充指令集形成自主可控指令集难度较大。

总的来说,IP核授权和指令集架构授权都存在被卡脖子的风险,而自主研制指令集又面临应用生态问题,这是制约国产CPU发展的两大屏障。Arm授权是采用Arm架构CPU厂商头顶的达摩克里斯之剑。从x86内核授权来看,虽然生态完善,但存在安全可控和技术授权壁垒,比如天津海光自被美国列入实体清单后,AMD表示最新的架构将不再进行授权。龙芯中科和申威授权+自主研制指令集来开路,虽然自主可控程度最高,但其最大的瓶颈在于生态壁垒。

二是CPU需要先进制程的配合。伴随CPU持续追求更高性能,必然会在多核设计、高速接口、先进制程与封装工艺方向演进,而国内在代工先进工艺进军已然受阻,从设备、材料等诸多方面实现突围还需较长的一段时间。

三是生态层面的突破亦难关重重。目前国内CPU大多集中在党政机关、国企事业单位以及特定行业有一定的推广和应用,在商业市场上的突破仍待时日。

变局从生

在上述泾渭分明的格局之外,如今的行业面临诸多变局,加之大国博弈的影响,不同企业为长远计,也在尝试各种布局、突破、合纵等,让行业格局发生微妙的变化,并对未来的发展产生长远影响。

一方面,在嵌入式领域横扫的Arm架构阵营正集结了新的集团军,向x86优势领域发起新的冲锋。苹果率先在Mac电脑应用基于Arm架构的M系列处理器,并已取得不俗战绩,而谷歌、高通等也将加一阵营。在服务器CPU领域,亚马逊、谷歌、Marvell、富士通、阿里巴巴、中兴等诸多实力排选手也在竞相打造基于Arm的CPU,性能不断提升、生态不断完善,与x86架构正面竞争,蚕食之势不容小觑。

但在英特尔x86架构的技术壁垒和成熟生态面前,Arm这条路径更显不易。一方面,开发Arm架构的服务器芯片难关重重,不止设计复杂,对性能、功耗要求极高,无疑是一场重投入、长周期的战役。而且,开发之后能否批量销售、客户用起来不出问题等更是无形的挑战。另一方面,显然也不能忽视x86架构护城河的力量。据TrendForce预测,至2023年前以Arm架构为代表的服务器芯片仍难与x86抗衡。

值得关注的是,去年华为宣布出售x86服务器业务,表明未来将专注于继续发展鲲鹏这条高价值路线。不过,后续华为仍要面临如何解决制造、构建完整的鲲鹏生态、把握市场机遇等层层考验。

另一方面,新兴的开源RISC-V架构有望成为x86和Arm之后第三极。RISC-V开源特性吸引IBM、NXP、西部数据、英伟达、高通、三星、谷歌、华为、阿里、Red Hat 与特斯拉等数百家科技公司加盟。据Semico Research,预计到2025 年,采用 RISC-V 架构的芯片数量将增至624 亿颗,2018 年至2025 年复合增长率高达 146%。但要指出的是,x86和Arm在各自领域形成了强大生态体系,RISC-V 在短期内难以替代,或从AIoT 领域起步逐步拓展。

在RISC-V市场层面,引发业界热议的是,2021年3月,MIPS公司正式宣称放弃自研架构,转身研发RISC-V。到了8月Imagination宣布基于RISC-V的ISA设计重新进入CPU市场。而英特尔在之前就宣称基于7nm RISC-V架构的Horse Creek开发平台将于2022年登场,甚至一度要以20亿美元的价格收购以开源RISC-V为基础的芯片设计公司SiFive但却被拒,一系列变化将对RISC-V格局甚至整个半导体业产生长远影响。

集微咨询(JW Insights)认为,未来的竞争不止涉及CPU性能与生态,而是考验从云到端布局、以及异构计算融合的全方位能力和多样化算力谱系。此外,DPU已然兴起,正与CPU、GPU共同组成“数据中心的三大算力支柱”,而英特尔、英伟达、AMD为代表的巨头均全面押注,英特尔已向DPU和GPU领域拓展,凭借GPU而崛起的英伟达也开始涉足CPU、DPU市场,国内CPU厂商也要应时而动,多方布局,构筑全新的高价值链。

持久战

显然在面临上述重重挑战之后,国内CPU厂商要在重围中杀出一条“芯”路,或许仍需要坚持持久战。

集微咨询(JW Insights)认为,在架构层面,Arm授权受限于其是否受美禁令涉及,但反过来说未来鲲鹏和飞腾如果基于Arm V8发展出自己的指令集,则创新可信程度将显著提升。对于龙芯、申威等自主CPU厂商而言,创造一个独立于Wintel(微软-英特尔)和AA(安卓-Arm)的第三套体系的重任,需要持续完善基础软件,开展应用软件生态建设,在生态层面的建设显然需要久久为功。

同时,在市场应用层面,也要从信创市场向企业级市场以及消费级市场逐级突破,尤其是消费级市场是国产CPU需要长期突破的目标市场,也是考验真正实力的试验场。

从产能和先进工艺的角度来看,国内CPU厂商也需在这些方面加强供应链管理和应对,以保证未来的客户供应。

在国外巨头构筑的强大扩城河面前,集微咨询(JW Insights)还认为,国内CPU厂商或可群策群力,利用现有资源进行整合,进行一定程度上的技术路线合并,或借助资本收购一些有关联的公司,逐渐以集团化对抗国外的集团化,或可走出一条有特色的国产CPU突破之路。

无疑,未来国产CPU发展仍道阻且艰,但在国家安全战略和国产芯片自给率要在2025年达到70%的大目标面前,这又是一条不得不走的必经之路。(校对/李延)

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  • 编辑:郭晓刚
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