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国产CPU迎新发展契机,EDA和IP仍陷困局

编者按:自1956年中国将半导体作为国家重要的发展领域后,今年是第66个年头。回望66年的发展,从无到有、从小到大,半导体产业经历了风雨坎坷同时又迸发出无限的生机。在中国“十四五”提出数字经济发展规划

编者按:自1956年中国将半导体作为国家重要的发展领域后,今年是第66个年头。回望66年的发展,从无到有、从小到大,半导体产业经历了风雨坎坷同时又迸发出无限的生机。在中国“十四五”提出数字经济发展规划,瞄准集成电路等战略性领域之际,半导体产业纵横推出“国产化进程”系列专题,讲述当今中国半导体各领域发展进程,解析国产化最新态势,本期为“国产化进程”专题集成电路篇第一篇文章。4k0esmc

与英特尔和AMD相比,中国本土CPU厂商及其产品的存在感一直都很弱,不过,近两年,随着国家政策和国际贸易局势的变化,国产CPU迎来了新的发展契机。有越来越多的企事业单位将更多目光和精力放在本土CPU企业及其产品上,特别是事业单位和国企,对国产CPU的渴望程度不断加强,这也给本土CPU厂商提供了更广阔的发展空间。4k0esmc

多线并进 谁执牛耳?

近期,国产CPU厂商龙芯中科就在产业化拓展方面又进一步。4月底,用于工业控制与终端等领域的低功耗通用处理器龙芯2K1000LA完成了改版芯片的功能和性能测试,并成功流片,目前正在开展用户试用。龙芯2K1000LA内核更新为基于龙芯自主指令系统架构LoongArch的LA264,通过调整设计进行了性能和功耗优化。龙芯2K1000LA处理器的推出,标志着继2021下半年龙芯信息化业务转向“龙架构”LoongArch之后,龙芯工控业务也全面转向LoongArch。4k0esmc

与x86和Arm不同,龙芯的LoongArch架构采用的是自主研发的指令集IP,虽说早期是基于MIPS开发的,但经过多年的迭代和研发,LoongArch已经是自主可控的架构了。4k0esmc

与龙芯相似,申威也是国产CPU的代表,其指令集架构是自主定义的SW64,比较有代表性的处理器是申威SW26010。4k0esmc

与龙芯和申威的商业模式有所不同,其它几家具有较强代表性的本土厂商飞腾、兆芯、海光和华为,采用购买IP授权的方式开发自家的CPU。4k0esmc

飞腾和华为主要基于Arm架构,华为同时也在开发基于x86架构的CPU,但由于近两年受到非市场因素干扰和国际贸易限制,华为的x86架构CPU业务很难继续进行下去,该公司将更多精力投入在Arm架构CPU的开发上,代表产品是华为鲲鹏920。4k0esmc

另外,阿里也推出了Arm架构处理器倚天710。4k0esmc

兆芯和海光则基于x86架构开发CPU,相对而言,海光较为低调,兆芯的产品迭代消息更多一些。兆芯的x86技术来自于VIA(威盛),其代表产品是KH-3000和KX-6000系列,今年初,该公司宣布,2022年将推出基于全新自主架构设计的服务器处理器和桌面处理器。4k0esmc

可见,中国本土CPU厂商发展路径不同,各有优势和劣势。在发展过程中,会遇到各种挑战,不同类型的公司,面临的困难也会存在差异。4k0esmc

EDA和IP困局当前

对于芯片设计厂商来说,EDA工具是必不可少的,然而,目前的EDA市场主要由国际三巨头把持,中国本土EDA厂商的技术实力和市场占有率都较小。当前,Synopsys,Cadence和Mentor这三家EDA巨头占据了全球几乎70%以上的市场份额,中国近90%的市场也被它们把控。4k0esmc

天眼查显示,中国本土EDA厂商数量约30家,成立时间主要集中在2010年之后。从企业注册资本来看,注册资本在1000万元以下的企业占比为55.17%,1000万-5000万元的企业占比为20.69%,大于5000万元的企业占比为24.14%。从人员规模来看,在有相关信息公布的企业中,有18家企业人员规模小于50人。4k0esmc

这样的企业资金和人员规模,难以同国际大厂竞争。而在国际贸易受限的当下,国产EDA工具的不足是一个潜在风险,或许也正是因为如此,最近两三年,本土新成立了多家EDA软件公司,这在一定程度上似乎能满足国际贸易受限后,芯片设计公司对EDA工具的部分需求,但从长远来看,难以形成市场规模和较高影响力的局面,依然无法从根本上解决问题。还是需要在做大做强层面不断努力。4k0esmc

IP方面,以自研为主的本土CPU厂商或许将迎来更好的发展机遇,而依靠Arm、x86授权的厂商面临的风险将更大,特别是在国际贸易不断受限的当下和可预见未来,还需要不断加快对指令集核心技术的消化吸收进度,不断提升自研分量。4k0esmc

芯片制造任重道远

在整个半导体产业链上,芯片制造是最为重要的一环,所有半导体设备、材料,以及相当规模的EDA、IP,都是在为芯片制造服务,芯片设计水平再好,也必须通过制造环节得到实物产品,才能真正应用于生产。4k0esmc

相对而言,中国大陆地区的芯片设计水平,与国际先进设计水平的差距已经不是很大了,但在芯片制造,以及与之紧密相关的半导体设备、材料领域,与国际先进水平的差距较大,这也正是2014年国家半导体“大基金”推出后,分批次重点支持本土半导体制造,以及设备、材料项目建设的主要原因。4k0esmc

目前,中国大陆已经形成一定规模和行业影响力的晶圆厂,主要包括中芯国际,华虹半导体,华润微。然而,在先进制程方面,能够达到一定量产规模的还是14nm。14nm制程工艺在市场主流CPU,特别是手机和数据中心处理器方面,已经不够用了。要想生产7nm、5nm以及更先进制程的芯片,必须将订单交给大陆以外的晶圆代工厂。但在国际贸易不断受限的当下,这样的代工生产局面是有风险的。不仅仅是晶圆厂,大陆芯片制造厂必需的半导体设备和材料也受到进口限制,这就加剧了风险。4k0esmc

从最近一年本土CPU厂商公布的新产品来看,无论是自主研发指令集,还是购买Arm、x86授权的,都开始向10nm之后的先进工艺进发。4k0esmc

例如,申威刚发布SW26010处理器时,采用了台积电的28nm制程,其最新处理器虽然还未正式公布,但据笔者获悉,将会采用14nm工艺制造,目前,中国大陆本土厂商中,只有中芯国际具备14nm制程的量产能力,但是以生产手机芯片为主,若要生产更为复杂的CPU,难度会加大,量产能力还有待观察。4k0esmc

另外,兆芯的KH-3000和KX-6000系列是2019年发布的,采用16nm工艺制造。根据该公司公布的CPU发展路线图,KX-6000之后是KX-7000系列,将升级到7nm工艺,采用全新CPU微架构。据兆芯总工王惟林介绍,KX-7000的性能目标是达到同期AMD的水平,今年,AMD将推出采用台积电5nm制程的Zen4处理器,以此推算,兆芯最新处理器制程工艺进入10nm以下级别的可能性很大,无疑还将由台积电或三星代工生产。4k0esmc

中国本土芯片制造厂商在制程工艺上的迭代进度,与国际大厂相比还有很明显的差距,再加上半导体设备与材料的制约,对本土CPU的发展而言,是存在隐患的。4k0esmc

生态建设势在必行

CPU本身是一个复杂系统,生产出来就是一件很有难度的事情,需要IP,以及半导体设备和材料的支持,这是整个CPU生态系统非常重要的部分。然而,仅仅有CPU硬件产品只是开始,要想推广开来,并被广大客户接受,其生态建设,特别是相关软件生态建设非常重要。4k0esmc

1982年,日本NEC生产的PC用的是英特尔芯片,1985年换成了自研芯片,但1986年又换回了英特尔的。之所以如此,关键原因就是美国对日本实施了制裁,使得后者丧失了生态主导权。4k0esmc

当下,全球CPU产业链被两大生态系统把持:一是基于Windows+Intel的x86生态;二是基于Arm+Android的AA生态,Arm不仅在手机端,近些年在PC和服务器领域也开始构建出生态雏形。4k0esmc

近两年的国际贸易形势,使得我国必须加快CPU自主生态系统建设,争取在不远的将来有自主指令系统和国产操作系统,从而形成一套完整的生态体系。4k0esmc

在自主生态体系建设方面,除了已有的自主指令集之外,RISC-V也是一个不错的选择,它就像我国的能源战略,要想保障未来的能源安全,现在就要大力发展新能源产业。在CPU领域,发展RISC-V有类似的效果。4k0esmc

目前,国内外多家厂商都在发力RISC-V,我国对RISC-V的追求热度更是高涨,产学研各界都非常看好其发展,基于RISC-V的初创公司或创业项目层出不穷,其中以中科院最具代表性。4k0esmc

2021年6月,在首届RISC-V中国峰会上,中科院公布了国产开源高性能RISC-V处理器“香山”。对此,中科院大学教授包云岗表示,要建立一个像Linux那样的开源RISC-V核主线,既能被工业界广泛应用,又能支持学术界试验创新想法。据悉,为了更好地支持Chisel开发与调试,该团队开发了十余款工具,支撑起一套处理器芯片敏捷开发流程。除了科研院所,也有企业参与香山处理器开发,目前,字节跳动等公司已经加入其二期联合开发合作伙伴队伍。4k0esmc

舆论压力如履薄冰

近些年,由于受到制裁、国际贸易限制的影响,作为中国本土半导体厂商中的重要组成部分,各家CPU企业在宣传和舆论公关方面如履薄冰,都非常小心谨慎,生怕带来不利影响。4k0esmc

笔者记得,在两年前,曾经报道过一家中国本土CPU厂商,该企业通过其官方微信公众号发布了一则产品信息,当然是非常积极正面的,笔者根据这则报道撰写了一篇文章。然而,该文发出不久,就接到了该公司市场部门的邮件,希望能将该文撤下。该事件还很曲折,给笔者留下了很深的印象。4k0esmc

其实,类似事情在2018年前也时有发生,2019年以后,制裁阴影笼罩中国半导体业,对于更加敏感的CPU板块,这样的事情更是经常发生。这充分体现出本土半导体业基础的薄弱,禁不起国际贸易的风吹雨打,同时也体现出厂商对产业发展缺乏“远见”,当大风雨到来之时,会有手忙脚乱的感觉。4k0esmc

今后的国际贸易局面大概率会按照现在的状态持续下去,中国本土CPU厂商也必须加强适应性。或许,等到它们对舆论不再像今天这么敏感之时,就是国产CPU真正腾飞之日。4k0esmc

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