国产CPU发展的现状与展望

集成电路应用第36卷第4期（总第307期）2019年4月5ResearchandDesign研究与设计SetComputer）和精简指令集RISC（ReducedInstructionSetComputer）[1]。CPU架构见表1所示。在CISC处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。RISC是在CISC指令系统基础上发展起来1引言中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）是电子计算机的主要设备之一，电脑中的核心配件，其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。自1971年世界上第一块微处理器4004在Intel公司的诞生，CPU的发展走过了近50年的历程，目前占主流市场的仍然是Intel和AMD两大公司。虽然国产CPU近几年呈现百花齐放的局面，但其性能与国外相比还有一定的差距，应用领域还十分狭小，这就造成我国在高性能处理器方面仍然依赖于进口，这不仅存在着木马、漏洞和后门等严重安全隐患，还可能成为被监视和控制的对象。自“震网”和“棱镜门”事件后，“中兴事件”再次为我们敲响警钟，国产处理器的发展必须走自主可控的道路。指令集是存储在CPU内部，对CPU运算进行指导和优化的硬程序。一般将其分为两大体系结构，复杂指令集CISC（ComplexInstruction基金项目：航天测试发射关键设备自主可控技术及应用课题（1600070688）。作者简介：马威，航天工程大学，工程师，硕士，研究方向：航天测试。姚静波，航天工程大学，副教授，研究方向：检测技术与自动化装置。收稿日期：2019-03-07，修回日期：2019-03-22。摘要：分析表明发展核心技术是强国之道，核心技术受制于人是国家安全的最大隐患。CPU是电子设备的核心，掌控着信息领域的安全命脉，发展国产CPU必须走自主可控之路。研究CPU指令集分类和基本体系架构。阐述我国主流国产CPU产品、技术、应用领域，国产CPU发展面临的主要困境，并对国产CPU的发展提出评论。关键词：集成电路；自主可控；产业链；人才政策；产业联盟。中图分类号：TN40；TP332文章编号：1674-2583(2019)04-0005-04DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.04.002中文引用格式：马威，姚静波，常永胜，解维奇.国产CPU发展的现状与展望[J].集成电路应用,2019,36(04):5-8.国产CPU发展的现状与展望马威1,2，姚静波1，常永胜2，解维奇1（1.航天工程大学，北京101416；　2.解放军95806部队，北京100076）Abstract—Theanalysisshowsthatthedevelopmentofcoretechnologyisthewaytobuildastrongcountry,andthebiggesthiddendangerofnationalsecurityisthatcoretechnologyisrestrictedbyhumanbeings.CPUisthecoreofelectronicequipment,whichcontrolsthelifelineofinformationsecurity.TodevelopdomesticCPU,wemusttaketheroadofself-control.CPUinstructionsetclassificationandbasicarchitecturearestudied.ThispaperexpoundsthemaindomesticCPUproducts,technologyandapplicationfields,themaindifficultiesfacedbythedevelopmentofdomesticCPU,andcommentsonthedevelopmentofdomesticCPU.IndexTerms—integratedcircuit,autonomousandcontrollable,industrialchain,talentpolicy,industrialalliance.CurrentSituationandProspectofCPUDevelopmentinChinaMAWei1,2,YAOJingbo1,CHANGYongsheng2,XIEWeiqi1(1.UniversityofSpaceEngineering,Beijing101416,China.2.PLA95806,Beijing100076,China.)表1CPU架构6集成电路应用第36卷第4期（总第307期）2019年4月ResearchandDesign研究与设计的，其具有指令格式统一，寻址方式少，处理速度高等优点，目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU。其中CISC的代表架构是x86，而RISC主要有ARM、MIPS、SPARC、PowerPC和Alpha等架构。2国产处理器的现状中国自2001年开始启动处理器设计项目，至今也有近20年了，产生了以中科龙芯、天津飞腾、上海申威、上海兆芯等为代表的国产CPU，并且产品的性能逐年提高，应用领域不断扩展，使中国长期以来无“芯”可用的局面得到了极大扭转，为构建安全、自主、可控的国产化计算平台奠定了基础，国产CPU技术正大步迈向新的阶段，国产主要处理器架构及相应的技术见表2。2.1中科龙芯“龙芯”系列芯片是由中国科学院中科技术有限公司设计研制的，采用MIPS体系结构，具有自主知识产权，产品现包括龙芯1号小CPU、龙芯2号中CPU和龙芯3号大CPU三个系列，此外还包括龙芯7A1000桥片[2]。龙芯1号系列32/64位处理器专为嵌入式领域设计，主要应用于云终端、工业控制、数据采集、手持终端、网络安全、消费电子等领域，具有低功耗、高集成度及高性价比等特点。其中龙芯1A32位处理器和龙芯1C64位处理器稳定工作在266～300MHz，龙芯1B处理器是一款轻量级32位芯片。龙芯1D处理器是超声波热表、水表和气表的专用芯片。2015年，新一代北斗导航卫星搭载着我国自主研制的龙芯1E和1F芯片，这两颗芯片主要用于完成星间链路的数据处理任务[3]。龙芯2号系列是面向桌面和高端嵌入式应用的64位高性能低功耗处理器。龙芯2号产品包括龙芯2E、2F、2H和2K1000等芯片。龙芯2E首次实现对外生产和销售授权。龙芯2F平均性能比龙芯2E高20%以上，可用于个人计算机、行业终端、工业控制、数据采集、网络安全等领域。龙芯2H于2012年推出正式产品，适用计算机、云终端、网络设备、消费类电子等领域需求，同时可作为HT或者PCI-e接口的全功能套片使用。2018年，龙芯推出龙芯2K1000处理器，它主要是面向网络安全领域及移动智能领域的双核处理芯片，主频可达1GHz，可满足工业物联网快速发展、自主可控工业安全体系的需求。龙芯3号系列是面向高性能计算机、服务器和高端桌面应用的多核处理器，具有高带宽，高性能，低功耗的特征。龙芯3A3000/3B3000处理器采用自主微结构设计，主频可达到1.5GHz以上；计划2019年面向市场的龙芯3A4000为龙芯第三代产品的首款四核芯片，该芯片基于28nm工艺，采用新研发的GS464V64位高性能处理器核架构，并实现256位向量指令，同时优化片内互连和访存通路，集成64位DDR3/4内存控制器，集成片内安全机制，主频和性能将再次得到大幅提升。龙芯7A1000桥片是龙芯的第一款专用桥片组产品，目标是替代AMDRS780+SB710桥片组，为龙芯处理器提供南北桥功能。它于2018年2月份发布，目前搭配龙芯3A3000以及紫光4GDDR3内存应用在一款高性能网络平台上。该方案整体性能相较于3A3000+780e平台有较大提升，具有高国产率、高性能、高可靠性等特点[4]。2.2天津飞腾天津飞腾公司是中国国防科技大学高性能处理器研究团队建立的企业，其生产的处理器采用SPARC/ARM架构，可应用于政府办公、互联网、电信、金融、税务等行业信息化系统，以及数据中心、高端服务器上。产品主要有FT-387SX、流处理器YHFT64-2、FT-1000系列、FT-1500系列和FT-2000系列，其中FT-1000和FT-1500系列CPU已经成功应用于我国千万亿次服务器“天河一号”和“天河二号”。“天河二号”目前已经广泛应用于天文宇宙科学研究、大气海洋环境研究、工业设计制造、新能源新材料开发利用、生物医药与健康医疗等领域。在工业制造方面，应用“天河二号”，中国商用飞机有限公司全机气动参数优化设计6天完成过去2年的工作量。生物医药健康产业方面，在“天河二号”的帮助下，企业进行人类基因组测序，2000人基因组30X深度测序，8小时就可以完成原来8个月的工作量。“天河三号”将采用全自主创新设计，自主飞腾CPU，自主天河高速互联通信，自主麒麟操作系统，并有望在2020年成功开发。其计算能力将比“天河一号”高出200倍，存储容量将增加100倍[5]。2.3上海申威申威处理器简称“SW处理器”，出自于DEC表2国产主要处理器架构及相应的技术集成电路应用第36卷第4期（总第307期）2019年4月7ResearchandDesign研究与设计的Alpha21164，采用Alpha架构，具有完全自主知识产权，其产品有单核SW-1、双核SW-2、四核SW-410、十六核SW-1600/SW-1610等[6]。神威蓝光超级计算机使用了8704片SW-1600，搭载神威睿思操作系统，实现了软件和硬件全部国产化。而基于SW-26010构建的“神威•太湖之光”超级计算机自2016年6月发布以来，已连续四次占据世界超级计算机TOP500榜单第一，“神威•太湖之光”上的两项千万核心整机应用包揽了2016、2017年度世界高性能计算应用领域最高奖“戈登•贝尔”奖。2.4上海兆芯上海兆芯集成电路有限公司是成立于2013年的国资控股公司，其生产的处理器采用x86架构，产品主要有开先ZX-A、ZX-C/ZX-C+、ZX-D、开先KX-5000和KX-6000；开胜ZX-C+、ZX-D、KH-20000等。其中开先KX-5000系列处理器采用28nm工艺，提供4核或8核两种版本，整体性能较上一代产品提升高达140%，达到国际主流通用处理器性能水准，能够全面满足党政桌面办公应用，以及包括4K超高清视频观影等多种娱乐应用需求。开胜KH-20000系列处理器是兆芯面向服务器等设备推出的CPU产品。开先KX-6000系列处理器主频高达3.0GHz，兼容全系列Windows操作系统及中科方德、中标麒麟、普华等国产自主可控操作系统，性能与Intel第七代的酷睿i5相当[7]。3国产CPU发展面临的困境3.1生态环境（1）产业环境。目前国产CPU的研制主要徘徊在中低端产品，整体性能与国际领先水平还有一定的差距，高端芯片还严重依赖于进口。从图1我们可以看出，我国的集成电路IC（IntegratedCircuit）自给率还是非常低，2018年仅为13%左右，其中大部分还主要是中低端产品，至于高端的CPU芯片，自给率几乎为零。所以，在相当长一段时间内，如果国产CPU无法实现弯道超车，科技安全乃至国家安全的咽喉，仍然会被别人紧紧扼住。（2）软件环境。CPU的发展离不开操作系统和应用软件，性能优越的CPU也不能靠自身独立运行。以英特尔和微软长期组成的“芯片硬件+软件”的“Wintel”（Microsoft系统+Intel芯片）联盟中，中国企业即便是能够达到Intel的硬件水平，但还是无法突破微软的软件垄断。因为软件的开发不是单靠一家公司或企业能够完成，并且应用软件还需要更多的用户来使用。因此，在大力发展硬件的同时，构建出自己的软件生态环境也是十分必要的。3.2系统架构目前国内CPU的架构全是出自国外授权，不论是构建自