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国产CPU研究单位及现状
日期:2014年7月16日 14:58

 

1、国产CPU主要研制单位

(1)高性能通用CPU(“大CPU”,主要应用于高性能计算及服务器等)

主要研发单位:中国科学院计算所、北大众志、国防大学、上海高性能集成电路设计中心

(2)安全适用计算机用CPU(“中CPU”,主要应用于桌面及笔记本电脑等)

主要研发单位:中国科学院计算所、北大众志

(3)嵌入式CPU(“小CPU”,主要应用于移动通信终端、消费类电子、数字电视、工业控制和汽车电子等领域)

主要研发单位:浙江大学、清华大学、苏州国芯、杭州中天、北京君正

2、国产CPU技术源头与发展模式

(1)完全自主(全新自主指令系统)CPU

优势:完全自主的CPU在指令集上不同外界兼容。从国家发展的角度看,指令集完全自主可控是最安全的。

劣势:缺乏OS支持、开发工具链(编译器、调试器等)匮乏、应用程序的开发和移植难度和工作量大。

①北大众志—Unicore

UniCore是由北大众志自主开发的一套全新指令集,与其他主流指令集不兼容,它已作为一种独立的体系结构,在GNU社区系统软件开发规范中注册,编号为“110”。UniCore指令系统在指令密度、通用寄存器设置等方面都有特别的设计,还包含了DSP扩展指令,以满足更广泛的应用需求。北大众志在拥有全新自主指令系统Unicore的同时还获得了X86指令架构授权,目前正在开发兼容X86架构的系统芯片。之所以选择这种“两手抓”的发展模式是因为推动一个全新的指令集架构是一个耗资百亿元,费时数年而结果难测的冒险,短期内与国际主流CPU正面对抗难度较大,但因为完全自主可控,是抢占未来先机的希望所在,因此必须紧抓。而获得X86授权,就可开发X86兼容CPU,可以利用已有的丰富软件资源,不必自己建立生态系统,有利于国产CPU产业化进程。

②苏州国芯、杭州中天、浙江大学--C*Core

C*Core是以Motorola赠送给中国政府的M*CORE为技术起点,由浙江大学、苏州国芯、杭州中天三家共同设计及产业化的具有完全自主知识产权的国产嵌入式CPU。在20109月,出于争夺汽车电子、网络通信、物联网等热点市场的考虑,苏州国芯取得了IBM转移的PowerPC指令架构授权,并与国内芯片企业深入交流,针对战略新兴市场,开发完全兼容PowerPC架构的CPU IPC*Core研发团队在努力追赶国际领先嵌入式CPU技术的同时,也选择了兼容合作的发展道路,力图在自己并不擅长的热点应用领域有所突破。另外,两种完全不同的体系架构或许可以取长补短、相互融合,走出一条全新的国产CPU发展模式。

③上海高性能集成电路设计中心--申威

上海高性能集成电路设计中心坚持独立自主研发国产处理器,形成了符合高端处理器研发规律的技术体系,独立完成处理器研发的所有环节:包括结构设计、前端逻辑设计、正确性验证、后端物理设计、工艺分析等。其处理器的定位在高性能,低功耗,在满足性能要求的前提下追求低功耗。主要应用于高性能计算CPU、高效能服务器CPU和高性能低功耗嵌入式CPU

(2)“兼容国际主流、自主指令系统”CPU(简称“兼容CPU)

优点:拥有架构授权可以自己按需定义规格,并按自己日程进行开发、交付和使用,一次架构授权费涵盖全部的应用定义。生态环境比较健全。

缺点:对处理器设计水平要求较高,长期技术演进路线受架构的制约。

①中国科学院计算所--龙芯系列

MIPS兼容,20096月获得MIPS32MIPS64架构的授权。龙芯1CPU及其IP面向嵌入式应用,龙芯2CPU及其IP面向高端嵌入式和桌面应用,龙芯3号多核CPU面向服务器和高性能机应用。

②国防大学—FT

SPARC兼容,SPARC架构是开放的,任何机构或个人均可研究或开发基于SPARC架构的产品。主要面向国家战略和重大军事应用中的高性能计算应用需求。

③北京君正—Xburst

MIPS兼容,20111月获得MIPS32架构授权。主要面向消费电子、教育电子、移动互联网终端等移动便携设备和其他嵌入式应用。

3、国产CPU主要产品及应用现状

(1)北大众志Unicore

北大众志通过多年的技术积累和研发攻关,制定了自主知识产权的UniCore指令系统,并基于该指令系统研制和推广了北大众志UniCore系列CPUPKUnity系列SoC芯片。北大众志UniCore指令系统包括64位的UniCore6432位的UniCore3216位的UniCore16,还包括浮点指令系统UniCoreF64和扩展指令系统UniCore2D/3D

北大众志UniCore系列CPU目前已实现十几万片销售,主要应用于农村教育信息化领域。预计2011年出货量将达几十万片。

(2)中科院计算所龙芯

中科院计算所从2001年开始从事龙芯系列通用处理器的研制,先后完成32位的龙芯1号、64位的龙芯2C2E/2F2G、四核龙芯3A和八核龙芯3B等多款高性能通用CPU。另外,还在高清编解码、高速IO设计等关键IP上掌握了自主设计的技术。龙芯在架构设计和工艺上也处于国内领先地位。在软件方面,龙芯在国际开源社区设立了分支,获得了风河公司Vxworks操作系统的直接支持,并与国内Linux企业结盟,共同开发支持龙芯的操作系统和应用软件,在JAVAFlashAndroid等方面也有较好的解决方案。

20077月研制成功的龙芯2F芯片在性能、功耗、成本等方面已经具有初步的国际竞争力,实现数十万片销售。龙芯3A主要面向低成本国产服务器、高端嵌入式应用和军用信息处理等市场。目前,基于龙芯3A已经研制出中科大KD-60万亿次高性能机、曙光刀片服务器等产品。龙芯处理器已经用在了笔记本电脑、台式电脑、服务器、家庭网关上,但由于受相关应用及生产能力等诸多原因限制,龙芯还未实现大规模商用。从2010年经营的情况看,龙芯在安全应用、消费类电子、工业控制方面将是近两年的重点,在电脑类应用中,云服务器和云终端也有较大的市场机会。未来,龙芯将采用“技术平台化,市场行业化”的方针加快龙芯系列CPU的产业化步伐。

(3) 浙江大学、苏州国芯、杭州中天微C*core

2002年起,浙江大学、苏州国芯和杭州中天三家单位共同组成了产学研联合体,以Motorola赠送给中国政府的MCORE为技术起点,实施了C-CORE CPU的研发与产业化工程。到2005年完成了C300CK500两个系列的CPU产品设计与研发,技术水平分别与ARM7ARM9相当。

经过多年的产业化推广,基于C300CK510的产品累计销售超过5000万颗,2009年在国内市场中约占5%-10%的市场份额,主要应用覆盖数字电视和多媒体音视频等消费类电子产品、信息安全和安防类产品、仪器仪表和办公设备等工业控制类产品,以及移动存储、医疗电子等多个嵌入式应用领域。

(4) 北京君正XBurst

北京君正的核心技术是具有自主知识产权的32位嵌入式CPU技术XBurst,主要产品为32位嵌入式CPU芯片及其解决方案。基于自主创新的XBurst CPU内核,北京君正推出了一系列具有高性能、低功耗的32位嵌入式CPU芯片及其对应的Android/Linux/WinCE软件平台。

北京君正芯片主要应用于便携消费电子、教育电子、移动互联网终端等移动便携设备和其他嵌入式设备。该公司根据嵌入式CPU芯片及目标市场的特点,制订了“开放平台、纵横扩展”的市场推广策略。允许用户独立地进行二次开发,使得公司处理器芯片的通用性得到充分发挥。随着公司Android平台的推出,公司芯片的应用领域将更为广泛。自2007年以来,公司嵌入式CPU芯片年出货量分别突破88万颗、550万颗和1,000万颗,截止到2010年,公司嵌入式CPU芯片总出货量已超过2500万颗,实现了国产CPU芯片的产业化。

4、国产CPU发展面临的问题

首先,CPU整体性能上还有待提高。在设计能力上不可否认国内的CPU企业和研发机构与国际领先水平还有不小的差距。目前国产CPU在芯片设计方面的主要困难在于后端生产、封装、测试等环节仍受制于外协(流片代工厂、封装、测试厂商等),导致生产进度与效率较低。国产CPU在主频方面与主流处理器仍有较大差距。目前国产CPU的典型工作频率是1GHz,而IntelAMD主流处理器主频超过3GHzIBM Power7处理器的频率超过4GHz。主频的差距导致国产CPU单核性能与国际主流处理器的单核性能有较大差距。主频差距主要来自采用半导体工艺生产线、工艺与CPU设计的结合等。国产CPU多在TSMCSIMC生产,采用代工工艺。而国际主流CPU,如IntelIBM等都采用自己的标准CPU工艺,便于物理优化。

其次,生态系统建设难以取得突破。众所周知,CPU的竞争绝不仅是CPU本身的竞争,而更多的体现在生态系统的竞争。国际主流处理器(IntelAMDARM)经过几十年的发展,已经建立了成熟的产业环境。例如,以Wintel联盟举例,Intel提供处理器芯片,微软提供操作系统,HPDELL等提供基于Intel CPU的产品,很多应用厂商基于“Wintel”平台开发应用。而相比之下,国产CPU起步较晚,研制历史只有10年左右,性能尚显不足,软件及整机企业对国产CPU还存在诸多质疑,真正走向市场的时间还不长,生态系统建设困难重重。

最后,产业化进程举步维艰。产业化问题是困扰国产CPU的最大难题。产业化方面的困难主要在于产业环境仍不够强壮,由于国际主流CPU厂商已经造成了市场上的事实垄断,并设置了较高的技术与市场壁垒,国产CPU与产业链合作伙伴绑定不够紧密,导致某种程度上与国产CPU相关的产品研发与市场推广工作仍主要由CPU企事业单位自身为主。国产CPU产业化是一个漫长而艰苦的过程,每一步都要走稳,走扎实,而不应急于求成。要从一些垄断程度较低的特殊领域入手,和用户共同提高产品性能和服务质量,树立国产CPU在国人心目中的良好形象,逐渐扩展到其他领域,实现大规模产业化。

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