CPU發(fā)展概述及國產(chǎn)化之路

李韶光 劉雷 郎金鵬 王建國

摘 ? 要：基于當(dāng)前芯片技術(shù)封鎖及中國電子產(chǎn)品研發(fā)制造業(yè)如火如荼的大環(huán)境，文章對目前主流的CPU架構(gòu)進行了整體概述，描述了X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)下系列化產(chǎn)品的發(fā)展進程，并著重分析了國產(chǎn)化CPU的現(xiàn)狀及RISC-V架構(gòu)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：芯片;CPU;ARM;國產(chǎn)化;RISC-V

中圖分類號： TP29 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： Based on the current large environment that the chip technology is blockaded and the Chinese electronic product research and development manufacturing industry is booming， an overall overview is conducted on current mainstream CPU architectures in this paper， the development process of serial products under the X86 architecture and ARM architecture is emphatically described， and the current situation of localization CPUs and the development prospect of the RISC-V architecture are analyzed.

Key words： chip; CPU; ARM; localization; RISC-V

1 引言

2019年5月16日，總部位于英國的芯片設(shè)計公司ARM向外界宣布暫停與華為的一切業(yè)務(wù)往來。自此，拉開了以美國為首的各高科技公司暫停與華為公司業(yè)務(wù)往來的序幕。以此為標(biāo)志，國內(nèi)掀起了一波關(guān)于芯片自主可控的討論熱潮。

在禁售風(fēng)波后，中國華為海思、紫光集團、阿里巴巴等國產(chǎn)公司紛紛積極快速地加入到芯片設(shè)計的行列中。基于當(dāng)前芯片設(shè)計技術(shù)封鎖以及中國電子產(chǎn)品研發(fā)制造業(yè)如火如荼的大環(huán)境，國產(chǎn)芯片自主可控設(shè)計（芯片有很多種類，這里只討論CPU）呼之欲出。

2 CPU架構(gòu)概述

2.1 主流CPU架構(gòu)概述

首先介紹指令集，指令集是CPU的一種設(shè)計模式，通過該模式可使得操作系統(tǒng)和軟件在CPU上高效運行。目前CPU指令集分為精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set Computing）和復(fù)雜指令集CISC（Complex Instruction Set Computing）兩種。其次，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，全世界范圍內(nèi)至今已誕生或消亡了幾十種不同的指令集架構(gòu)，目前流行于世的CPU架構(gòu)主要包括ARM、X86、MIPS、Power、ARC這幾種。其中，ARM、MIPS、Power、ARC均是基于RISC架構(gòu)，X86則是基于CISC的架構(gòu)。處理器應(yīng)用領(lǐng)域主要分為服務(wù)器領(lǐng)域、PC計算機領(lǐng)域和嵌入式領(lǐng)域，X86架構(gòu)的處理器占據(jù)了服務(wù)器和PC領(lǐng)域的壟斷地位， ARM架構(gòu)處理器占據(jù)了嵌入式領(lǐng)域的絕大部分市場，而MIPS架構(gòu)、POWER架構(gòu)、ARC架構(gòu)已不是市場主流的CPU架構(gòu)，發(fā)展前景并不被看好，但也在相關(guān)特殊領(lǐng)域占有一定的市場份額。

2.2 X86和ARM架構(gòu)發(fā)展進程

X86處理器架構(gòu)由Intel提出，并于1978年發(fā)布了首款16位微處理器8086，開創(chuàng)了X86的時代。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，1993年Intel推出了第五代X86處理器-奔騰系列，也是第一款與數(shù)字無關(guān)的處理器。再后來，2006年酷睿處理器問世，相繼推出了I3、I5、I7和I9系列處理器，逐步成為了民用消費市場PC服務(wù)器領(lǐng)域的主要處理器。

ARM發(fā)展至今，處理器已經(jīng)過了七、八次架構(gòu)升級，使得相關(guān)產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定成熟。其中，ARM架構(gòu)中當(dāng)前應(yīng)用最為流行的當(dāng)屬Cortex系列化產(chǎn)品。Cortex系列在以V6版架構(gòu)的ARM11處理器之后被首次推出，并逐步站穩(wěn)了嵌入式應(yīng)用的絕大部分市場。Cortex系列又細分為三大類：“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用，可向超低成本手機、智能手機、移動計算平臺、數(shù)字電視、機頂盒、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、打印機和服務(wù)器提供解決方案;“R”系列針對實時系統(tǒng)，主要應(yīng)用于硬盤控制器、消費電子設(shè)備（藍光播放器和媒體播放器）、車載控制產(chǎn)品（安全氣囊、制動系統(tǒng)和發(fā)動機管理）等領(lǐng)域;“M”系列針對低端、工業(yè)或消費電子領(lǐng)域的微控制器，主要產(chǎn)品是面向智能測量、人機接口設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、大型家用電器、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的MCU。

3 國產(chǎn)CPU發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國產(chǎn)CPU現(xiàn)狀

芯片作為一種大規(guī)模集成電路，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類的日常生活當(dāng)中，其種類很多，主要分為移動通信芯片、人工智能芯片、電腦芯片等。芯片的產(chǎn)業(yè)鏈較長，從設(shè)計出廠再到封裝成電子產(chǎn)品，主要包括芯片設(shè)計、生產(chǎn)、封裝這三個部分。芯片設(shè)計又主要包括軟件設(shè)計、指令集體系建立、芯片設(shè)計者三個部分，而生產(chǎn)主要包括設(shè)備制造和圓晶代工兩部分。

總體來說，我國CPU事業(yè)發(fā)展緩慢，無論是在軍事領(lǐng)域還是在民用商業(yè)領(lǐng)域，都與國外存在著較大的差距。在芯片封裝領(lǐng)域，由于技術(shù)含量不高、門檻較低，有很多公司在做;在芯片生產(chǎn)領(lǐng)域，設(shè)備制造方向荷蘭ASML公司處于壟斷地位，圓晶代工方向上海中芯國際等國產(chǎn)企業(yè)正逐步擴大本土市場的占有份額;在芯片設(shè)計領(lǐng)域，國外獨大，國內(nèi)步履維艱，基本是在國外芯片設(shè)計公司IP或架構(gòu)的授權(quán)下推出自己的CPU，但也有很多公司中途放棄。