國產CPU「三駕馬車」

IPRbang導讀：上一篇【芯辨5】中，咱們聊了晶元製造的「四大天王」（四大關鍵製造設備），至此，小編已經帶您解讀了晶元從EDA設計到生產製造的產業鏈。今天咱們及聊聊這個產業鏈的終端，也就是晶元這個產品，來了解一下國產CPU「三駕馬車」。

龍芯、申威、飛騰三家公司，被業界稱為國產CPU的「三駕馬車」。目前三家公司的產品已經被列入了政府採購名錄。

您是否和小編一樣，在個人消費終端對上述三家公司的產品都不熟悉？那好，今天小編就帶你熟悉一下這「三駕馬車」！探討一下它們究竟什麼時候能實現進口替代？

龍 芯

龍芯是中國科學院計算所自主研發的通用CPU，最早在2001年開始研製。2010年正式成立龍芯中科技術有限公司，目前已經推出多個系列的龍芯CPU。最新的龍芯處理器採用自主高性能處理器核架構GS464E，以及自主指令集LoongISA，具有自主知識產權。

處理器架構的重要性相當於設計圖紙，有了他才能進行工程實現。最新的龍芯3A3000/3B3000便使用了GS464E架構。該架構已經接近Intel在2012年推出的Ivy Bridge，甚至在有些方面還超過了Ivy Bridge的指標。

儘管距離Intel還有一定的差距，但是龍芯的研發團隊在處理器架構方面也有很多獨到的方面，並申請了專利技術。例如ZL201210260736.3中公開了一種指令執行流信息處理系統，該系統能夠有效的提高硅後調試及編譯優化的速度和準確性。

上面的專利對CPU內部指令集的運算速度會有明顯提升。所謂「指令集」是指：存儲於CPU內，對CPU運算進行指導和優化的硬程序。例如著名的X86指令集和ARM指令集。這些指令集也有知識產權，如果別人設計的晶元要使用這些指令集，就需要購買使用許可，而這種許可費不僅高昂，而且每次許可期限僅為4-5年，還受到使用範圍的限制。

龍芯使用自主指令系統LoongISA，屬於一種精簡指令集，但這種指令集目前由於兼容性的問題，不支持windows操作系統和微軟旗下的許多軟體。

當然，小編相信，兼容性的問題龍芯團隊正在積極解決。其專利ZL200710308571.1 提供了一種RISC處理器及其寄存器標誌位處理方法，實現與X86指令集的兼容，提高虛擬機性能。

龍芯系列已經開發出幾代產品，多個系列，形成了性能從中低檔到高性能，應用從嵌入式到桌面及高性能伺服器的全方位CPU產品系列，如下圖所示：

我國第17顆北斗衛星首次使用了「龍芯」CPU，搭載的便是龍芯1E和龍芯1F抗輻照處理器。宇宙空間中的各種輻射是衛星上處理器所面臨的最大環境威脅，長期處於輻射環境下會導致晶元內部損壞，最終導致晶元燒毀。抗輻照能力是龍芯的一大亮點，例如授權專利ZL201110060332.5公開了時鐘倍頻器和時鐘倍頻方法，如下圖所示，使電路在輻射照射的條件下發生錯誤的概率較小，能夠正常工作。

龍芯3號系列是大規模高性能CPU，其中龍芯3A3000處理器是目前最新的CPU，該處理器採用28nm工藝製程，與Intel Core i5和i7系列的22nm已經較為接近。

通過對四款壓縮軟體的測試，可以看出龍芯3A3000和Intel Core i5的性能相近（數據為優化後數據，數據來源：IT之家，作者：zevanzhao）。其綜合性能相當於Intel i5-7200U的60%，單核性能相當於其1/3-1/2。

申 威

申威CPU是由無錫江南計算技術研究所負責研究開發的，是具有完全自主知識產權的處理器系列。

我國超級計算機「神威·太湖之光」便搭載40960塊申威26010高性能處理器。在全球超級計算機500強榜單發布，中國超級計算機「神威·太湖之光」連續第四次奪得冠軍。

申威26010每片處理器包含4個核心，每個核心擁有獨立的128位DDR3控制器連接到8GB DDR3-2133內存，這樣4個核心一共擁有32GB的DDR3內存。好比用膠水把4個獨立的處理器粘在了一起，但是每個核心還是可以獨立工作，而且擁有獨立的128bit 8GB內存。這樣單個核心的內存帶寬達到了34GB/s，整個處理器達到了136GB/s。

申威在多核處理器和眾核處理器領域已經擁有多項專利技術，例如多核處理器及多核處理器組（ZL201010508842.X）；Cache一致性協議驗證方法以及多核處理器系統（ZL201210325660.8）以及眾核處理器虛實地址轉換方法等。

飛 騰

飛騰CPU由天津飛騰信息技術有限公司設計研製，兼容ARM指令集，現在已經擁有FT-1500A/4，FT-1500A，16，FT-2000/64等多種型號CPU。

其中，飛騰FT-2000/64屬於面向高性能計算（HPC）和高端伺服器應用的產品。採用28納米工藝流片，稍落後於Intel至強E5系列伺服器CPU的22納米製程。

通過業界常用的SPEC2006測試，可以看到FT-2000的整型和浮點測試結果已經高於Intel的至強E5系列中的部分型號。FT-2000雖然已經有了較高的性能，但整機構建成本較需要進一步降低。

專利申請狀況

俗話說「產品未動，專利先行」，想要進軍國內外市場，就必須有專利的保駕護航。作為具有自主知識產權的國產晶元，龍芯研發團隊非常重視專利申請，目前已經在全球申請373項專利，各年專利申請情況如下圖：

無錫江南計算技術研究所在國內專利申請量達到326件，近幾年申請量激增，各年專利申請情況如下圖：

天津飛騰在專利申請方面還比較薄弱，目前只有一篇涉及處理器性能方面的申請。

國產CPU需要培養生態鏈

CPU是電腦的核心，但並不是電腦的全部，好的CPU需要大量軟、硬體的配合才能將其強大的性能展現給用戶。圍繞英特爾等國外大型廠商的CPU已經形成較為完整的生態鏈。國產晶元作為後來者，即使有著不俗的性能，也很難融入已有的生態鏈。由於部分國產CPU使用自主知識產權的架構和指令集，不支持windows操作系統，應用領域受到很大限制。

自主知識產權的架構和指令集需要相配套應用軟體的支持，晶元的製造和銷售需要製造廠商和上下游企業的支持，晶元廠商除了要不斷提升CPU性能外，更要著眼生態鏈的培養。

結 語

在遭遇多次制裁之後，社會各界迫切地希望國產CPU能夠勇挑重擔，國產CPU寄託著國人的期望。核心技術產品需要在試錯中不斷完善，試錯需要時間和耐心，同時也需要我們給予其發展的市場我們對國產CPU的未來充滿希望。

| 來源：IP創新贏

| 作者： 審協北京中心電學部 張躍

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