CPU的2019，國產廠商誰與爭鋒？
美國商務部工業安全署 (Department of Commerce，Bureau of Industry and Security，BIS) 於 11 月 19 日發布一份可能是歷來最嚴格的技術出口管制先期通知，在 14 個政府考慮進行管制的類別中包括了人工智慧、晶元、量子計算、機器人、臉部和聲紋辨識技術，被認為涉及美國國家安全和高端新興科技的關鍵領域。相關徵詢意見的開始時間在美國當地 11 月 19 日，截止時間則是 12 月 19 日。美國商務部和其他機構審查將根據徵詢到的意見來評估，進而更新出口管制清單。外界雖然無法預期這 14 類高科技出口管制的執行日期，但可以確定的是，它將是中美貿易戰休戰後，重新啟動談判的重要籌碼之一。由於貿易戰的持續擴大，很多高科技公司擔心賴以生存的系統單晶元 (System on a Chip，SoC) 會被限制出口，其中主要是以中央處理器 (CPU) 或是微控制器 (MCU) 為大宗，因為這些晶元大多來自美國。
細看這份 14 類技術出口管制清單內容，半導體產業相關的材料、裝備、操作系統與軟體，並未列入管制範疇。即便如此，出口管制清單的出現，警醒高端新興科技產業的凜冬將至，也宣告半導體產業開啟自力更生之路才是重中之重。最重要的目標之一是計算器 CPU 的國產之路。
手機和個人計算器 (PC) 通用的 CPU 晶元時代來臨
手機用的晶元一般都是使用 ARM 架構的 RISC (Reduced Instruction Set Computing，精簡指令集) CPU，而一般台式或筆電用的是 Intel 和 AMD x86 架構的 CISC (Complex Instruction Set Computing，複雜指令集) CPU。RISC CPU 的特點是指令相對簡單。完成一個運算功能需要多個指令，但有一些功能編程不容易實現，所以必須使用真實電路控制。其好處是省電，發熱小，成本低等。相反的，CISC CPU 的特點是可以用較少的指令就可完成一個運算功能，大部分的功能通過編程後都能實現，但電路架構則較為複雜。這兩種 CPU 各有優缺點，但隨著電路設計與半導體工藝的進化，ARM CPU 原本在浮點運算 (FP) 能力落後的情形，已獲得明顯改善，現在兩者架構的 CPU 運算能力正逐步接近中。
Intel 的優勢在於 PC 市場與伺服器市場，在 PC 市場，Intel 晶元有超過 80% 的市場佔有率，而微軟 Windows 操作系統則主宰了每一台 PC。自上世紀 90 年代以來，Microsoft 和 Intel 在有意無意之間形成了 「Wintel」 的合作模式。雖然 Intel 與 Microsoft 的聯盟並不為雙方所承認，但是 Microsoft 的新系統與 Intel 的新晶元常常是一唱一和，且兩者也常常互有默契的推出新品，這樣的合作模式主導著全球 IT 業技術好長一段時間的更新迭代。與 Microsoft 的聯盟互動，形成了一種技術和商業合作的默契，這是 Intel 成功的最大利器。這個合作關係成功地取代了 IBM 公司在 PC 市場上的主導地位，獨霸 PC 市場長達 20 多年。
Intel 自身也通過微軟 Windows 系統進入各大硬體生產商，找到了大批合作企業，有晶元生產商、軟體生產商、設計輔助工具開發商、硬體製造商和移動設備生產商等。它們圍繞 Wintel 形成了一個龐大的產業聯盟。另外，Intel 又利用 「平台」 的概念，將 CPU、主板、晶元組以及網卡等組件或技術集成一體、完成從單一硬體產品製造商邁向一個 「集成性服務供應商」 的轉化。在實現用戶綜合應用體驗的同時，不斷強化體系圍牆，降低競爭對手在微軟系統生態中的滲透。當年，儘管 IBM 的 PC 全球銷量第一，但是豐厚的利潤卻流向了 Microsoft、Intel，因此，Intel 的核心技術對產業的影響力越來越大，而 AMD 的慘淡經營也就可想而知了!
PC 這塊大餅豐厚的利潤，吸引高通 (Qualcomm) 將手機晶元成功地應用在筆電上。 Qualcomm 早前公布的 Snapdragon (驍龍) 1000 晶元，是針對筆電而設計的，但是它的效能遠低於 x86 處理器。Qualcomm 於今年 (2018) 12 月初，宣布推出八核全新 7nm 處理器驍龍 855 與 8cx，其中 855 用於旗艦型手機，而 8cx 則適用於 Windows 筆電、平板計算機和 All in one 機型。驍龍 8cx 使用新的 Kryo 495CPU 及 Adreno 680 Extreme GPU，並宣稱其綜合性能可以與 Intel 大多數輕薄 Windows 筆電上的 15 瓦 U 系列處理器相媲美，且其晶元的能源消耗僅是 Intel 的一半。
大多數移動 SiP (System in a Package) 產品是 CPU、GPU、NPU (Neural Processing Unit) 等 SoC、基帶與通訊模塊、各種內嵌內存控制器、顯示與音頻模塊等系統，而且涵蓋固件、軟體和服務的解決方案。隨著人工智慧運算場景的擴展，有 NPU 加持的移動 SoC 也成為吸引 OEM 廠商在 Intel/AMD x86 體系之外著重考慮的新選擇。
第一代驍龍筆電的主板是 Intel 主板的一半 (Source: Qualcomm)
在推進 Windows on ARM (WOA) 的生態上，高通是當前態度最積極的廠商。為了消除第一代驍龍 1000 全時互聯計算機 (ACPC) 在應用軟體上的短版，此次高通與微軟更深度合作，不僅讓驍龍 8cx 加入支持 DirectX 12 API，與更多應用服務平台連結，同時因為加入了支持 Windows 10 Enterprise，更大幅提升筆電處理器運算平台的效能表現，藉此增加常時連網筆電的實際可用性。
驍龍 8cx 版圖 (Source: Qualcomm)
事實上，與 Intel、NIVIDA 和 AMD 的遊戲筆電相比，驍龍 8cx 的性能仍力有不逮，但重要的是，高通將手機晶元的設計調整後，成功應用在 WOA 筆電的晶元設計上。這也意味著所有手機晶元設計公司，都將有與 Intel 及 AMD 筆電晶元廠共同競爭同類的產品的敲門磚。Intel 最主要的產品是 PC 和伺服器，在 PC 行業興旺時，從 IP 核設計到製造封測晶元都是自己做的 IDM (Integrated Device Manufacturing)，是沒什麼問題。然而隨著智能手機的崛起，PC 市場規模迅速下滑，Intel 不只錯失移動設備晶元的市場，加上 10nm 工藝的延後，現在 WOA 手機晶元又將進入了 PC 的地盤，這讓 Intel 面臨十面埋伏般前所未有的挑戰。
下列表一為筆電晶元與旗艦手機晶元各大廠的比較。進入 7nm 工藝時代後，WOA 晶元的性能進一步提高，且功耗降低，其條件非常適合輕薄的筆電產品。據業內消息人士稱，蘋果、華為、三星、聯發科、紫光展鋭均有望在高通之後，進入 WOA 筆電新領域。
表一: 筆電 CPU 與旗艦手機 CPU 比較
ARM 重磅推出 5nm 筆電晶元架構，對 Intel 與 AMD 的完美風暴已成形
日前，ARM 對外界公布了一份關於 CPU 的規劃路線圖，顯示他們野心勃勃的要將在手機市場的生態圈，帶往筆電的市場去，且計劃將在 2020 年實現對 Intel 筆電晶元技術的趕超。
ARM CPU 規劃路線 (Source: ARM)
ARM 預計於 2019 年推出基於 7nm 工藝，代號為 Deimos 的處理器架構，並在 2020 年正式發布 5nm 工藝，代號為 Hercules 的處理器架構。Deimos 及 Hercules 都是基於 Cortex-A76 核心架構的精進版，號稱計算性能上，每一代都可以提升超過 15％。Cortex-A76，可搭配 10nm、7nm 工藝、在機器學習性能上能比前一代提升 4 倍。其架構的晶元在單線程性能上面，已經可以與 Intel Core i5-7300U 相媲美，而且功耗僅為 5 瓦，遠低於 intel 的 15 瓦，能大大延長電池續航時間。由於功耗的降低，筆電也會像手機一樣可以持續長時間移動辦公，加上未來在 5G 常時連網的網路環境下，筆電和手機會連結的更緊密。
其實，ARM 對於進入筆電行業的野心一直都在，去年底微軟採用基於 ARM 架構的驍龍 835 處理器推出了多款 Windows 系統筆電，雖然性能上還有欠缺，但是在與手機的連接性以及功耗方面都是讓人滿意的。不僅如此，ARM 在今年年底將推出的 Google (谷歌) 全新 Chromebook (Chrome on ARM，COA)，也將會採用驍龍 845 處理器。而這一切只是一個開始，現在 ARM 發布 CPU 路線圖之後，就是向 Intel、AMD 這樣的公司宣告，WOA 與 COA 在性能方面也會有很大的競爭力。
不過我們仍需注意的是，ARM 本次線路圖的主要目標是筆電的性能提升，智能手機可能暫時達不到同樣的高度。原因很簡單，智能手機更看重能效，通常 2.5W 的 TDP 熱設計功耗就能滿足整體性能需求了，而且手機內部空間有限，晶元、內存、快閃記憶體等部件尺寸得要做得很小。
Apple 的大殺器 A12 Bionic 透露了新時代的開始 ?
A12 Bionic 是 iPhone 迄今最智能、最強大的晶元，也是全球計算機行業第一款 7nm 處理器，集成了 69 億個晶體管，在各種跑分測試中都遙遙領先其他對手的新一代旗艦機種。其實 Apple 近兩年在定製晶元業務上也是動作頻頻。早在一年之前，Apple 即宣布不再使用 Imagination Technology 的 GPU 技術知識產權，而改為自行研發 iOS 設備專用的圖形處理晶元。Apple 近年來更積極朝自製晶元努力，成果包含處理器、繪圖晶元等各項用在行動裝置里的晶元。其自製晶元也陸續成功應用在自家產品上，例如 : iPhone 和 iPad 中的 A 系列晶元、MacBook Pro 的 T1、iMac Pro 中的 T2 晶元、AirPods 中的 W1、Apple Watch 中的 S 系列晶元和 W2 晶元。最近又傳出 Apple 最快從 2020 年開始全面拋棄 Intel 的晶元，改為自行研發 Mac 專用晶元，若此傳言成真，未來 PC CPU 市場將是烽煙四起，群雄混戰的新局面。
國產 CPU 在此競爭環境下，激蕩出什麼樣的火花，我們將在下篇文章中探討。
Apple A12 Bionic 版圖 (Source: Apple)
國產 CPU，誰與爭鋒 ?
在計算器的光譜上有相當多的類型，除了 PC 與手，還有高性能計算器。高性能計算機包括超算 (Supercomputer)、數據中心 (Data Center)、雲計算 (Cloud computing) 及大型計算器 (Mainframe)。今年 (2018) 10 月公布的全國高性能計算機 TOP100 榜單，全部由國產品牌囊括。廠商份額方面，中科曙光、聯想分別以 40 台超算系統入圍並列第一，浪潮集團其後，「國產三強」 佔據整個榜單份額的 92%。此外，今年 TOP100 榜單最大的亮點是 3 個 E 級超算的原型機系統 — 神威 E 級原型機、「天河三號」 E 級原型機、曙光 E 級原型機，均進入性能排行榜前十 (分列第四、第六和第九位)。根據歷史數據擬合推算，E 級超級計算機將可能 「在 2019 年左右出現」。
高性能計算機從應用領域來看，「大數據/機器學習」 仍是當下超算的應用熱點，在 TOP100 的超算系統中，共有 27 台系統用於大數據分析與機器學習，用於科學計算的系統今年強勢回歸，數量由去年佔比僅 11.3% 上升至今年的 14%。
神威 E 級超算原型機，主要由硬體、軟體和應用三大系統組成。其處理器、網路晶元組、存儲和管理系統等核心器件全部是國產化。原型機的系統軟體，由完全自主研發的神威睿思操作系統，及神威睿智編譯器等構建。運算系統全部採用 「神威 26010＋」 眾核處理器，高速互連網路系統全部採用申威網路交換晶元、申威消息處理晶元，這些關鍵部件均具備完全自主知識產權。存儲和管理系統由申威多核處理器構建，實現對該領域產品的國產化替代。
神威 太湖之光 (Source: 神威)
超算天河三號原型機的 CPU 可能將採用飛騰系列 FT-2000 或其後繼產品作為主控 CPU。在 2012 年前後，飛騰選擇了 ARM 陣營，可以基於 ARM 64 指令集設計自己的 CPU，並在數年時間內先後開發出 FTC66、FTC661 兩款 CPU 核，以及 FT-1500A/4、FT-1500A/16、FT-2000、FT-2000plus 等 CPU。雖然在單核性能上和 Intel 還存在一定的差距，但在多核性能上，已經達到 Intel 伺服器 CPU E5 主流產品的水平。
綜和以上所述，高性能計算器領域中，除了 mainframe 外，自主生產且擁有知識產權的 CPU 已可完全掌握。
超算是為了高密度浮點運算而優化的分散式平行運算平台，相對的，mainframe 則更傾向於整數運算，是針對一般交易需求與多任務環境而打造的集中式系統，提供足以支撐大量用戶與巨大交易量時，依舊可穩定輸出的表現，例如倉儲、零售與金融體系上的應用。所以必須具備極高的可靠性、超強的 I/O 效能、極致的加密安全性與虛擬化能力。IBM 是 mainframe 產業中的翹楚，制霸全球的供應鏈。
然而，超算 CPU 的眾核架構並不適合消費級 PC，原因在於單核性能羸弱，且架構與操作軟體 (OS) 不甚匹配。民用 PC 的應用大多數比較需要性能較為強悍的單核運算性能，基本上 2~4 個核就能滿足日常需求，而遊戲用 PC 因為需要大量的 3D 模擬、繪圖與影音顯示，通常需要增加運算核心數及緩存 (Cache) 的容量。
數據顯示，中國的晶元市場需求佔全球 50% 以上，部分晶元占 70% ~ 80%。而 90% 依賴於進口，國產晶元只能自供 8% 左右。自 2013 年以來，中國每年需要進口超過 2 千億美元的晶元，已連續多年超越石油，位居進口品項之霸，2017 年更達到歷史新高的 2,601 億美元。由此可見中國晶元高度依賴進口的危機。
分析指出，國產晶元主要集中在電源、邏輯、存儲、MCU (Microcontroller Unit)、半導體分立器件等中低端產品。高端晶元方面，遠遠落後於國際水平。尤其是在 PC CPU、高速光通信介面、大規模 FPGA、高速高精度 ADC/DAC 等核心領域的高技術含量的關鍵器件，仍完全依賴美國供貨商。
為了提升國產 PC CPU 的市場份額，今年八月，中央政府採購網 (以下簡稱央采網) 公布了 2018 年政府集中採購筆記本電腦、台式機以及伺服器等入圍產品名，其中兆芯、申威、龍芯、飛騰、華為、海光、宏芯等 PC 和伺服器企業均榜上有名。
據市場研究機構 IDC 中國發布的《PC市場月度跟蹤報告》初步數據顯示，2017 年，中國 PC 市場銷售約為 5,360 萬台，年度同比下降 4.1%，2018 年預計銷售額為 5,210 萬台，年度同比下降 2.2%。這其中，需要政府集中採購領域的市場份額約為 5%，即 2018 年約 260 萬台左右。遺憾的是，這 260 萬台的市場份額，還會根據不同密級，選擇純國產 PC 或高性能 Intel/AMD PC。換言之，純國產 PC 圈中，兆芯、申威、龍芯、飛騰等，能分到的市場份額將更小。單靠杯水車薪的政府採購金額，是不足以扶植起國產 CPU「毛三到四」(毛利率3-4%) 的產業鏈。國產 CPU 廠商要能夠在民用消費 PC 市場的競爭中存活下來，高性價比 (CP值) 是不二法門。
這個拐點的到來，就在 2019 ，我將它稱為是國產 CPU 進口替代的「芯戰元年」。
智能手機已成為中國乃至全球消費者的第一智能終端，隨著數字化轉型的推進，社交、大數據、雲技術、移動服務廣泛應用於各個行業。近日，市場研究機構 Counterpoint Research 公布了 2018 年第二季度全球手機品牌平均零售價 (ASP) 排名，蘋果 iPhone 仍然是最貴的智能手機，平均零售價為 724 美元，其次則是國產品牌 OPPO，平均售價為 275 美元；華為手機平均零售價為 265 美元；Vivo 手機均價為 259 美元；三星手機平均售價為 247 美元。
另據國外研究機構估計，iPone X 的零件成本不低於 370.25 美元。再以三星的旗艦機為例，其價格與 iPhone X 相去不遠，但三星手機的整體平均售價卻遠低於 370.25 美元，這代表三星的旗艦機型的銷售量低且總銷售是虧錢的。也就是說，三星的旗艦機是當作打品牌的模特兒，而非金雞母，它們得靠中低階機種的銷售來獲利攤平。既然旗艦機銷售的數量有限，意味著晶元生產的數量有限，這樣一來無法達到經濟規模，所以就不能攤提昂貴的 10nm 或 7nm 的 IC 先進工藝成本。但對高通而言就不同了，高通的高階晶元因供應給眾多手機品牌廠的旗艦機型，其生產數量可達經濟規模，成本可降低，但其銷售策略卻仍堅持高價販售，反倒成了一門賺錢的生意。
有鑒於此，為手機旗艦級晶元找應用出路，也就順理成章的成為其他手機大廠一不做二不休的簡單邏輯。華為與三星這兩家擁有自家手機晶元的企業，在高通清除 WOA PC 的軟硬建技術與生態鏈的障礙後，進入 PC 市場搶佔份額，應該是最迫切需要的。上篇表一所列的手機旗艦級晶元，事實上都已具有一般商用 WOA PC 的能力，只是在遊戲性能的表現上稍有不足。台積電除了積極發展第 2 代採用 EUV 技術 7nm 工藝，也傳聞更先進的 5nm 工藝將在 2019 年第 2 季試產，另外也將配合 ARM 新一代的 Deimos 及 Hercules 處理器架構發表的時間。可預見的是，手機 / PC 的通用型晶元，應該是符合經濟效益的推論，預期手機相關大廠都將積極投入這塊大餅。
在貿易戰與自力更生的背景下，PC 市場的變化會是如何呢 ? 以聯想 PC 業務為例，即使成為全球銷售第一，也只是為 Wintel 作嫁，幫他們打工。反觀華為與小米進入筆電市場，可能是投石問路，拋磚 (Core i5) 引玉 (Kirin) 的舉動。飛騰、華為與紫光展鋭等，頂尖對決 intel、AMD、Apple、Nvidia、高通與三星等世界級 CPU 與 GPU 大廠，就從 2019 展開搶進中國 PC CPU 市場進口替代的聖戰。
Source: 華為
恃吾有以待之，才能使危機變為轉機
這幾年來半導體產業積極布局與投資在 5G 通訊、人工智慧與物聯網的硬體、韌件與軟體的應用產品開發與布建。期望藉由全球 5G 通訊大規模啟用後，能快速提升國產半導體晶元的產品多元性、技術性、高值性與進口替代。中國是筆電及智能終端產業全球製造的高地，從手機、PC 到超算等計算機應用的 CPU 設計、智財權與製造，晶元國產化的能力與程度已大幅提升。在超算與伺服器的高性能計算領域，除了 mainframe 外，固件與軟體國產化的程度，比手機與 PC 國產化的程度要來的高。其中 Windows 與 Android 兩大操作系統，是一道短期內跨不過去的坎。而 ARM 的智財授權，牽扯到 RISC (精簡指令集) 架構的根基，雖然 RISC-V 聯盟已日益壯大，短期內要擺脫 ARM 授權這道坎，也不是容易的事。畢竟操作系統與 RISC 架構有著幾十年的積累，加上晶元生態系統的龐大及複雜性，與其擺脫舊框架，重新建立新的生態聯盟，不如借力使力，加速去短板，也許是比較務實的作法。
繼中興、福建晉華與華為等信息與通信高科技廠商，相繼受到貿易戰的波及後，這樣的事件可能不會在短期內停止，或者很快的以平和的解決方式落幕。最近美國 14 類高端科技出口管制大棒，含括人工智慧、晶元、量子計算、機器人、臉部和聲紋辨識技術等高端新興科技的關鍵領域限制，是貿易戰的組合拳之一。所幸的是，半導體產業相關之材料、裝備、操作系統與軟體等，並未列入管制範疇。依照 CPU 技術路線圖的分析，美國若是管制 SoC 品項下的 CPU 對中國出口，其實質效益有限外，反倒對國產晶元的進口替代，將產生直接而強勁的刺激作用。
繼 Trade War 之後，在即將上場的 Chip War 中，已顯見美國的大動作，欲積極干預晶元市場的運作機制，對昔日的貿易夥伴也完全不留情面。美國的保護主義與貿易壁壘的極限施壓，讓全球各個產業都要改變原來發展的慣性，也要準備面對最大的不確定性。轉機是要在危機中，憑藉智慧與勇氣，調整慣性的步伐，一步一腳印的走出來。在現實世界的國際關係與政經環境下，兩點間最短的路徑，絕對不會是直線。
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