關於自主CPU晶元設計的初步思考
1 自主CPU晶元現狀
CPU晶元是整個自主可控產品中最重要的環節，整個軟體生態架構都建立在底層CPU架構之上，因為目前中國主要競爭廠商選擇了相互不兼容的底層技術架構，因此其競爭也是非常激烈的。
目前進入自主可控核心目錄的主要晶元廠商有三家：龍芯、飛騰、兆芯。分別代表MIPS、ARM、x86三種架構技術路線。未來有可能進入該領域還有三家：中科曙光的海光（x86）、華為海思（ARM）、申威（Alpha）。其中，龍芯隸屬於中科院，採用自主的Long-MIPS技術架構，是中國最早的CPU晶元研發團隊；飛騰隸屬於中國電子，採用ARM架構，是國際上較早做出領先ARM主機和伺服器晶元的廠商；兆芯引進的台灣威盛公司的x86晶元架構。截止2019年5月16日，安全可靠工作委員會會員單位中共有12家晶元廠商。
以龍芯、飛騰、申威為主的國產CPU已經在黨政軍辦公以及部分重點項目上取得應用，隨著ARM晶元高性能、低功耗、開放式授權等優點，將會在專業領域逐步得到部署應用。
2 自主CPU晶元設計需求
目前國內的終端硬體平台均為依託Intel、AMD等公司CPU，TI、TS等公司的DSP等中央處理晶元的硬體平台。為了維護我國信息安全，必須開展具有自主知識產權晶元的研發和設計。應當從技術體制上，採用自主可控的先進技術，開展低功耗、高可靠、自主可控的晶元研發和設計，應用在船載/機載/手持等各類通信設備中。晶元設計是實現自主可控的關鍵環節，也是知識產權與專利的重要載體。自主研發和設計晶元，將實現從底層硬體、技術體制、演算法實現等全方面的自主可控。
在晶元技術架構上，重點面向基於ARM指令集和開源RISC-V架構的CPU/OS體系架構，大力發展多核CPU晶元，滿足高性能、低功耗、低成本的要求，完成與整機、生態軟體與應用系統的適配與優化，具備晶元產品批量生產能力，滿足物聯網、智能終端及嵌入式應用領域的需求。
3 自主CPU晶元設計關鍵技術
3.1 複雜CPU架構設計技術
使用特定指令集系統，結合信息系統應用需求，定義CPU內部功能部件和外圍介面，研發設計全新架構的高性能通用處理器，應用於伺服器、桌面、嵌入式系統、武器裝備等領域。
3.2 CPU結構優化技術
結合CPU、圖形圖像處理器、向量處理器、陣列處理器和可重構處理器特點，創新高性能多核CPU架構，解決「存儲器牆」、「通信牆」問題，提升高性能計算和數據處理的吞吐率；融合CPU、GPU和流媒體處理和網路化應用特點，形成有特色、面向多網融合的新型SoC架構，在性能適用的前提下降低成本和功耗。
3.3 高時鐘頻率設計技術
根據自主CPU的特點，與晶元製造廠商密切合作，結合CPU的特殊要求優化工藝參數，獲取最佳性能及成品率；突破與工藝密切結合的全定製設計技術，挖掘工藝性能，提升高性能CPU的設計能力，從而提高CPU的工作頻率。
3.4 高I/O帶寬設計技術
在微處理器引腳有限的情況下，克服納米級工藝帶來的困難，設計高速I/O介面，提高微處理器的介面帶寬，緩解帶寬牆問題；通過3D封裝以及光互連等新技術解決帶寬牆問題。
3.5 低功耗設計技術
在高性能CPU的研發全過程中，採用不同層次的低功耗設計策略和低功耗管理措施，降低高性能CPU功耗與運行功耗，提升能效比。
3.6 高複雜度系統的驗證測試技術
突破高性能多核CPU以及複雜SOC的驗證、測試以及設計分析與評估技術，形成適合自主CPU研發的流程和方法，縮短研製周期，提高成功率。
