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CPU的2019,国产厂商谁与争锋?

2019-01-02
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来源:内容来自「非凡创芯力」,作者 Caren Chen,谢谢。


美国商务部工业安全署 (Department of Commerce,Bureau of Industry and Security,BIS) 于 11 月 19 日发布一份可能是历来最严格的技术出口管制先期通知,在 14 个政府考虑进行管制的类别中包括了人工智能、芯片、量子计算、机器人、脸部和声纹辨识技术,被认为涉及美国国家安全和高端新兴科技的关键领域。相关征询意见的开始时间在美国当地 11 月 19 日,截止时间则是 12 月 19 日。美国商务部和其他机构审查将根据征询到的意见来评估,进而更新出口管制清单。外界虽然无法预期这 14 类高科技出口管制的执行日期,但可以确定的是,它将是中美贸易战休战后,重新启动谈判的重要筹码之一。由于贸易战的持续扩大,很多高科技公司担心赖以生存的系统单芯片 (System on a Chip,SoC) 会被限制出口,其中主要是以中央处理器 (CPU) 或是微控制器 (MCU) 为大宗,因為这些芯片大多来自美国。


细看这份 14 类技术出口管制清单内容,半导体产业相关的材料、装备、操作系统与软件,并未列入管制范畴。即便如此,出口管制清单的出现,警醒高端新兴科技产业的凛冬将至,也宣告半导体产业开启自力更生之路才是重中之重。最重要的目标之一是计算器 CPU 的国产之路


手机和个人计算器 (PC) 通用的 CPU 芯片时代来临


手机用的芯片一般都是使用 ARM 架构的 RISC (Reduced Instruction Set Computing,精简指令集) CPU,而一般台式或笔电用的是 Intel 和 AMD x86 架构的 CISC (Complex Instruction Set Computing,复杂指令集) CPU。RISC CPU 的特点是指令相对简单。完成一个运算功能需要多个指令,但有一些功能编程不容易实现,所以必须使用真实电路控制。其好处是省电,发热小,成本低等。相反的,CISC CPU 的特点是可以用较少的指令就可完成一个运算功能,大部分的功能通过编程后都能实现,但电路架构则较为复杂。这两种  CPU 各有优缺点,但随着电路设计与半导体工艺的进化,ARM CPU 原本在浮点运算 (FP) 能力落后的情形,已获得明显改善,现在两者架构的 CPU 运算能力正逐步接近中。


Intel 的优势在于 PC 市场与服务器市场,在 PC 市场,Intel 芯片有超过 80% 的市场占有率,而微软 Windows 操作系统则主宰了每一台 PC。自上世纪 90 年代以来,Microsoft 和 Intel 在有意无意之间形成了 “Wintel” 的合作模式。虽然 Intel 与 Microsoft 的联盟并不为双方所承认,但是 Microsoft 的新系统与 Intel 的新芯片常常是一唱一和,且两者也常常互有默契的推出新品,这样的合作模式主导着全球 IT 业技术好长一段时间的更新迭代。与 Microsoft 的联盟互动,形成了一种技术和商业合作的默契,这是 Intel 成功的最大利器。这个合作关系成功地取代了 IBM 公司在 PC 市场上的主导地位,独霸 PC 市场长达 20 多年。


Intel 自身也通过微软 Windows 系统进入各大硬件生产商,找到了大批合作企业,有芯片生产商、软件生产商、设计辅助工具开发商、硬件制造商和移动设备生产商等。它们围绕 Wintel 形成了一个庞大的产业联盟。另外,Intel 又利用 “平台” 的概念,将 CPU、主板、芯片组以及网卡等组件或技术集成一体、完成从单一硬件产品制造商迈向一个 “集成性服务供应商” 的转化。在实现用户综合应用体验的同时,不断强化体系围墙,降低竞争对手在微软系统生态中的渗透。当年,尽管 IBM 的 PC 全球销量第一,但是丰厚的利润却流向了 Microsoft、Intel,因此,Intel 的核心技术对产业的影响力越来越大,而 AMD 的惨淡经营也就可想而知了!


PC 这块大饼丰厚的利润,吸引高通 (Qualcomm) 将手机芯片成功地应用在笔电上。 Qualcomm 早前公布的 Snapdragon (骁龙) 1000 芯片,是针对笔电而设计的,但是它的效能远低于 x86 处理器。Qualcomm 于今年 (2018) 12 月初,宣布推出八核全新 7nm 处理器骁龙 855 与 8cx,其中 855 用于旗舰型手机,而 8cx 则适用于 Windows 笔电、平板计算机和 All in one 机型。骁龙 8cx 使用新的 Kryo 495CPU 及 Adreno 680 Extreme GPU,并宣称其综合性能可以与 Intel 大多数轻薄 Windows 笔电上的 15 瓦 U 系列处理器相媲美,且其芯片的能源消耗仅是 Intel 的一半。


大多数移动 SiP (System in a Package) 产品是 CPU、GPU、NPU (Neural Processing Unit) 等 SoC、基带与通讯模块、各种内嵌内存控制器、显示与音频模块等系统,而且涵盖固件、软件和服务的解决方案。随着人工智能运算场景的扩展,有 NPU 加持的移动 SoC 也成为吸引 OEM 厂商在 Intel/AMD x86 体系之外着重考虑的新选择。


第一代骁龙笔电的主板是 Intel 主板的一半 (Source: Qualcomm)


在推进 Windows on ARM (WOA) 的生态上,高通是当前态度最积极的厂商。为了消除第一代骁龙 1000 全时互联计算机 (ACPC) 在应用软件上的短版,此次高通与微软更深度合作,不仅让骁龙 8cx 加入支持 DirectX 12 API,与更多应用服务平台连结,同时因为加入了支持 Windows 10 Enterprise,更大幅提升笔电处理器运算平台的效能表现,藉此增加常时连网笔电的实际可用性。


骁龙 8cx 版图 (Source: Qualcomm)


事实上,与 Intel、NIVIDA 和 AMD 的游戏笔电相比,骁龙 8cx 的性能仍力有不逮,但重要的是,高通将手机芯片的设计调整后,成功应用在 WOA 笔电的芯片设计上。这也意味着所有手机芯片设计公司,都将有与 Intel 及 AMD 笔电芯片厂共同竞争同类的产品的敲门砖。Intel 最主要的产品是 PC 和服务器,在 PC 行业兴旺时,从 IP 核设计到制造封测芯片都是自己做的 IDM (Integrated Device Manufacturing),是没什么问题。然而随着智能手机的崛起,PC 市场规模迅速下滑,Intel 不只错失移动设备芯片的市场,加上 10nm 工艺的延后,现在 WOA 手机芯片又将进入了 PC 的地盘,这让 Intel 面临十面埋伏般前所未有的挑战。


下列表一为笔电芯片与旗舰手机芯片各大厂的比较。进入 7nm 工艺时代后,WOA 芯片的性能进一步提高,且功耗降低,其条件非常适合轻薄的笔电产品。据业内消息人士称,苹果、华为、三星、联发科、紫光展鋭均有望在高通之后,进入 WOA 笔电新领域。


表一: 笔电 CPU 与旗舰手机 CPU 比较



ARM 重磅推出 5nm 笔电芯片架构,对 Intel 与 AMD 的完美风暴已成形


日前,ARM 对外界公布了一份关于 CPU 的规划路线图,显示他们野心勃勃的要将在手机市场的生态圈,带往笔电的市场去,且计划将在 2020 年实现对 Intel 笔电芯片技术的赶超。


ARM CPU 规划路线 (Source: ARM)


ARM 预计于 2019 年推出基于 7nm 工艺,代号为 Deimos 的处理器架构,并在 2020 年正式发布 5nm 工艺,代号为 Hercules 的处理器架构。Deimos 及 Hercules 都是基于 Cortex-A76 核心架构的精进版,号称计算性能上,每一代都可以提升超过 15%。Cortex-A76,可搭配 10nm、7nm 工艺、在机器学习性能上能比前一代提升 4 倍。其架构的芯片在单线程性能上面,已经可以与 Intel Core i5-7300U 相媲美,而且功耗仅为 5 瓦,远低于 intel 的 15 瓦,能大大延长电池续航时间。由于功耗的降低,笔电也会像手机一样可以持续长时间移动办公,加上未来在 5G 常时连网的网络环境下,笔电和手机会连结的更紧密。


其实,ARM 对于进入笔电行业的野心一直都在,去年底微软采用基于 ARM 架构的骁龙 835 处理器推出了多款 Windows 系统笔电,虽然性能上还有欠缺,但是在与手机的连接性以及功耗方面都是让人满意的。不仅如此,ARM 在今年年底将推出的 Google (谷歌) 全新 Chromebook (Chrome on ARM,COA),也将会采用骁龙 845 处理器。而这一切只是一个开始,现在 ARM 发布 CPU 路线图之后,就是向 Intel、AMD 这样的公司宣告,WOA 与 COA 在性能方面也会有很大的竞争力。


不过我们仍需注意的是,ARM 本次线路图的主要目标是笔电的性能提升,智能手机可能暂时达不到同样的高度。原因很简单,智能手机更看重能效,通常 2.5W 的 TDP 热设计功耗就能满足整体性能需求了,而且手机内部空间有限,芯片、内存、闪存等部件尺寸得要做得很小。


Apple 的大杀器 A12 Bionic 透露了新时代的开始 ?


A12 Bionic 是 iPhone 迄今最智能、最强大的芯片,也是全球计算机行业第一款 7nm 处理器,集成了 69 亿个晶体管,在各种跑分测试中都遥遥领先其他对手的新一代旗舰机种。其实 Apple 近两年在定制芯片业务上也是动作频频。早在一年之前,Apple 即宣布不再使用 Imagination Technology 的 GPU 技术知识产权,而改为自行研发 iOS 设备专用的图形处理芯片。Apple 近年来更积极朝自制芯片努力,成果包含处理器、绘图芯片等各项用在行动装置里的芯片。其自制芯片也陆续成功应用在自家产品上,例如 : iPhone 和 iPad 中的 A 系列芯片、MacBook Pro 的 T1、iMac Pro 中的 T2 芯片、AirPods 中的 W1、Apple Watch 中的 S 系列芯片和 W2 芯片。最近又传出 Apple 最快从 2020 年开始全面抛弃 Intel 的芯片,改为自行研发 Mac 专用芯片,若此传言成真,未来 PC CPU 市场将是烽烟四起,群雄混战的新局面。


国产 CPU 在竞争环境下,激荡出什么样的火花,我们将在下篇文章中探讨。


Apple A12 Bionic 版图 (Source: Apple)

国产 CPU,谁与争锋 ?


在计算器的光谱上有相当多的类型,除了 PC 与手,还有高性能计算器。高性能计算机包括超算 (Supercomputer)、数据中心 (Data Center)、云计算 (Cloud computing) 及大型计算器 (Mainframe)。今年 (2018) 10 月公布的全国高性能计算机 TOP100 榜单,全部由国产品牌囊括。厂商份额方面,中科曙光、联想分别以 40 台超算系统入围并列第一,浪潮集团其后,“国产三强” 占据整个榜单份额的 92%。此外,今年 TOP100 榜单最大的亮点是 3 个 E 级超算的原型机系统 — 神威 E 级原型机、“天河三号” E 级原型机、曙光 E 级原型机,均进入性能排行榜前十 (分列第四、第六和第九位)。根据历史数据拟合推算,E 级超级计算机将可能 “在 2019 年左右出现”。


高性能计算机从应用领域来看“大数据/机器学习” 仍是当下超算的应用热点,在 TOP100 的超算系统中共有 27 台系统用于大数据分析与机器学习用于科学计算的系统今年强势回归数量由去年占比仅 11.3% 上升至今年的 14%


神威 E 级超算原型机主要由硬件软件和应用三大系统组成其处理器网络芯片组存储和管理系统等核心器件全部是国产化原型机的系统软件由完全自主研发的神威睿思操作系统及神威睿智编译器等构建运算系统全部采用 “神威 26010+”  众核处理器高速互连网络系统全部采用申威网络交换芯片申威消息处理芯片这些关键部件均具备完全自主知识产权存储和管理系统由申威多核处理器构建实现对该领域产品的国产化替代


神威 太湖之光 (Source: 神威)



超算天河三号原型机的 CPU 可能将采用飞腾系列 FT-2000 或其后继产品作为主控 CPU在 2012 年前后飞腾选择了 ARM 阵营可以基于 ARM 64 指令集设计自己的 CPU并在数年时间内先后开发出 FTC66FTC661 两款 CPU 核以及 FT-1500A/4FT-1500A/16FT-2000FT-2000plus 等 CPU虽然在单核性能上和 Intel 还存在一定的差距但在多核性能上已经达到 Intel 服务器 CPU E5  主流产品的水平


综和以上所述高性能计算器领域中除了 mainframe 外自主生产且拥有知识产权的 CPU 已可完全掌握


超算是为了高密度浮点运算而优化的分布式平行运算平台相对的,mainframe 则更倾向于整数运算是针对一般交易需求与多任务环境而打造的集中式系统提供足以支撑大量用户与巨大交易量时依旧可稳定输出的表现例如仓储零售与金融体系上的应用所以必须具备极高的可靠性超强的 I/O 效能极致的加密安全性与虚拟化能力IBM 是 mainframe 产业中的翘楚制霸全球的供应链


然而超算 CPU 的众核架构并不适合消费级 PC原因在于单核性能羸弱且架构与操作软件 (OS) 不甚匹配民用 PC 的应用大多数比较需要性能较为强悍的单核运算性能基本上 2~4 个核就能满足日常需求而游戏用 PC 因为需要大量的 3D 模拟绘图与影音显示通常需要增加运算核心数及缓存 (Cache) 的容量


数据显示,中国的芯片市场需求占全球 50% 以上,部分芯片占 70% ~ 80%。而 90% 依赖于进口,国产芯片只能自供 8% 左右。自 2013 年以来,中国每年需要进口超过 2 千亿美元的芯片,已连续多年超越石油,位居进口品项之霸,2017 年更达到历史新高的 2,601 亿美元。由此可见中国芯片高度依赖进口的危机。


分析指出,国产芯片主要集中在电源、逻辑、存储、MCU (Microcontroller Unit)、半导体分立器件等中低端产品。高端芯片方面,远远落后于国际水平。尤其是在 PC CPU、高速光通信接口、大规模 FPGA、高速高精度 ADC/DAC 等核心领域的高技术含量的关键器件,仍完全依赖美国供货商。


为了提升国产 PC CPU 的市场份额今年八月中央政府采购网 (以下简称央采网) 公布了 2018 年政府集中采购笔记本电脑台式机以及服务器等入围产品名,其中兆芯申威龙芯飞腾华为海光宏芯等 PC 和服务器企业均榜上有名


据市场研究机构 IDC 中国发布的《PC市场月度跟踪报告》初步数据显示2017 年中国 PC 市场销售约为 5,360 万台年度同比下降 4.1%2018 年预计销售额为 5,210 万台年度同比下降 2.2%这其中需要政府集中采购领域的市场份额约为 5%即 2018 年约 260 万台左右遗憾的是这 260 万台的市场份额还会根据不同密级选择纯国产 PC 或高性能 Intel/AMD PC换言之纯国产 PC 圈中兆芯申威龙芯飞腾等能分到的市场份额将更小单靠杯水车薪的政府采购金额是不足以扶植起国产 CPU「毛三到四」(毛利率3-4%) 的产业链国产 CPU 厂商要能够在民用消费 PC 市场的竞争中存活下来高性价比 (CP值) 是不二法门



这个拐点的到来,就在 2019 ,我将它称为是国产 CPU 进口替代的「芯战元年」。


智能手机已成为中国乃至全球消费者的第一智能终端,随着数字化转型的推进,社交、大数据、云技术、移动服务广泛应用于各个行业。近日,市场研究机构 Counterpoint Research 公布了 2018 年第二季度全球手机品牌平均零售价 (ASP) 排名,苹果 iPhone 仍然是最贵的智能手机,平均零售价为 724 美元,其次则是国产品牌 OPPO,平均售价为 275 美元;华为手机平均零售价为 265 美元;Vivo 手机均价为 259 美元;三星手机平均售价为 247 美元。


另据国外研究机构估计,iPone X 的零件成本不低于 370.25 美元。再以三星的旗舰机为例,其价格与 iPhone X 相去不远,但三星手机的整体平均售价却远低于 370.25 美元,这代表三星的旗舰机型的销售量低且总销售是亏钱的。也就是说,三星的旗舰机是当作打品牌的模特儿,而非金鸡母,它们得靠中低阶机种的销售来获利摊平。既然旗舰机销售的数量有限,意味着芯片生产的数量有限,这样一来无法达到经济规模,所以就不能摊提昂贵的 10nm 或 7nm 的 IC 先进工艺成本。但对高通而言就不同了,高通的高阶芯片因供应给众多手机品牌厂的旗舰机型,其生产数量可达经济规模,成本可降低,但其销售策略却仍坚持高价贩售,反倒成了一门赚钱的生意。


有鉴于此,为手机旗舰级芯片找应用出路,也就顺理成章的成为其他手机大厂一不做二不休的简单逻辑。华为与三星这两家拥有自家手机芯片的企业,在高通清除 WOA PC 的软硬建技术与生态链的障碍后,进入 PC 市场抢占份额,应该是最迫切需要的。上篇表一所列的手机旗舰级芯片,事实上都已具有一般商用 WOA PC 的能力,只是在游戏性能的表现上稍有不足。台积电除了积极发展第 2 代采用 EUV 技术 7nm 工艺,也传闻更先进的 5nm 工艺将在 2019 年第 2 季试产,另外也将配合 ARM 新一代的 Deimos 及 Hercules 处理器架构发表的时间。可预见的是,手机 / PC 的通用型芯片,应该是符合经济效益的推论,预期手机相关大厂都将积极投入这块大饼。


在贸易战与自力更生的背景下,PC 市场的变化会是如何呢 ? 以联想 PC 业务为例,即使成为全球销售第一,也只是为 Wintel 作嫁,帮他们打工。反观华为与小米进入笔电市场,可能是投石问路,抛砖 (Core i5) 引玉 (Kirin) 的举动。飞腾、华为与紫光展鋭等,顶尖对决 intel、AMD、Apple、Nvidia、高通与三星等世界级 CPU 与 GPU 大厂,就从 2019 展开抢进中国 PC CPU 市场进口替代的圣战。


Source: 华为



恃吾有以待之,才能使危机变为转机


这几年来半导体产业积极布局与投资在 5G 通讯、人工智能与物联网的硬件、韧件与软件的应用产品开发与布建。期望藉由全球 5G 通讯大规模启用后,能快速提升国产半导体芯片的产品多元性、技术性、高值性与进口替代。中國是笔电及智能终端产业全球制造的高地,从手机、PC 到超算等计算机应用的 CPU 设计、智财权与制造,芯片国产化的能力与程度已大幅提升。在超算与服务器的高性能计算领域,除了 mainframe 外,固件与软件国产化的程度,比手机与 PC 国产化的程度要来的高。其中 Windows 与 Android 两大操作系统,是一道短期内跨不过去的坎。而 ARM 的智财授权,牵扯到 RISC (精简指令集) 架构的根基,虽然 RISC-V 联盟已日益壮大,短期内要摆脱 ARM 授权这道坎,也不是容易的事。毕竟操作系统与 RISC 架构有着几十年的积累,加上芯片生态系统的庞大及复杂性,与其摆脱旧框架,重新建立新的生态联盟,不如借力使力,加速去短板,也许是比较务实的作法。


继中兴、福建晋华与华为等信息与通信高科技厂商,相继受到贸易战的波及后,这样的事件可能不会在短期内停止,或者很快的以平和的解决方式落幕。最近美国 14 类高端科技出口管制大棒,含括人工智能、芯片、量子计算、机器人、脸部和声纹辨识技术等高端新兴科技的关键领域限制,是贸易战的组合拳之一。所幸的是,半导体产业相关之材料、装备、操作系统与软件等,并未列入管制范畴。依照 CPU 技术路线图的分析,美国若是管制 SoC 品项下的 CPU 对中国出口,其实质效益有限外,反倒对国产芯片的进口替代,将产生直接而强劲的刺激作用。


继 Trade War 之后在即将上场的 Chip War 中已显见美国的大动作欲积极干预芯片市场的运作机制对昔日的贸易伙伴也完全不留情面美国的保护主义与贸易壁垒的极限施压让全球各个产业都要改变原来发展的惯性也要准备面对最大的不确定性转机是要在危机中凭借智慧与勇气调整惯性的步伐一步一脚印的走出来在现实世界的国际关系与政经环境下两点间最短的路径绝对不会是直线



今天是《半导体行业观察》为您分享的第1816期内容,欢迎关注。

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