国产CPU:放手一搏正当时

2012-05-08 01:31:39来源: 中国电子报
     CPU(Central Processing Unit)是计算机的中央处理核心,也是所有数字类电子产品的中央处理核心。信息技术发展到今天,没有CPU的电子整机产品是难以适应今后的网络化趋势的。

  当你在商场购物,刷了一次卡,假如你可以跟随卡上的信息一起“旅游”一趟的话,你将可以看到:第一站,读卡器上的CPU把你的卡信息传送到商场的服务器的CPU;第二站,商场的服务器CPU又把你的卡信息传递到周边的公用社区区域网络服务器CPU;第三站,周边公用的网络服务器CPU经过一番或者多番服务器CPU周转,将卡信息传递到国家的银行结算中心服务器CPU;第四站,国家结算中心CPU将卡信息传递到你所在开户银行服务器CPU,先由该开户行CPU对你的信息进行计算、分析身份合法性和验证等,以便决定是否准许你划款,再由所在开户银行服务器的CPU将分析验证和处理的结果信息沿相反方向返回到你所在购物商场收款机CPU,收款机CPU再将购物信息传递到打印机的CPU打印出你的消费单据。

  有些开户银行的服务器CPU还会同时把相关信息发送到通信网络,穿越多个区域的骨干网程控交换机CPU、局域网交换机CPU、路由器CPU、用户交换机CPU等,最后到达你的手机CPU,再由手机CPU将信息发送到手机显示屏上。

  每一站电子整机功能,都是由软件程序和CPU的协调运行来实现的。整机中的其他功能,都是为了确保整机CPU能够稳定工作而设定,这就像人身体中各器官是为了保证大脑活动的道理一样。

  不同整机和不同应用领域中所用的CPU规格会有所不同。在个人终端类电子产品中,市场需求的整机数量多,但单机CPU担负的职能相对简单些,要求也相对低些;在骨干网络、中继网络和服务器中,对CPU的可靠性、安全性、运算速度等要求就高很多;在大型、超大型计算机中,由于计算机速度和计算量十分巨大,需要由许多CPU一起组成并行模式的计算机,来处理复杂的问题。

  CPU是如此重要,没有CPU就没有独立自主的信息化和国家信息安全可言。然而我国在这一产品领域长期以来却严重依靠进口,成为我国走向电子强国必须克服的一道硬坎。迈过了这道坎,它就会变成一扇通往电子强国新境界的大门,把我们领入另外一个崭新的发展阶段。

  技术寻觅:美国公司垄断的专利武器

  “CPU指令集”和“CPU架构”是CPU产品中两项最重要的核心技术,是美国公司垄断世界CPU市场最重要的知识产权武器。

  CPU工作、CPU与CPU之间的通信靠“指令”来进行,全部控制CPU运行指令的集合就是“CPU指令集”。

  现今,RISC指令集已成为世界公认的CPU标准指令。由于发源于美国,像IBM、Intel、微软等公司,他们先入为主,占尽了有利位置,现已成为这些公司垄断这一领域的最基本方式之一。后来者即使掌握了同样的技术,也要与已经流行的产品相兼容,才能进入到主流产品领域,被市场用户所接受,否则产品将很难打开销路。

  CPU架构,就像文章的篇章结构,或者像楼房的主体结构,是为了实现CPU指令集的全部功能、进行产品开发前必须规划好的。有了合理的架构,再将指令集中一个个“指令单元”安排到架构的相关位置,使它们能够高效、协调地运行。这就同大楼中相互联系紧密的功能房间要尽量靠近些,以尽量减少日常工作时的往来时间、提高办公效率的道理是一样的,并不神秘,也不难理解。

  根据CPU的应用目标及对象,可以使用不同的架构来实现,有些功能的指令如果在某些特定的场合用不到也可以省略,这样可以最大限度地减少CPU芯片的面积,用最少的内部电子元器件来实现应用目标,使产品的制造成本达到最小。

  在统一的RISC标准指令集的前提下,可以用不同的架构来实现CPU产品。目前,世界3家著名的具有不同架构的CPU公司是:

  (1)目前居统治地位的Intel公司的X86架构。自1978年6月Intel发布了首个8086处理器,X86架构CPU现已统治和主导世界CPU市场30多年。Intel公司是世界CMOS半导体制造工艺的发明者,是世界最高水平的半导体制造公司。其经营模式主要以研发并生产通用CPU成品的方式供应其他电子整机厂家,主要用户遍布世界。其最新推出的第三代酷睿处理器Ivy Bridge,采用了22纳米CMOS工艺,内含14亿个晶体管,并首次采用了3D晶体管技术,开始在立体方向进行布线布局。

  (2)另一种是MIPS架构,其知识产权归美国MIPS公司所拥有。1985年第一块MIPS处理器(R2000)诞生后,原本主要用在高端服务器领域,现在也开始向中低端消费领域发展,积极推出适用于数字家庭、网络、单片机和其他应用的产品,目前MIPS架构版本主要有MIPS32和MIPS64两款。该公司经营模式主要以嵌入式设计服务和向用户提供CPU架构使用授权的方式来进行。

  (3)ARM公司(Advanced RISC Machines Limited)于1990年成立,其设计出了适合多种应用整机的嵌入式CPU,其经营模式是只出售CPU的“硬核”,这种设计好的CPU产品,用户无法对其进行更改,用户要么直接在芯片厂进行流片生产,要么嵌入到用户正在开发的系统芯片的设计中,被称为“可用于生产芯片的技术授权”。一般情况下ARM不出售“CPU架构”服务,因为这是ARM的看家本领。ARM在低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域居世界领先地位。

  这3种架构CPU技术在发展中相互借鉴、相互补充、不断提高,推动世界CPU市场由过去Intel一家独大向技术日益普及、产品更加多极和应用更加个性化方向发展。

  群雄四起:多数CPU源自三家商业授权

  苹果公司iPhone和iPad在商业上的巨大成功,标志着一个新的世界IT消费趋势的到来,表明以往千篇一律的Windows界面为主导的需求趋势,正在向表现自我、风格各异的个性化方向发展。

  移动手机、个人电脑和家用电视都在向智能化和三网融合的方向发展。而现今的半导体技术,特别是集成电路SoC技术的发展,更加推波助澜,支撑和挑战着一个个技术难关,使这种新的应用需求在一步步由梦想变成现实的过程中,不但性能不断提高,而且成本也在快速下降,从而激发出更大的需求。需求趋势和半导体技术进步二者即相互依存,又相互激发,共同作用,把终端产品和消费趋势推向一个又一个崭新的发展阶段。

  个性化时代的终端产品需要什么风格的整机?表面上看这主要是产品外观设计和软件操作流程方面的事情,实则最终是由CPU的功能来实现的,这才是最核心的部分,也是众厂家竞争的最重要的主战场。它不断变化着,一浪高过一浪地向前发展着,不断孕育着风骚一时的新类型、新模式企业的诞生。

  现今的社会信息化已经发展到了这样的阶段,数字地球、智能化社会、云计算、3D显示、视觉识别、高清数字电视、大数据处理和管理、IPv6互联网、新一代智能终端、物联网、基因工程等,这些都建立在超大信息量的处理基础上。仅仅一张3D高分辨率图片就需要巨大的计算量,如果没有图形加速显卡上的图形CPU处理器的协助,只用现有的X86架构模式的CPU来处理,那么还没等处理完,电脑使用者很可能早就等得不耐烦了。而这样的事情在数字娱乐、电子游戏、工程制图、计算机仿真、3D显示、高清电视、视频识别、基因分析、新一代互联网、物联网等新的应用面前,将成为时刻都在发生的最最平常的事情。

  有人预计今后10年内,由于物联网和新一代互联网的普及应用,人类社会的信息总量将会比目前高出2~3个数量级。现有的3种主要CPU架构中,都需要进一步发展,才能胜任今后的应用需求。

  展望今后新的应用趋势和个性化需求,不管是个人终端产品还是新的需求领域,这些产品都必须以超大信息量的处理为基本前提。因此,时代即呼唤拥有更强信息处理能力的通用CPU产品,同时也在呼唤更能满足面向不同目标客户群体的个性化专用CPU产品,以此来满足不同人群、不同领域的个性化产品需求。

  目前,在世界CPU领域,过不几天就有公司宣布自己的新CPU产品问世,并用在了智能终端或者其他产品上,形成了八仙过海、各显神通的极其活跃的竞争局面。仅我国内地就有10多家知名的CPU研发和设计单位,如中科院计算所、北大众志、国防科技大学、上海高性能集成电路设计中心、浙江大学、清华大学、苏州国芯、杭州中天、北京君正、深圳华为、福州瑞芯、中国航天科技集团公司、江南计算所等。国外的CPU企业中,除Intel、MIPS和ARM3家主要的通用CPU公司外,在专用CPU方面,如博通、高通、英伟达、德州仪器、Marvell、MTK、瑞萨、NEC等,都有其智能手机CPU及其他领域的专用CPU产品。

  虽然大部分公司的CPU产品大多都源自前面我们提到的3家公司的CPU架构之一的商业授权,但其中也不乏拥有独立产权、另辟蹊径的公司。例如:我国北大众志的Unicode就是一种全新的完全具有自主知识产权的国产CPU指令集,上海高性能集成电路设计中心的申威1600CPU也是完全具有自主知识产权的产品,还有中国航天科技集团公司的航天卫星用CPU等,都是在CPU领域通过自主创新而开辟出一片新天地的CPU典型创新范例。

  另外,在智能手机领域,博通的手机CPU市场份额就远超Intel;在工业控制方面,NEC的专用CPU也有其独到的表现;在汽车电子领域,瑞萨CPU也表现不俗。

  值得注意的是韩国三星电子,虽然目前已经推出了主频2GHz的Exynos5250手机芯片,采用ARM新双核Cortex-A15处理器架构设计,已经领先于其他公司。但更值得关注的是:据报道三星目前正在立足其先进的半导体制造技术,研发下一代全新的具有自主产权的通用CPU产品,以与前面的世界通用CPU三强公司进行竞争。

  强国之路:国产CPU恰逢介入好时机

  综上,个性化的个人终端产品需求趋势呼唤着个性化的CPU以适应激烈的竞争,半导体和集成电路SoC技术的不断发展使这种以前难以企及的愿望一步步变成了现实。拥有了先进的CPU产品支撑,厂家就可以比较容易开发出能够领先于同业的与众不同的个性化整机产品,而且在成本方面,比从市场上外购CPU可能要便宜许多。

  任何一家或者几家CPU厂家来垄断这一领域在今天和今后已不可能。其原因之一是半导体技术进步和CPU技术的普及使这一领域的资金门槛和技术门槛都已变得相对低廉,不再像以前那样难于逾越,许多厂家现在都已经掌握了CPU技术,并在新兴的领域不断取得突破;二是整机应用的个性化趋势需要个性化的CPU来实现其与众不同的产品表现,这虽然可以用软件设计来实现,但CPU基础性支撑作用还是很关键的,单独一家或者几家CPU厂家要同时适应千姿百态的世界个性化需求已不太现实。

  今后的个人终端产品和网络服务,均以处理大数据作为前提,目前世界三大CPU公司的现有CPU架构在面向今后的需求和服务时,其CPU架构本身都需要不断改进和发展,以适应更加个性化的大信息量应用需求趋势。因此,他们也面临与新进入的企业相同的技术问题,需要去克服,面对大数据处理问题,大家基本上处在同一起跑线上。

  这为我国刚刚起步的CPU产业提供了千载难逢的介入机会。我国的IPv6还待部署,物联应用才刚刚开始,三网融合也刚刚推行,智能手机和未来的智能终端市场广阔,这些为国产CPU提供了巨大的应用前景。

  在我国迈向电子强国的前进路上,如何彻底突破长期盘亘在我们面前的有如蜘蛛网一般的国际CPU知识产权桎梏,变“坎”为“门”,从而在通向新境界、实现曾经几代人为之奋斗的电子强国之梦想,机会就在眼前。目前正是布局今后、决战未来CPU市场的最佳时机,我国迫切需要从总体思路、技术路线和应用推广政策等方面进行总体部署。

  第一,从国家层面适时推出促进CPU产业发展的专项规划,加大对国产CPU设计、研发、生产和应用支持,激发全社会资金向该领域倾斜。

  第二,在国家安全战略和法律体系中明确CPU是国家安全产品,任何想要介入我国市场的国内外CPU产品,都必须承诺其销售的产品不得损害我国信息安全和国家安全,并遵守我国的国家安全法律和相关法律法规。

  第三,名正言顺地制定我国的反CPU技术垄断法,对国际不合理的CPU技术垄断现象说“不”。

  第四,适时制定国家CPU产品标准体系,推出可兼容国际标准CPU指令集的我国国家标准CPU指令集。结合我国国情和应用民情,在国家标准CPU指令集中增加一些在我国国情中特有的新指令,以形成具有我国特色的CPU知识产权体系。并发挥后发优势,针对今后的发展需求,研发和建立与未来我国信息社会需求相适应的中国国家标准CPU架构体系。

  第五,鼓励国内外企业广泛采用我国国家CPU标准体系,为我国CPU企业提供与国际垄断公司进行平等竞争的法律依据和知识产权交换机制。

  总之,CPU之战,不仅是一场关键电子产品之战,而是一场影响我国国家安全和信息社会走向、通往电子强国之路的关键

  IC观察

  尽快制定CPU产业多项规划

  国民经济和社会发展“十二五”规划中把“发展现代产业体系,提高产业核心竞争力”作为转变经济发展方式的重要途径和主要内容,把“适应国际需求结构调整和国内消费升级新变化,提高经济增长的质量、效益和国际竞争力”作为战略重点。这为今后我国IT产业发展、迈向IT产业强国指明了方向。

  大而不强、全产业效益普遍较低下的主要原因,就在于国际产业格局分工体系中,我国IT产业总的来说还处于低端加工领域一头。2011年我国规模以上电子信息制造业主营业务收入7.49万亿元,利润总额3300亿元,而利润率只有4.4%,不及3年期的银行定期存款利率。这是我国IT产业的弱点,也是今后需要努力改变的工作重点。

  只有拿下一个个战略高地、攻克前进路上的一道道障碍才能逐步扭转这种不利处境。CPU就是这样一个长期横在我国IT产业领域的一道极具挑战意义的硬坎。不拿下这一战略高地,我国将连最基本的信息安全都无法保障,更妄谈迈向IT强国了。不过,发展的机会来了:

  第一是个人终端产品需求个性化趋势和集成电路SoC技术发展相呼应,把IT产业推向了一个新的发展阶段。随着苹果公司的强势胜出,以往的Win-Tel联盟正在被个性化需求大潮所冲击,这一联盟出现了过去数十年以来从未有过的最大的危机和松动,这为我国CPU产业发展提供了非常好的切入机会。

  第二是今后的个人终端产品和网络服务,均以处理大数据作为前提,目前居世界统治地位的3大CPU公司,他们的现有CPU架构在面向今后的需求和服务时,也面临其CPU架构本身都需要不断改进和发展的新的技术问题,需要去克服,大家基本上处在同一起跑线上。

  第三是我国未来巨大的市场需求正在等待国产CPU去占领。我国的IPv6还待部署,物联应用才刚刚开始,三网融合也刚刚推行,智能手机和未来的智能终端市场广阔,这些为国产CPU提供了巨大的应用空间。

  第四是国家的支持和业界研发人员的共同努力。近年来我国在CPU领域已取得了长足的发展,具备了向新的更高目标前进的一定基础。国家大力鼓励、支持和倡导各种创新,为发展国产CPU产品提供了前所未有的创新氛围。

  因此,眼下正是布局今后、决战未来CPU市场的最佳时机。建议国家有关机构应尽快从总体思路、技术路线和应用推广等方面进行CPU总体部署。尽快制定CPU产业发展专项规划,激发和鼓励社会资金向该领域倾斜;把CPU确定为国家安全产品;制定反CPU技术垄断法;制定我国国家CPU产品标准体系;鼓励国内外企业广泛采用我国国家CPU标准体系;为我国CPU企业提供和建立与国际垄断公司进行平等竞争的法律依据和知识产权交换机制。

  我们相信,在国家的大力支持和业界的共同努力下,我国CPU的明天一定会更加美好。

 

  微观点:

  @英特尔Mark Bohr:英特尔的Ivy Bridge处理器是采用英特尔3闸22纳米制程生产;无晶圆厂(fabless)半导体业经营模式已经快到尽头。他认为,台积电最近宣布只会提供一种20纳米制程,就是一种承认失败的表示;而且该晶圆代工大厂显然无法在下一个主流制程节点提供如3D电晶体所需的减少泄漏电流技术。他指出,晶圆代工模式正在崩溃,高通不能使用台积电22纳米制程技术就是例子。

  @英特尔Kirk Skaugen:台积电与GlobalFoundries的研发主管近日提出了很好的例证,证明3D电晶体架构在14纳米制程节点之前并非必要。台积电表示,20纳米节点并没有足够的回旋空间可创造高性能制程与低耗电制程之间的明显变化。对于台积电的20纳米制程计划,高通没有发表评论;但高通确实在最近财务季报发表会上表示,该公司无法从台积电取得足够的28纳米制程产能以应市场需求,因此正寻求多个新代工来源,并预期能在今年稍晚正式上线。

  @Good Technology高级副总裁John Herrema:企业可能更愿意使用iOS操作系统而不是安卓系统,因为与安装了安卓系统的设备相比,iPhone和iPad的整体操作更简单。他解释道,许多款智能手机和平板电脑都运行不同版本的安卓系统,管理起来难度大,而苹果的iOS操作系统则更统一。他说,在上个季度,iPhone是AT&T、Verizon和Sprint公司最畅销的智能手机,有很多客户在工作场所使用iPhone。

关键字:国产CPU

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2012/0508/article_11723.html
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