編者按：自1956年中國將半導(dǎo)體作為國家重要的發(fā)展領(lǐng)域后，今年是第66個年頭。回望66年的發(fā)展，從無到有、從小到大，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了風(fēng)雨坎坷同時又迸發(fā)出無限的生機(jī)。在中國“十四五”提出數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，瞄準(zhǔn)集成電路等戰(zhàn)略性領(lǐng)域之際，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫推出“國產(chǎn)化進(jìn)程”系列專題，講述當(dāng)今中國半導(dǎo)體各領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)程，解析國產(chǎn)化最新態(tài)勢，本期為“國產(chǎn)化進(jìn)程”專題集成電路篇第一篇文章：CPU。
與英特爾和AMD相比，中國本土CPU廠商及其產(chǎn)品的存在感一直都很弱，不過，近兩年，隨著國家政策和國際貿(mào)易局勢的變化，國產(chǎn)CPU迎來了新的發(fā)展契機(jī)。有越來越多的企事業(yè)單位將更多目光和精力放在本土CPU企業(yè)及其產(chǎn)品上，特別是事業(yè)單位和國企，對國產(chǎn)CPU的渴望程度不斷加強(qiáng)，這也給本土CPU廠商提供了更廣闊的發(fā)展空間。
多線并進(jìn) 誰執(zhí)牛耳？
近期，國產(chǎn)CPU廠商龍芯中科就在產(chǎn)業(yè)化拓展方面又進(jìn)一步。4月底，用于工業(yè)控制與終端等領(lǐng)域的低功耗通用處理器龍芯2K1000LA完成了改版芯片的功能和性能測試，并成功流片，目前正在開展用戶試用。龍芯2K1000LA內(nèi)核更新為基于龍芯自主指令系統(tǒng)架構(gòu)LoongArch的LA264，通過調(diào)整設(shè)計進(jìn)行了性能和功耗優(yōu)化。龍芯2K1000LA處理器的推出，標(biāo)志著繼2021下半年龍芯信息化業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向“龍架構(gòu)”LoongArch之后，龍芯工控業(yè)務(wù)也全面轉(zhuǎn)向LoongArch。
與x86和Arm不同，龍芯的LoongArch架構(gòu)采用的是自主研發(fā)的指令集IP，雖說早期是基于MIPS開發(fā)的，但經(jīng)過多年的迭代和研發(fā)，LoongArch已經(jīng)是自主可控的架構(gòu)了。
與龍芯相似，申威也是國產(chǎn)CPU的代表，其指令集架構(gòu)是自主定義的SW64，比較有代表性的處理器是申威SW26010。
與龍芯和申威的商業(yè)模式有所不同，其它幾家具有較強(qiáng)代表性的本土廠商飛騰、兆芯、海光和華為，采用購買IP授權(quán)的方式開發(fā)自家的CPU。
飛騰和華為主要基于Arm架構(gòu)，華為同時也在開發(fā)基于x86架構(gòu)的CPU，但由于近兩年受到非市場因素干擾和國際貿(mào)易限制，華為的x86架構(gòu)CPU業(yè)務(wù)很難繼續(xù)進(jìn)行下去，該公司將更多精力投入在Arm架構(gòu)CPU的開發(fā)上，代表產(chǎn)品是華為鯤鵬920。
另外，阿里也推出了Arm架構(gòu)處理器倚天710。
兆芯和海光則基于x86架構(gòu)開發(fā)CPU，相對而言，海光較為低調(diào)，兆芯的產(chǎn)品迭代消息更多一些。兆芯的x86技術(shù)來自于VIA（威盛），其代表產(chǎn)品是KH-3000和KX-6000系列，今年初，該公司宣布，2022年將推出基于全新自主架構(gòu)設(shè)計的服務(wù)器處理器和桌面處理器。
可見，中國本土CPU廠商發(fā)展路徑不同，各有優(yōu)勢和劣勢。在發(fā)展過程中，會遇到各種挑戰(zhàn)，不同類型的公司，面臨的困難也會存在差異。
EDA和IP困局當(dāng)前
對于芯片設(shè)計廠商來說，EDA工具是必不可少的，然而，目前的EDA市場主要由國際三巨頭把持，中國本土EDA廠商的技術(shù)實力和市場占有率都較小。當(dāng)前，Synopsys，Cadence和Mentor這三家EDA巨頭占據(jù)了全球幾乎70%以上的市場份額，中國近90%的市場也被它們把控。
天眼查顯示，中國本土EDA廠商數(shù)量約30家，成立時間主要集中在2010年之后。從企業(yè)注冊資本來看，注冊資本在1000萬元以下的企業(yè)占比為55.17%，1000萬-5000萬元的企業(yè)占比為20.69%，大于5000萬元的企業(yè)占比為24.14%。從人員規(guī)模來看，在有相關(guān)信息公布的企業(yè)中，有18家企業(yè)人員規(guī)模小于50人。
這樣的企業(yè)資金和人員規(guī)模，難以同國際大廠競爭。而在國際貿(mào)易受限的當(dāng)下，國產(chǎn)EDA工具的不足是一個潛在風(fēng)險，或許也正是因為如此，最近兩三年，本土新成立了多家EDA軟件公司，這在一定程度上似乎能滿足國際貿(mào)易受限后，芯片設(shè)計公司對EDA工具的部分需求，但從長遠(yuǎn)來看，難以形成市場規(guī)模和較高影響力的局面，依然無法從根本上解決問題。還是需要在做大做強(qiáng)層面不斷努力。
IP方面，以自研為主的本土CPU廠商或許將迎來更好的發(fā)展機(jī)遇，而依靠Arm、x86授權(quán)的廠商面臨的風(fēng)險將更大，特別是在國際貿(mào)易不斷受限的當(dāng)下和可預(yù)見未來，還需要不斷加快對指令集核心技術(shù)的消化吸收進(jìn)度，不斷提升自研分量。
芯片制造任重道遠(yuǎn)
在整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上，芯片制造是最為重要的一環(huán)，所有半導(dǎo)體設(shè)備、材料，以及相當(dāng)規(guī)模的EDA、IP，都是在為芯片制造服務(wù)，芯片設(shè)計水平再好，也必須通過制造環(huán)節(jié)得到實物產(chǎn)品，才能真正應(yīng)用于生產(chǎn)。
相對而言，中國大陸地區(qū)的芯片設(shè)計水平，與國際先進(jìn)設(shè)計水平的差距已經(jīng)不是很大了，但在芯片制造，以及與之緊密相關(guān)的半導(dǎo)體設(shè)備、材料領(lǐng)域，與國際先進(jìn)水平的差距較大，這也正是2014年國家半導(dǎo)體“大基金”推出后，分批次重點(diǎn)支持本土半導(dǎo)體制造，以及設(shè)備、材料項目建設(shè)的主要原因。
目前，中國大陸已經(jīng)形成一定規(guī)模和行業(yè)影響力的晶圓廠，主要包括中芯國際，華虹半導(dǎo)體，華潤微。然而，在先進(jìn)制程方面，能夠達(dá)到一定量產(chǎn)規(guī)模的還是14nm。14nm制程工藝在市場主流CPU，特別是手機(jī)和數(shù)據(jù)中心處理器方面，已經(jīng)不夠用了。要想生產(chǎn)7nm、5nm以及更先進(jìn)制程的芯片，必須將訂單交給大陸以外的晶圓代工廠。但在國際貿(mào)易不斷受限的當(dāng)下，這樣的代工生產(chǎn)局面是有風(fēng)險的。不僅僅是晶圓廠，大陸芯片制造廠必需的半導(dǎo)體設(shè)備和材料也受到進(jìn)口限制，這就加劇了風(fēng)險。
從最近一年本土CPU廠商公布的新產(chǎn)品來看，無論是自主研發(fā)指令集，還是購買Arm、x86授權(quán)的，都開始向10nm之后的先進(jìn)工藝進(jìn)發(fā)。
例如，申威剛發(fā)布SW26010處理器時，采用了臺積電的28nm制程，其最新處理器雖然還未正式公布，但據(jù)筆者獲悉，將會采用14nm工藝制造，目前，中國大陸本土廠商中，只有中芯國際具備14nm制程的量產(chǎn)能力，但是以生產(chǎn)手機(jī)芯片為主，若要生產(chǎn)更為復(fù)雜的CPU，難度會加大，量產(chǎn)能力還有待觀察。
另外，兆芯的KH-3000和KX-6000系列是2019年發(fā)布的，采用16nm工藝制造。根據(jù)該公司公布的CPU發(fā)展路線圖，KX-6000之后是KX-7000系列，將升級到7nm工藝，采用全新CPU微架構(gòu)。據(jù)兆芯總工王惟林介紹，KX-7000的性能目標(biāo)是達(dá)到同期AMD的水平，今年，AMD將推出采用臺積電5nm制程的Zen4處理器，以此推算，兆芯最新處理器制程工藝進(jìn)入10nm以下級別的可能性很大，無疑還將由臺積電或三星代工生產(chǎn)。
中國本土芯片制造廠商在制程工藝上的迭代進(jìn)度，與國際大廠相比還有很明顯的差距，再加上半導(dǎo)體設(shè)備與材料的制約，對本土CPU的發(fā)展而言，是存在隱患的。
生態(tài)建設(shè)勢在必行
CPU本身是一個復(fù)雜系統(tǒng)，生產(chǎn)出來就是一件很有難度的事情，需要IP，以及半導(dǎo)體設(shè)備和材料的支持，這是整個CPU生態(tài)系統(tǒng)非常重要的部分。然而，僅僅有CPU硬件產(chǎn)品只是開始，要想推廣開來，并被廣大客戶接受，其生態(tài)建設(shè)，特別是相關(guān)軟件生態(tài)建設(shè)非常重要。
1982年，日本NEC生產(chǎn)的PC用的是英特爾芯片，1985年換成了自研芯片，但1986年又換回了英特爾的。之所以如此，關(guān)鍵原因就是美國對日本實施了制裁，使得后者喪失了生態(tài)主導(dǎo)權(quán)。
當(dāng)下，全球CPU產(chǎn)業(yè)鏈被兩大生態(tài)系統(tǒng)把持：一是基于Windows+Intel的x86生態(tài)；二是基于Arm+Android的AA生態(tài)，Arm不僅在手機(jī)端，近些年在PC和服務(wù)器領(lǐng)域也開始構(gòu)建出生態(tài)雛形。
近兩年的國際貿(mào)易形勢，使得我國必須加快CPU自主生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，爭取在不遠(yuǎn)的將來有自主指令系統(tǒng)和國產(chǎn)操作系統(tǒng)，從而形成一套完整的生態(tài)體系。
在自主生態(tài)體系建設(shè)方面，除了已有的自主指令集之外，RISC-V也是一個不錯的選擇，它就像我國的能源戰(zhàn)略，要想保障未來的能源安全，現(xiàn)在就要大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。在CPU領(lǐng)域，發(fā)展RISC-V有類似的效果。
目前，國內(nèi)外多家廠商都在發(fā)力RISC-V，我國對RISC-V的追求熱度更是高漲，產(chǎn)學(xué)研各界都非常看好其發(fā)展，基于RISC-V的初創(chuàng)公司或創(chuàng)業(yè)項目層出不窮，其中以中科院最具代表性。
2021年6月，在首屆RISC-V中國峰會上，中科院公布了國產(chǎn)開源高性能RISC-V處理器“香山”。對此，中科院大學(xué)教授包云崗表示，要建立一個像Linux那樣的開源RISC-V核主線，既能被工業(yè)界廣泛應(yīng)用，又能支持學(xué)術(shù)界試驗創(chuàng)新想法。據(jù)悉，為了更好地支持Chisel開發(fā)與調(diào)試，該團(tuán)隊開發(fā)了十余款工具，支撐起一套處理器芯片敏捷開發(fā)流程。除了科研院所，也有企業(yè)參與香山處理器開發(fā)，目前，字節(jié)跳動等公司已經(jīng)加入其二期聯(lián)合開發(fā)合作伙伴隊伍。
輿論壓力如履薄冰
近些年，由于受到制裁、國際貿(mào)易限制的影響，作為中國本土半導(dǎo)體廠商中的重要組成部分，各家CPU企業(yè)在宣傳和輿論公關(guān)方面如履薄冰，都非常小心謹(jǐn)慎，生怕帶來不利影響。
筆者記得，在兩年前，曾經(jīng)報道過一家中國本土CPU廠商，該企業(yè)通過其官方微信公眾號發(fā)布了一則產(chǎn)品信息，當(dāng)然是非常積極正面的，筆者根據(jù)這則報道撰寫了一篇文章。然而，該文發(fā)出不久，就接到了該公司市場部門的郵件，希望能將該文撤下。該事件還很曲折，給筆者留下了很深的印象。
其實，類似事情在2018年前也時有發(fā)生，2019年以后，制裁陰影籠罩中國半導(dǎo)體業(yè)，對于更加敏感的CPU板塊，這樣的事情更是經(jīng)常發(fā)生。這充分體現(xiàn)出本土半導(dǎo)體業(yè)基礎(chǔ)的薄弱，禁不起國際貿(mào)易的風(fēng)吹雨打，同時也體現(xiàn)出廠商對產(chǎn)業(yè)發(fā)展缺乏“遠(yuǎn)見”，當(dāng)大風(fēng)雨到來之時，會有手忙腳亂的感覺。
今后的國際貿(mào)易局面大概率會按照現(xiàn)在的狀態(tài)持續(xù)下去，中國本土CPU廠商也必須加強(qiáng)適應(yīng)性。或許，等到它們對輿論不再像今天這么敏感之時，就是國產(chǎn)CPU真正騰飛之日。