CPU發(fā)展概述及國產化之路

李韶光 劉雷 郎金鵬 王建國

摘 ? 要：基于當前芯片技術封鎖及中國電子產品研發(fā)制造業(yè)如火如荼的大環(huán)境，文章對目前主流的CPU架構進行了整體概述，描述了X86架構和ARM架構下系列化產品的發(fā)展進程，并著重分析了國產化CPU的現(xiàn)狀及RISC-V架構的發(fā)展前景。

關鍵詞：芯片;CPU;ARM;國產化;RISC-V

中圖分類號： TP29 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Based on the current large environment that the chip technology is blockaded and the Chinese electronic product research and development manufacturing industry is booming， an overall overview is conducted on current mainstream CPU architectures in this paper， the development process of serial products under the X86 architecture and ARM architecture is emphatically described， and the current situation of localization CPUs and the development prospect of the RISC-V architecture are analyzed.

Key words： chip; CPU; ARM; localization; RISC-V

1 引言

2019年5月16日，總部位于英國的芯片設計公司ARM向外界宣布暫停與華為的一切業(yè)務往來。自此，拉開了以美國為首的各高科技公司暫停與華為公司業(yè)務往來的序幕。以此為標志，國內掀起了一波關于芯片自主可控的討論熱潮。

在禁售風波后，中國華為海思、紫光集團、阿里巴巴等國產公司紛紛積極快速地加入到芯片設計的行列中。基于當前芯片設計技術封鎖以及中國電子產品研發(fā)制造業(yè)如火如荼的大環(huán)境，國產芯片自主可控設計（芯片有很多種類，這里只討論CPU）呼之欲出。

2 CPU架構概述

2.1 主流CPU架構概述

首先介紹指令集，指令集是CPU的一種設計模式，通過該模式可使得操作系統(tǒng)和軟件在CPU上高效運行。目前CPU指令集分為精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set Computing）和復雜指令集CISC（Complex Instruction Set Computing）兩種。其次，經過幾十年的發(fā)展，全世界范圍內至今已誕生或消亡了幾十種不同的指令集架構，目前流行于世的CPU架構主要包括ARM、X86、MIPS、Power、ARC這幾種。其中，ARM、MIPS、Power、ARC均是基于RISC架構，X86則是基于CISC的架構。處理器應用領域主要分為服務器領域、PC計算機領域和嵌入式領域，X86架構的處理器占據(jù)了服務器和PC領域的壟斷地位， ARM架構處理器占據(jù)了嵌入式領域的絕大部分市場，而MIPS架構、POWER架構、ARC架構已不是市場主流的CPU架構，發(fā)展前景并不被看好，但也在相關特殊領域占有一定的市場份額。

2.2 X86和ARM架構發(fā)展進程

X86處理器架構由Intel提出，并于1978年發(fā)布了首款16位微處理器8086，開創(chuàng)了X86的時代。經過幾十年的發(fā)展，1993年Intel推出了第五代X86處理器-奔騰系列，也是第一款與數(shù)字無關的處理器。再后來，2006年酷睿處理器問世，相繼推出了I3、I5、I7和I9系列處理器，逐步成為了民用消費市場PC服務器領域的主要處理器。

ARM發(fā)展至今，處理器已經過了七、八次架構升級，使得相關產品性能更加穩(wěn)定成熟。其中，ARM架構中當前應用最為流行的當屬Cortex系列化產品。Cortex系列在以V6版架構的ARM11處理器之后被首次推出，并逐步站穩(wěn)了嵌入式應用的絕大部分市場。Cortex系列又細分為三大類：“A”系列面向尖端的基于虛擬內存的操作系統(tǒng)和用戶應用，可向超低成本手機、智能手機、移動計算平臺、數(shù)字電視、機頂盒、企業(yè)網絡、打印機和服務器提供解決方案;“R”系列針對實時系統(tǒng)，主要應用于硬盤控制器、消費電子設備（藍光播放器和媒體播放器）、車載控制產品（安全氣囊、制動系統(tǒng)和發(fā)動機管理）等領域;“M”系列針對低端、工業(yè)或消費電子領域的微控制器，主要產品是面向智能測量、人機接口設備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、大型家用電器、醫(yī)療器械等領域的MCU。

3 國產CPU發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國產CPU現(xiàn)狀

芯片作為一種大規(guī)模集成電路，已經廣泛應用于人類的日常生活當中，其種類很多，主要分為移動通信芯片、人工智能芯片、電腦芯片等。芯片的產業(yè)鏈較長，從設計出廠再到封裝成電子產品，主要包括芯片設計、生產、封裝這三個部分。芯片設計又主要包括軟件設計、指令集體系建立、芯片設計者三個部分，而生產主要包括設備制造和圓晶代工兩部分。

總體來說，我國CPU事業(yè)發(fā)展緩慢，無論是在軍事領域還是在民用商業(yè)領域，都與國外存在著較大的差距。在芯片封裝領域，由于技術含量不高、門檻較低，有很多公司在做;在芯片生產領域，設備制造方向荷蘭ASML公司處于壟斷地位，圓晶代工方向上海中芯國際等國產企業(yè)正逐步擴大本土市場的占有份額;在芯片設計領域，國外獨大，國內步履維艱，基本是在國外芯片設計公司IP或架構的授權下推出自己的CPU，但也有很多公司中途放棄。