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來源：張通社 zhangtongshe.com
主筆：強(qiáng)亞娟
編輯：和瀟然
Chiplet生逢其時(shí)，中國半導(dǎo)體企業(yè)如何借此破局？
“缺芯”無疑是近年來全球科技業(yè)最熱的詞匯。
從去年到今年，全球汽車、智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、工業(yè)甚至家電行業(yè)的缺芯潮，讓芯片，這個原本隱藏在手機(jī)、電腦、汽車等產(chǎn)品之下的部件走到了聚光燈下。
這其中，CPU作為最重要的數(shù)字芯片，被稱為半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域“塔尖”和“皇冠”產(chǎn)品，也是這場“缺芯潮”中的主角之一。
CPU即中央處理器，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心和大腦。作為運(yùn)算及控制中心，它向下調(diào)度硬件計(jì)算資源，向上承載軟件操作系統(tǒng)，是信息產(chǎn)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)的基石之一。
不過長期以來，全球CPU市場呈現(xiàn)寡頭壟斷格局，Intel和AMD幾乎占據(jù)了所有市場份額，我國CPU高度依賴進(jìn)口的局面至今未變。對國外處理器的過度依賴，成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大軟肋，常被比擬為“缺芯少魂”。
芯片全面缺貨的浪潮下，國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)是否迎來爆發(fā)機(jī)遇？又如何破解隱憂，走出一條自主可控之路？
01、史無前例的全球缺芯 國產(chǎn)CPU危中有機(jī)
前所未有的全球缺芯是多重因素疊加的結(jié)果。
首先是新冠疫情所導(dǎo)致的供需失衡。一方面，疫情期間，居家辦公、在線學(xué)習(xí)、消費(fèi)需求的宅經(jīng)濟(jì)，推動PC產(chǎn)業(yè)（包括臺式機(jī)、筆記本電腦和平板電腦）發(fā)展。PC從CPU、內(nèi)存、硬盤到電路板都對芯片存在極大需求。同時(shí)，5G和AI技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致5G射頻、PC端、指紋識別、汽車控制、傳感器等各種芯片需求暴漲。由于美國制裁中國半導(dǎo)體公司，導(dǎo)致一些上游廠商趕緊向芯片廠商下訂單，加大囤芯力度，以保證芯片庫存，使芯片需求市場更加緊張。
另一方面是跟不上的芯片產(chǎn)能。制造芯片是一個涉及多工序，長耗時(shí)的復(fù)雜過程，很難在短時(shí)間內(nèi)增加。而受疫情的影響，很多芯片供應(yīng)商不得不降低產(chǎn)能或關(guān)停工廠，進(jìn)一步加劇了芯片供需的失衡。
除了產(chǎn)能不足、上游原材料、供需兩端失衡外，包括日本地震、美國德州寒潮導(dǎo)致工廠斷電停工、印尼歐洲疫情反復(fù)、以及國際局勢變化等離散因素，都使全球“缺芯潮”雪上加霜。
在這場全球“缺芯”困局背后，國產(chǎn)替代的呼聲愈發(fā)高漲，而在缺“芯”問題中，CPU的研發(fā)成了最關(guān)鍵的門檻，被認(rèn)為是集成電路產(chǎn)業(yè)中的“珠穆朗瑪峰”。如果長期無法改變這種芯片依賴進(jìn)口的局面，我國很難在國際競爭中取得領(lǐng)先地位。
隨著市場需求的此消彼長，資本在集成電路產(chǎn)業(yè)的重心也逐漸有所轉(zhuǎn)移。尤其在數(shù)字經(jīng)濟(jì)的大背景下，對計(jì)算性能提出爆發(fā)式需求，各種創(chuàng)新的計(jì)算架構(gòu)層出不窮，CPU等傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)在應(yīng)用對計(jì)算能力的需求時(shí)開始遭遇瓶頸，大量資本涌入AI芯片、GPU、NPU、DPU等高算力芯片領(lǐng)域，像地平線、黑芝麻、寒武紀(jì)等公司均得到了業(yè)內(nèi)不少知名資本的支持。
算力架構(gòu)方面，異構(gòu)計(jì)算是2021年的熱點(diǎn)賽道，在云計(jì)算、人工智能等典型應(yīng)用中占比顯著提高?；贕PU/FPGA/ASIC等芯片的加速平臺提供了人工智能訓(xùn)練和推理需要的計(jì)算能力，云計(jì)算領(lǐng)域也嘗試探索DPU的應(yīng)用。
站在全球缺芯和大算力競爭的時(shí)代背景下，思考國產(chǎn)CPU企業(yè)是否還存在發(fā)展機(jī)遇，是關(guān)乎國產(chǎn)芯片生態(tài)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。
事實(shí)上，作為國家大宗戰(zhàn)略產(chǎn)品，CPU應(yīng)用面廣，支撐作用強(qiáng)，是國家戰(zhàn)略安全、產(chǎn)業(yè)安全的重要保障，也是近年來國家戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)政策一直聚焦的重點(diǎn)。“十五”期間，科技部信息產(chǎn)業(yè)部啟動了發(fā)展國產(chǎn) CPU 的“泰山計(jì)劃”，為國產(chǎn) CPU 的發(fā)展點(diǎn)燃了“星星之火”。
今年“東數(shù)西算”工程的全面啟動，也帶來了廣闊的數(shù)據(jù)中心市場增長空間。從數(shù)據(jù)的產(chǎn)生到數(shù)據(jù)的傳輸、計(jì)算、處理，都離不開CPU處理器，為CPU的發(fā)展帶來了重大的機(jī)遇。
行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，基于通用處理器的數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等新型算力網(wǎng)絡(luò)體系，將以每年20%的速度快速增長，并覆蓋金融、能源、網(wǎng)絡(luò)通信等行業(yè)。加上國家對網(wǎng)絡(luò)和信息安全的保障需求，我國高性能計(jì)算芯片將迎來爆發(fā)性的增長，尤其是服務(wù)處理器。
從市場端看，中國是目前全球最大CPU消費(fèi)市場，計(jì)算機(jī)的用戶基數(shù)十分龐大，迭代更新支撐起巨大的CPU需求。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2021年中國服務(wù)器出貨量為391.1萬臺，占全球出貨量的28.9%，是全球主要的服務(wù)器市場，同比增長率達(dá)12%，超過全球增速。
在大國博弈和科技強(qiáng)國背景之下，自主可控已然形成共識，CPU作為數(shù)字化時(shí)代的基石，國產(chǎn)化之路就是自由之路。在多重因素交織下，國產(chǎn)CPU廠商或迎來重大發(fā)展機(jī)遇。
02、歷經(jīng)坎坷 國產(chǎn)CPU逐步走上正軌
盡管我國CPU市場主要為海外巨頭占據(jù)，國內(nèi)CPU廠商起步較晚且處于劣勢。但十四五以來，國產(chǎn)CPU自主性的問題再度提上議程，產(chǎn)業(yè)政策不斷加碼。從泰山計(jì)劃、863計(jì)劃，到2006年“核高基”重大專項(xiàng)推出，加上國家集成電路產(chǎn)業(yè)政策和大基金投資等多重措施，國產(chǎn)CPU迎來了新一輪的國家支持。
經(jīng)歷數(shù)十年的艱辛探索后，目前國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，以龍芯、飛騰、鯤鵬、海光、兆芯、申威等為代表的國產(chǎn)CPU廠商崛起，征戰(zhàn)四方。
龍芯中科是國內(nèi)為數(shù)不多自研CPU及架構(gòu)的公司。深耕CPU二十載，公司研發(fā)的“龍芯”芯片系列是我國最早研制的通用處理器系列之一，已推出龍芯1號、龍芯2號系列和龍芯3號系列產(chǎn)品。在產(chǎn)品迭代和升級層面，龍芯中科于2020年推出了自主指令系統(tǒng) LoongArch（龍芯架構(gòu)），發(fā)布了基于此架構(gòu)的3A5000，性能大幅跨越，實(shí)現(xiàn)了從可用到好用。其新一代服務(wù)器處理器龍芯3C5000L3C5000系列處理器，其性能接近市場主流產(chǎn)品的水平。
飛騰是PK生態(tài)的主導(dǎo)者，由國防科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造，是聚焦國家戰(zhàn)略需求和重大項(xiàng)目的CPU國家隊(duì)。飛騰曾先后嘗試x86、Epic、SPARC、ARM四個指令集，并以SPARC開源代碼為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了FT-1000、FT-1000A、FT-1500等CPU。后出于生態(tài)考慮，飛騰獲得了ARM指令集授權(quán)，集成全自主處理器內(nèi)核，形成了覆蓋桌面、服務(wù)器和嵌入式等領(lǐng)域的完整產(chǎn)品線。
海光信息是性能領(lǐng)先的實(shí)干者。2016年，海光信息同AMD達(dá)成合作，共同合資成立兩家子公司，引入x86架構(gòu)授權(quán)，轉(zhuǎn)向CPU產(chǎn)品開發(fā)。目前海光技術(shù)已實(shí)現(xiàn)自主迭代， 其CPU 系列產(chǎn)品兼容 x86 指令集以及國際上主流操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，性能優(yōu)異，軟硬件生態(tài)豐富，得到了國內(nèi)用戶的高度認(rèn)可，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電信、金融、互聯(lián)網(wǎng)、交通等重要行業(yè)或領(lǐng)域。
兆芯是合資CPU的探路者，由上海市國資委下屬企業(yè)和中國臺灣威盛電子合資成立。公司基于x86架構(gòu)，成功研發(fā)并量產(chǎn)多代通用CPU，形成“開先”、“開勝”兩大產(chǎn)品系列，實(shí)現(xiàn)了“從雙核心到八核心”、“從1.6GHz到3.0GHz”、“從處理器+芯片組方案到SoC單芯片方案”等多方面的發(fā)展與創(chuàng)新，具備自主演進(jìn)發(fā)展的能力和條件。
鯤鵬則是快速崛起的領(lǐng)導(dǎo)者，是華為計(jì)算產(chǎn)業(yè)的主力芯片之一。鯤鵬CPU基于ARM V8架構(gòu)，處理器核、微架構(gòu)和芯片均由華為自主研發(fā)設(shè)計(jì)。市場上目前存在超過500萬基于ARM指令集的安卓應(yīng)用，與ARM服務(wù)器天然兼容，無需移植即可直接運(yùn)行，且運(yùn)行過程中無指令翻譯環(huán)節(jié)，性能無損失，相比x86異構(gòu)最高能夠提升3倍性能。
CPU國產(chǎn)化大潮起，通過多年的耕耘，國產(chǎn)CPU廠商奮楫前行，在工藝、性能、生態(tài)建設(shè)等多個層面不斷取得突破，為CPU的自主可控、安全可信構(gòu)筑了堡壘。但在地緣政治及產(chǎn)業(yè)巨變之際，國內(nèi)CPU發(fā)展的隱憂也浮出水面。
首先芯片設(shè)計(jì)上游的指令集架構(gòu)、IP無疑是重中之重，是實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)CPU自主可控的基石。目前，國內(nèi)CPU廠商主要有三大路線，采用核心不同，卻各有各的“難處”。一是IP內(nèi)核授權(quán)，即以海光、兆芯為代表獲得x86的授權(quán)。從x86內(nèi)核授權(quán)來看，雖然生態(tài)完善，但存在安全可控和技術(shù)授權(quán)壁壘，比如中科天津海光自去年被美國列入實(shí)體清單后，AMD表示最新的架構(gòu)將不再進(jìn)行授權(quán)。二是以飛騰和華為鯤鵬為代表基于ARM指令集授權(quán)的架構(gòu)，但同樣存在潛在停止授權(quán)的威脅，去年ARM宣布停止向華為授權(quán)；三是以龍芯中科和申威為代表的指令集+自研的架構(gòu)，自主可控程度最高，但構(gòu)成生態(tài)極為困難。
其次是CPU應(yīng)用中的一系列難題。無論是傳統(tǒng)型封裝、先進(jìn)封裝還是PCB板級，CPU在設(shè)計(jì)時(shí)都會存在信號完整性、電源完整性的問題。在CPU研發(fā)進(jìn)程中，急需一種快速的方法，檢查芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的信號完整性、電源完整性問題，從而提高CPU芯片的設(shè)計(jì)迭代和投產(chǎn)效率。
此外還面臨供應(yīng)鏈安全上的挑戰(zhàn)。CPU是美國打壓中國科技發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，目前兆芯、海光、飛騰、鯤鵬和申威五家國產(chǎn)CPU企業(yè)已被列入“實(shí)體清單”，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，芯片仿真設(shè)計(jì)軟件的核心技術(shù)也被美國企業(yè)壟斷。這對其與上游EDA廠商和下游芯片流片廠商的合作帶來巨大障礙，更小線程和更先進(jìn)水平的CPU設(shè)計(jì)將遇到工具瓶頸。
03、新架構(gòu)“登堂入室” 國產(chǎn)CPU如何全方位進(jìn)階
一言以蔽之，當(dāng)前國產(chǎn)CPU發(fā)展要并舉兼顧自主可控的設(shè)計(jì)與生態(tài)的完善。
CPU作為一種特殊的芯片，要求指令集架構(gòu)具有普世的通用性且能夠共享生態(tài)系統(tǒng)。目前，國內(nèi)CPU廠商已經(jīng)投入在x86、ARM、POWER、MIPS等不同處理器架構(gòu)的研發(fā)之中，但絕大多數(shù)指令集架構(gòu)受制于國外公司，分散的態(tài)勢嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)合力發(fā)展和軟生態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。
直到開放指令集架構(gòu)RISC-V的出現(xiàn)，為我國CPU領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新帶來了一個前所未有的機(jī)會。與當(dāng)前市場上主流CPU架構(gòu)相比，RISC-V的獨(dú)特“魅力”在于它兼具開放性、先進(jìn)性、簡潔性、模塊化、擴(kuò)展性五大特點(diǎn)，完美契合DSA設(shè)計(jì)與應(yīng)用定義芯片的要求，也沒有歷史包袱。任何硬件開發(fā)商或者相關(guān)組織都可以免費(fèi)使用這套規(guī)范，構(gòu)建 CPU 芯片產(chǎn)品。
其次，國產(chǎn)CPU IP在IP產(chǎn)業(yè)中超過57%，但國產(chǎn)率幾乎為零。從市場趨勢看，如今對IP的單一需求已經(jīng)轉(zhuǎn)換成對整體解決方案的需求，不同于傳統(tǒng)指令集架構(gòu)的高度中心化，RISC-V CPU調(diào)和了基礎(chǔ)軟件生態(tài)普世性和國產(chǎn)自主可控的宏觀需求，足以填補(bǔ)CPU IP國產(chǎn)化的空白。
2018年7月，上海將 RISC-V 列入政府扶持對象，為國內(nèi)首例。此后國內(nèi)越來越多的企業(yè)用實(shí)際行動推動著RISC-V在國內(nèi)的落地生根。例如芯來科技是國內(nèi)首家專業(yè)RISC-V處理器IP和芯片解決方案公司，其自主研發(fā)的RISC-V處理器IP已經(jīng)授權(quán)給多家知名芯片公司進(jìn)行量產(chǎn)，實(shí)測結(jié)果更是達(dá)到了業(yè)界一流指標(biāo)。
蓬勃興起的開源RISC-V架構(gòu)為我國發(fā)展主流CPU帶來了機(jī)遇，但不能盲目樂觀，開源芯片還處于起步階段，仍然面臨諸多難題。CPU要實(shí)現(xiàn)自主可控，必然會在多核設(shè)計(jì)、高速接口、先進(jìn)制程與封裝工藝方向演進(jìn)，這其中離不開EDA（電子設(shè)計(jì)自動化）工具的輔助。
當(dāng)下，國內(nèi)EDA領(lǐng)先企業(yè)芯和半導(dǎo)體針對CPU應(yīng)用中的封裝以及PCB的SI/PI提供了完整的解決方案，其Hermes 3D、Hermes PSI可以進(jìn)行信號完整性、電源完整性的分析；Metis工具可以幫助工程師進(jìn)行先進(jìn)封裝的仿真。同時(shí)它們也都支持PCB板級的協(xié)同仿真，可以很好的從根本上解決CPU應(yīng)用中的仿真難題。
瞬曜EDA作為國產(chǎn)EDA生力軍之一，也在積極探索并攻克各類繁冗復(fù)雜的數(shù)字芯片驗(yàn)證挑戰(zhàn)，加速大規(guī)模多核 CPU 設(shè)計(jì)驗(yàn)證?；诤粚?shí)的產(chǎn)品技術(shù)和客戶服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，公司自主研發(fā)出了高速仿真器ShunSim，相較于市場主流傳統(tǒng)仿真器，可以在RTL早期，實(shí)現(xiàn)高出10-100倍的仿真能力。
值得一提的是，ShunSim在最近的RISC-V實(shí)測用例中再次刷新記錄，相較于傳統(tǒng)主流軟件仿真器高出近100倍仿真能力，非常適合CPU類型設(shè)計(jì)。
例如在中科院香山RISC-V項(xiàng)目中，ShunSim測試用例運(yùn)行時(shí)間僅需要37秒，而傳統(tǒng)仿真器則需要一小時(shí)；某頭部IC設(shè)計(jì)公司的CPU測試用例運(yùn)行時(shí)間更是從7天縮短到3小時(shí)。
除了速度之外，和工具配套使用的驗(yàn)證IP也要全面。瞬曜EDA技術(shù)團(tuán)隊(duì)很早就布局在AMBA、PClE及Memory等面向CPU系統(tǒng)通信接口協(xié)議的驗(yàn)證方案，亦支持包括ShunSim在內(nèi)的多款軟硬件仿真器之間實(shí)現(xiàn)跨平臺復(fù)用。如此，瞬曜EDA構(gòu)建整套芯片系統(tǒng)級驗(yàn)證解決方案，推動軟件開發(fā)和驗(yàn)證的進(jìn)一步左移，加速國產(chǎn)CPU的IP誕生。
國產(chǎn)CPU要填補(bǔ)“缺芯少魂”命門，最根本的就是走自主可控的發(fā)展道路，這不僅是CPU自身的事情，重要的是整個產(chǎn)業(yè)的“堅(jiān)底強(qiáng)鏈”，即除了芯片設(shè)計(jì)、制造核心能力要不斷加強(qiáng)之外，整機(jī)、軟件、工具、設(shè)備、應(yīng)用各個環(huán)節(jié)協(xié)同發(fā)展，持續(xù)深耕應(yīng)用場景，才能形成一個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的健康生態(tài)，國產(chǎn)CPU的成功才是水到渠成、可持續(xù)的。
破除中國“缺芯”之殤是一場漫長的持久戰(zhàn)，如今我國芯片產(chǎn)業(yè)與世界一線水平仍存在著一定的差距，國內(nèi)CPU廠商要在重圍中殺出一條“芯”路，仍需堅(jiān)持久久為功。期望在國際環(huán)境、產(chǎn)業(yè)政策、市場需求的聯(lián)合驅(qū)動下，能看到一批走出國門、屹立世界的國產(chǎn)CPU企業(yè)。
