中国本土CPU技术路线与战略取向分析

CPU是电子信息产品的核心，是半导体产业技术最密集、最具战略价值的产品，也是一个国家技术实力的象征。基于安全与市场利益的考虑，欧美、日、韩等集成电路强国一直致力于本国CPU的设计与研制。中国作为一个大国，发展具有自主知识产权的国产CPU是提高信息产业自主创新能力、转变经济增长方式的重要抓手和着力点。我国作为世界的重要一极，经济发展和国家安全客观要求必须发展自主可控的CPU产品和相关生态系统。

一、    我国发展CPU的国际形势

我国是CPU发展后进国家，发展自主可控的CPU面临错综复杂的国际形势，认清形势，选准方向是谋求CPU发展的重要前提。

1、    竞争形势

在全球通用CPU市场，呈现两家竞争、一家独大的局面。通用CPU的代表产品是Intel、AMD的x86处理器，主要应用于PC和服务器。在服务器领域，Intel占据了超过60％的市场份额，高端高可靠服务器主要由IBM占据。在PC领域，Intel和AMD两家占领了99％的市场份额，其中Intel一家的市场占有率在80％左右。在PC市场，Intel凭借Wintel联盟和多年营造的生态系统独霸市场，近十年来鲜有企业挑战Intel霸主地位成功。Power是另一种架构的通用处理器，但市场份额有限，逐渐式微，已基本退出PC市场，目前在网络、服务器和工业控制领域尚有一席之地。

在嵌入式CPU市场，呈现百家争鸣，日趋集中的局面。嵌入式CPU是用作SOC芯片处理器的IP核。当前国际主流嵌入式CPU以ARM、MIPS为典型代表。嵌入式CPU在移动通信终端、消费类电子、数字电视、工业控制和汽车电子等领域应用广泛。2009年基于ARM核的芯片出货量达到40亿颗，这些芯片占全球手机基带芯片95％，数码摄像机的70％。MIPS在1999年进入高性能嵌入式CPU市场领域，2009年基于MIPS架构的芯片出货约为5亿颗，主要应用领域为数字电视领域，市场占有率约为80％。

从竞争形势看，嵌入式CPU市场给我国留有更多的发展空间。从2000年到2009年，全球的集成电路消费市场在计算机领域下降了15％，而在消费电子、通信&网络、汽车电子等嵌入式领域增长了15％，从统计数据及主要企业的发展战略看，全球集成电路的消费已从计算机消费为主进入嵌入式产品驱动的后PC时代，这是嵌入式CPU崛起的市场基础。另外，嵌入式CPU应用领域的终端产品大多采用开放式架构，即芯片和OS软件都有多家供应商在竞争，尚未出现类似PC市场上的Wintel绑定所形成的垄断局面。

2、    合作形势

全球CPU企业主要有两种业务模式：一种是直接销售芯片；一种是内核授权或架构授权。前者以通用CPU企业Intel和AMD为代表，后者以嵌入式CPU供应商ARM和MIPS为代表。

嵌入式CPU供应商一般不直接生产和销售芯片，而是采用一种把CPU设计或者架构作为知识产权（Intellectual Property，IP）授权给系统芯片（System-on-Chip，SoC）设计企业，并从中收取相应版税的商业模式。例如，ARM授权CPU核心架构给苹果，再由苹果的工程师开发出适合苹果产品的系统芯片，然后在韩国三星的半导体工厂里制造，最后在中国深圳富士康的工厂里组装进iPhone和iPad，并销往全球各地。苹果每卖出一台iPhone或者iPad，ARM从中收取几美分的版权费用。这是完全有别于 Intel销售芯片产品的一种商业模式。

嵌入式CPU厂商对芯片设计企业的授权方式又可以分为三种，即硬核、软核和架构授权（architecture license）。

硬核IP是指基于特定代工线的工艺库生成的设计物理版图，在频率、功耗、面积等方面都作了充分的优化，有着较完整的预知性。硬核IP的灵活性和可移植性都较差。只能使用指定的代工厂和工艺，速度、功耗、面积等参数俱已不可改动，目前模拟IP更多的是以硬核出现。

软核IP一般是指可综合的电路设计，由于不涉及具体的物理实现，因此有着很好的灵活性，其性能参数在一定范围内可以进行调整。但同时也存在着性能上（比如时序、面积、功耗等方面）的不可预知性的弱点，需要SoC设计企业有着较强的后端设计能力。

架构授权又可称为指令集授权，指允许用户自行定义和设计CPU，但是指令集格式兼容。架构授权模式下嵌入式CPU供应商其实不需要向用户提供任何技术（不过通常情况下会提供一些文档和测试程序供用户使用），只是一纸授权协议。具体客户的CPU设计水平如何，由用户自己的技术能力决定。目前MIPS对龙芯的授权就是此种方式。龙芯在MIPS原有的近300条指令基础上新增了500多条指令，主要包括虚拟机指令、向量指令、数字信号处理指令、媒体指令等。已经得到MIPS认可，可以把龙芯处理器支持的指令系统称为“MIPS兼容”的“龙芯指令系统”。架构授权跟软核授权是完全不同的，软核授权的最大好处是工艺和foundry可以自己移植，但是除了几个配置选项（如cache的大小通常可配）不允许做任何设计改动——改动软核只有拥有架构授权的权利才可以。架构授权从CPU规格定义开始就可以自己掌控，可以根据自己需求设计最合适的处理器。在规格、研发计划和产品路线图上都由自己决定。

从合作形势看，和采取架构授权业务模式的国外企业合作更有助于我国自主可控CPU的发展。

3、    发展形势

当前全球CPU的发展呈现融合互动、综合竞争、跨越创新的特点。广泛在通用市场使用的X86 CPU向嵌入式领域进军，而在嵌入式领域应用的ARM CPU则向桌面、服务器领域延伸；CPU的竞争已不单纯是CPU自身的竞争，更多的体现在适配的OS等产业生态系统的竞争上；芯片加工工艺的进步使得CPU在性能、成本、功耗等多因素的综合推动下，新架构、新理念、新形态CPU不断涌现。从发展形势看，发展自主可控的CPU应综合考虑产业生态系统的建设。同时，也要惕ARM和Android在移动互联等嵌入式领域形成新的垄断。

ARM自己会辩解授权模式不会产生垄断，但是任何“买－卖”关系中一旦出现卖方市场，追求垄断利润是无可避免的，如果一个CEO说他不准备这么做，那么这个CEO会被解雇，这是不以个人意愿为转移的经济规律。现在缺乏此类第三方的冷静思考，特别是针对国内行业的思考。世界上的强势芯片公司如高通、苹果，也许永远能对ARM保持强势谈判地位，但是对国内公司来说，因为只能跟风而缺乏备选方案，被垄断的苗头已经出现。每一种新兴事物、或力量、或阵营兴起之时，必定是机遇和挑战并存的，最后总是会形成新的既得利益集团和失败群体。现在的移动互联浪潮也如此。从国内行业的角度来看，我们只看到了移动互联的美好前景和迅猛发展，以及Wintel的衰落；但是没太多危机考虑，比如我们是不是会又一次在下一个5－10年成为简单的消费市场提供者，而不能扮演市场的搏击者？这是很有可能的。至少从CPU和OS角度看，有了ARM和Android的进入，下一步很可能是两家隐形结盟，即表面上Android支持多种架构的CPU,但只针对ARM核进行优化设计。如果此种预言成真，国产CPU和OS发展将面临十分不利的局面，又很可能会耽搁数年。

二、  我国CPU发展现状与问题分析 

1、国产CPU主要研制单位 

（1）高性能通用CPU（“大CPU”，主要应用于高性能计算及服务器等）

主要研发单位：中国科学院计算所、北大众志、国防科技大学

（2）安全适用计算机用CPU（“中CPU”，主要应用于桌面及笔记本电脑等）

主要研发单位：中国科学院计算所、北大众志

（3）嵌入式CPU（“小CPU”，主要应用于移动通信终端、消费类电子、数字电视、工业控制和汽车电子等领域）

主要研发单位：浙江大学、清华大学、苏州国芯、杭州中天、北京君正

2、国产CPU技术源头与发展模式 

（1）完全自主（全新自主指令系统）CPU

优势：完全自主的CPU在指令集上不同外界兼容。从国家发展的角度看，指令集完全自主可控是最安全的。

劣势：缺乏OS支持、开发工具链（编译器、调试器等）匮乏、应用程序的开发和移植难度和工作量大。

①北大众志—Unicore

UniCore是由北大众志自主开发的一套全新指令集，与其他主流指令集不兼容，它已作为一种独立的体系结构，在GNU社区系统软件开发规范中注册，编号为“110”。北大众志在拥有全新自主指令系统Unicore的同时还获得了X86指令架构授权。

②苏州国芯、杭州中天、浙江大学--C*Core

C*Core是以Motorola赠送给中国的M*CORE为技术起点，由浙江大学、苏州国芯、杭州中天三家共同设计及产业化的具有完全自主知识产权的国产嵌入式CPU。在2010年9月，出于争夺汽车电子、网络通信、物联网等热点市场的考虑，苏州国芯取得了IBM转移的PowerPC指令架构授权，并与国内芯片企业深入交流，针对战略新兴市场，开发完全兼容PowerPC架构的CPU IP。C*Core研发团队在努力追赶国际领先嵌入式CPU技术的同时，也选择了兼容合作的发展道路，力图在自己并不擅长的热点应用领域有所突破。另外，两种完全不同的体系架构或许可以取长补短、相互融合，走出一条全新的国产CPU发展模式。

（2）“兼容国际主流、自主指令系统”CPU（简称“兼容CPU”）：

优点：拥有架构授权可以自己按需定义规格，并按自己日程进行开发、交付和使用，一次架构授权费涵盖全部的应用定义。生态环境比较健全。

缺点：对处理器设计水平要求较高，长期技术演进路线受架构的制约。

①中国科学院计算所--龙芯系列

MIPS兼容，2009年6月获得MIPS32与MIPS64架构的授权。龙芯1号CPU及其IP面向嵌入式应用，龙芯2号CPU及其IP面向高端嵌入式和桌面应用，龙芯3号多核CPU面向服务器和高性能机应用。

②国防科技大学—FT

SPARC兼容，SPARC架构是开放的，任何机构或个人均可研究或开发基于SPARC架构的产品。主要面向国家战略和重大军事应用中的高性能计算应用需求。

③北京君正—Xburst

MIPS兼容，2011年1月获得MIPS32架构授权。主要面向消费电子、教育电子、移动互联网终端等移动便携设备和其他嵌入式应用。

3、国产CPU发展面临的问题 

首先，CPU整体性能上还有待提高。在设计能力上不可否认国内的CPU企业和研发机构与国际领先水平还有不小的差距。目前国产CPU在芯片设计方面的主要困难在于后端生产、封装、测试等环节仍受制于外协（流片代工厂、封装、测试厂商等），导致生产进度与效率较低。国产CPU在主频方面与主流处理器仍有较大差距。目前国产CPU的典型工作频率是1GHz，而Intel和AMD主流处理器主频超过3GHz，IBM Power7处理器的频率超过4GHz。主频的差距导致国产CPU单核性能与国际主流处理器的单核性能有较大差距。主频差距主要来自采用半导体工艺生产线、工艺与CPU设计的结合等。国产CPU多在TSMC和SIMC生产，采用代工工艺。而国际主流CPU，如Intel、IBM等都采用自己的标准CPU工艺，便于物理优化。

其次，生态系统建设难以取得突破。众所周知，CPU的竞争绝不仅是CPU本身的竞争，而更多的体现在生态系统的竞争。国际主流处理器（如Intel、AMD、ARM）经过几十年的发展，已经建立了成熟的产业环境。例如，以Wintel联盟举例，Intel提供处理器芯片，微软提供操作系统，HP、DELL等提供基于Intel CPU的产品，很多应用厂商基于“Wintel”平台开发应用。而相比之下，国产CPU起步较晚，研制历史只有10年左右，性能尚显不足，软件及整机企业对国产CPU还存在诸多质疑，真正走向市场的时间还不长，生态系统建设困难重重。

最后，产业化进程举步维艰。产业化问题是困扰国产CPU的最大难题。产业化方面的困难主要在于产业环境仍不够强壮，由于国际主流CPU厂商已经造成了市场上的事实垄断，并设置了较高的技术与市场壁垒，国产CPU与产业链合作伙伴绑定不够紧密，导致某种程度上与国产CPU相关的产品研发与市场推广工作仍主要由CPU企事业单位自身为主。国产CPU产业化是一个漫长而艰苦的过程，每一步都要走稳，走扎实，而不应急于求成。要从一些垄断程度较低的特殊领域入手，和用户共同提高产品性能和服务质量，树立国产CPU在国人心目中的良好形象，逐渐扩展到其他领域，实现大规模产业化。

三、国际主流CPU厂商发展战略及对我国的影响 

1、CPU企业商业模式与发展战略

（1）  Intel为代表的IDM模式 

在国际主流CPU厂商中，Intel仍然在坚持自主设计、自主制造、自主封装和测试、自主销售和推广的传统IDM模式。这种模式的好处是从设计到销售的整个链条由Intel自己控制，在技术上使设计和制造互相融合、互相促进、不断优化，发挥出先进制造工艺的最大潜力。在商业上，由于Intel在桌面通用处理器市场已经形成垄断优势，IDM模式能够将利益最大化。

Intel能够继续采用这种模式源于其超强的资金、技术、市场推广实力，以及围绕x86处理器形成的庞大生态系统。Intel每年的研发投入高达100亿美元，在制造工厂上的投入是50亿美元，平均每两年推出一个新的处理器架构，每两年将工艺升级一次，如此高的投入使得其他半导体公司难以仿效这种模式。

（2）  IP和架构授权的Chipless模式

成立于1990年的ARM公司首创了chipless模式，既不设计也不生产芯片，而是向半导体公司提供CPU、物理单元库等IP核，以及培训、设计服务等，用成熟稳定的IP核帮助芯片设计公司缩短产品的研发和生产周期。另一家嵌入式CPU厂商MIPS也是同样的商业模式，但产品线和营业规模比ARM要小得多。

Chipless模式能够成功的主要原因是研发新的32位或64位CPU需要巨额投资，如IBM开发Power7的投资达到32亿美元，ARM每年的研发投入也达到1亿美元以上。但市场竞争日趋激烈，产品生命周期不断缩短，IC设计企业一方面无力承担研发CPU的高昂成本，另一方面新CPU的生态系统需要漫长的培育期，风险也非常高。CPU IP核授权模式大大降低了芯片设计企业的研发成本和风险，通过利用商用CPU的成熟生态系统快速进入市场，提高产品竞争力，因此大多数IC设计企业都在采用ARM或MIPS CPU核设计SoC产品。

2、国际范围内架构授权的现状 

目前，获得ARM架构授权的企业有Qualcomm、Marvell和微软等公司。这些公司获得架构授权的途径和目的各不相同。Qualcomm通过正式的合约获得ARM的架构授权，Marvell从Intel手中购买了Xscale业务部及相应的ARM架构授权，这两家公司设计的芯片向整机和系统厂商销售。微软在2010年10月刚刚获得架构授权，目的是开发支持ARM处理器的Windows操作系统，并针对ARM处理器进行优化。

获得MIPS架构授权的国外企业有Broadcom、Cavium、Netlogic、Renesas、PMC-Serria等。国内企事业单位中，龙芯获得32位和64位的架构授权，君正获得32位架构授权，这两家企业是在已经通过正向设计完成CPU的设计后，为避免产业化过程中的专利纠纷向MIPS购买架构授权，二者均具有独立设计CPU的能力。获得MIPS软核授权的国内企业有海尔、中兴、海思、国民技术、炬力等，还有几家未公开。

目前，获得Power架构授权的企业有Freescale、Tundra Semiconductor（被IDT收购）、Applied Micro Circuits Corporation（AMCC）、HCL Enterprise、Culturecom、P.A. Semi（被Apple收购）、Xilinx、Microsoft（Xbox360游戏机处理器）、Rapport、Sony（基于Power架构开发PlayStation3游戏机处理器）、Nintendo（任天堂，开发Wii游戏机处理器）、Honeywell、Toshiba和Cray（用于超级计算机）。

获得Intel x86指令集架构授权的企业有AMD、VIA等。在PC发展的早期，IBM为了确保稳定的供货来源，要求Intel将x86架构授权给AMD，以此避免受到Intel的钳制，AMD因此获得x86架构授权。VIA通过收购Cyrix和IDT的处理器部门获得开发x86处理器的权利，但Cyrix和IDT并没有购买Intel的x86指令集授权。Intel最初试图通过打官司达到阻止Cyrix开发兼容x86指令集处理器的目的，经过漫长的法律诉讼，Cyrix最终与Intel达成庭外和解，通过专利互换的方式获得开发x86处理器的权利。2005年，北京大学通过AMD的技术转让获得了x86指令集架构授权。

通过以上分析可以看出，获得CPU架构授权的方式有多种。向CPU指令集的拥有者购买架构授权是最直接的方式，这种方式的好处是能够避免专利纠纷，但对芯片设计企业的技术实力、资金实力、谈判实力有很高的要求，而且主动权掌握在指令集的拥有者手中。收购已经获得架构授权的企业是另一种方式，但出现的机会是很不确定的，而且还面临国外审查等法律障碍。如仿效Cyrix直接设计兼容x86指令集的处理器，虽然可能通过专利交叉授权间接获得CPU架构授权，但必然面临繁琐冗长的法律诉讼，尤其是在其他国家频频以知识产权保护为由对我国施压的情况下，这种方式的风险是相当高的。

3、我国CPU企业获得架构授权的现状及可能性分析

MIPS对国外企业的架构授权较多，对中国企业进行架构授权在商业上没有多少障碍。龙芯和君正已经正向设计出兼容MIPS指令集的CPU，符合架构授权对技术能力的要求。2009年6月，龙芯购买了MIPS32和MIPS64的架构授权。2011年1月，君正正式购买了MIPS的架构授权。

2010年9月，苏州国芯取得了IBM的PowerPC架构和指令技术授权，可以开发与PowerPC指令集兼容的处理器。IBM出于扩大Power阵营的目的，有可能通过战略合作、技术转让等形式，将PowerPC架构转让给更多的中国企业。

目前，还没有国内企业正式获得ARM架构授权。ARM选择Qualcomm、Marvell和微软做为架构授权对象的目的是借助这些巨头进入更广阔的应用领域。我国芯片设计企业在CPU和SoC设计上缺乏领先的独家技术和足够的市场影响力，处于不对等的不利地位，获得ARM架构授权的难度和代价会非常大。

4、对国产CPU发展的影响

购买商用CPU的架构授权是充分利用已有的生态系统，加快发展国产CPU，实现自主可控的有效途径之一。通过“引进，消化，吸收，再创新”，充分利用国外企业已有的技术积累，能够有效缩短与发达国家的技术差距，利用成熟CPU的生态系统加快产品的研发进度，降低风险和成本。但这种方式也不可避免地受到原CPU指令集架构的制约和限制，架构的主导权和发展方向也不在我国企业的掌控当中。如果不能对外进行Sub-License，架构授权的好处仅限于企业内部，对国产CPU的整体发展帮助不大，无法实现替代国外CPU的目标。

四、我国发展CPU的技术路线与战略取向 

1、技术路线 

（1）“国际兼容，自主可控”是我国发展CPU的可行途径。国际兼容是指获得指令集的架构授权，可利用成熟商用CPU的生态系统；自主可控是指CPU内核完全自主设计、自主掌控。

（2）“指令包含，扩展创新”是过渡到完全自主的发展策略。现阶段可以策略性的发展包含国际主流架构的自主指令集作为过渡。即在自己指令集基础上，完整地包含另外一个主流架构的指令集。

（3）积极争取ARM架构授权。目前我国CPU企事业单位已经获得了X86、MIPS和PowerPC架构的授权，相关兼容产品已经或正在实现产业化应用，证明我国企业获得这三种CPU的架构授权在技术和商业操作上是可行的。但是唯一没有获得的是最有前途希望的未来可能成为主流CPU 架构ARM的授权。ARM架构的生态系统更加完善，我国企业在ARM处理器的应用开发上取得了大量成果，因此取得ARM CPU的架构授权是较为理想的方案，应成为下一步积极争取的重点。

（4）加强对前瞻性技术的研究与开发，跟踪具有突破性、颠覆性的新的处理器设计理论、方法和技术，并适时给予支持，抢占新一代技术制高点和发展先机。

2、战略取向 

现阶段在主要的商业化领域（桌面CPU及嵌入式CPU）坚持走国际兼容路线，在关系到国家安全和国家利益的特殊领域（高性能计算及服务器应用）进行完全自主CPU的研发和相关生态系统建设；并大力发展自主指令集，抢占未来先机，最终实现CPU的全面国产化和国际化是我国发展CPU的战略取向。

3、发展建议

在发展策略上坚持“抓两头，带中间”，争取在未来3-5年内在高性能通用CPU和嵌入式CPU的研制和产业化方面率先取得突破，通过技术积累和市场培育蕴积力量，抓住产业变革契机，适时推动计算机用CPU实现大发展。具体建议如下

（1）在推进两化融合和信息化建设中出台CPU国产化支持政策

在目前国产CPU已经基本可用的情况下，未来2-3年是国产CPU突破产业化瓶颈的关键期，建议应从安全自主可控的角度，从军队信息化、办公、以及国家关键应用行业（公安、电力、通信、金融、教育等）市场入手，在推进两化深度融合和信息化建设中，进一步明确政策导向（如建立安全标准等级，对高安全等级的强制采用全国产一体化系统，从而为国产CPU的应用明确细分市场），由此可迅速带动国产CPU产业链的形成，促进下游厂商专注于国产CPU产品的研发，形成有利于国产系统发展的市场竞争格局。

（2）围绕国产CPU生态系统建设，增设国家重大专项课题

建议国家重大专项以行业应用和市场需求带动，设立由整机厂商牵头，软硬件厂商共同参与的课题专门支持国产CPU的应用推广。从横向拓展变为纵向整合，并在相关行业给予明确的市场与政策支持，从而在我国关键行业建立完备的国产CPU生态系统。

（3）  在战略性新兴产业中为国产CPU寻找应用切入点

云计算、物联网等战略性新兴产业和应用模式为国产CPU带来了新的市场机会。国产“大CPU”具备低功耗、高密度、性能适中、IO吞吐量高、安全等特点，正好适合于云计算与云存储类应用，并且基于Linux的云服务器平台使得国产CPU的应用兼容性问题得到了很好的解决。建议从安全自主可控的角度入手，为云计算中心的安全等级制定标准，为国产CPU寻找适合的应用切入点，从而使国产CPU在云计算等领域抓住市场机会，实现产业突破。

（4）通过制定法律法规，保护国产CPU自主知识产权、促进国产CPU产业化发展

由于我国是CPU领域的后进国家，过去在知识产权方面处处碰壁，处于十分被动的地位。而随着我国CPU核心技术的快速发展，自主创新能力的不断提高，急需围绕自主创新来制定一套完整的法律法规，保护国产CPU自主知识产权，并促进国产CPU的产业化发展。该法规体系应包括自主知识产权的保护，技术标准的推广应用，围绕采购自主创新的产品，以及企业实行自主创新工作给予的优惠政策等。以法律形式对自主创新的相关内容加以规定，依法保障和促进国产CPU的产业化进程，将是国产CPU迅速走上良性发展道路的重要手段。

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