赛迪 架构师技术联盟
本文来自“重磅报告：2024-2026年中国信创硬件产业发展建议报告”，信创产业的生态体系主要由基础硬件、基础App、应用App和信息安全四部分构成。
第一节 CPU 主要架构路线
一、CPU 指令集架构分类
CPU 内核的基础是指令集和微架构，指令集确定了 CPU 的工作方式及与之相适配的硬件架构（微架构）。按照指令集的复杂程度可以分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两大类。
复杂指令集（CISC）：一条指令完成一个复杂的基本功能。单条指令功能强，指令类型丰富完善，编译后指令数量较少，通用场景下性能具有优势，以 x86 架构为代表，主要用于桌面 PC 及服务器领域，配套软硬件丰富完善。
精简指令集（RISC）：一条指令完成一个基本动作，多条指令组合完成一个复杂的基本功能。指令集架构在不断完善，译码效率高，偏向低功耗领域优化，以 ARM、MIPS、ALPHA、RISC-V 等架构为代表，主要用于手机、平板等移动终端及专用设备。
指令集是App运行的基石，随着计算机技术的发展，指令集不断地更新迭代，但指令集的迭代更多侧重于对原有的指令集进行增量性的扩充升级，而非将原有的指令集完全替换。目前，新 CPU 普遍支撑更全面、更多的指令集子类。
二、主流指令集对比
目前，CPU 指令集架构主要有 x86 架构、ARM 架构、MIPS 架构、Alpha 架构等，其中 x86 架构与 ARM 架构是最为主流的指令集架构。
从市场份额来看，x86 架构以性能高、兼容性强、软硬件生态丰富的特点占领PC 及服务器市场；ARM 架构以低功耗、高集成的特点占领移动端市场。在全球服务器市场中，x86 架构占据 9 成以上的份额；在中国服务器市场，x86 架构服务器市场份额更高，达 96%以上。
从授权模式上来看，x86 指令集为 AMD 和 Intel 的交叉授权协议约定，AMD 和Intel 及相关正式获取授权的企业不会因为指令集造成常识产权问题，即无论哪一方发布了新的指令集，其他方都可以基于该新的指令集来进行 CPU 设计，而不会造成侵权。但该新的指令集的实现方式（即处理器设计）是保密的，也可以有不同的实现方式，需要通过自身的微架构、系统架构和版图设计来实现。因此，从长远看，取得 x86 交叉授权企业之间不存在常识产权受限及纠纷问题，也不需要版本授权。
ARM 企业的特点是只设计芯片，而不生产，其主要是通过出售 IP（常识产品）来维持经营，所以 ARM 对外授权的指令集都仅仅是某一个具体的版本（ARMv1-ARM v9 都是 ARM 指令集迭代的具体版本）。并且，ARM 在向其他企业授权指令集架构和 IP 时，不允许其它企业修改和扩展其指令集。更进一步，ARM 为了客户能够持续的购买新的版本，会迅速让新的版本成为主流。
同时，新技术发展会带来新旧版本差异较大，甚至互不兼容。例如，ARM v9 版本新增功能有两个改动，一个是安全，引入了用于机密计算的 Realms 模块；另一个是 AI，将 SVE 升级到 SVE2，能够显著改善 CPU 的机器学习和向量计算能力。授权企业如果不购买新的 ARM版本，在旧版本上实现新版本相关功能就会造成侵权。长远看，购买 ARM IP 的企业会长期被 ARM 牵着鼻子走，受限较大。
第二节 国产 CPU 发展情况
一、国产 CPU 概述
长期以来，我国对海外 IT 产品的依赖度较高，以 Intel、微软、Oracle、Cisco等为代表的 IT 厂商在芯片、操作系统、数据库、中间件等领域占据了较大市场份额，高度渗透了政府、金融、民航、铁路、医疗等各行业环节。自 2008 年以来，由海外产品引发的信息安全事件频出，IT 技术的自主可控势在必行。从根本上说，信创整体解决方案就是通过打造以 CPU 和操作系统为重点的国产化生态体系，系统性保证整个国产化信息技术体系可生产、可用、可控和安全。
目前 CPU 下游市场应用最广泛的两种架构分别为 x86 架构和 ARM 架构，并因此构建了两大生态体系：Wintel 生态和 AA 生态。App生态是 CPU 指令集的核心价值所在，获得兼容此指令集的App的运行权，即获得了此指令集的App生态。App生态的构建在短期内难以实现，而中国又面临着信息技术安全可控的急迫性，在这种形势下，国内 CPU 厂商普遍选择采用引进技术体系，而不是从零开始自研指令集。
通过引进国外指令集，进行消化吸取创新，既能保持融入国际主流不脱钩，又能实现自主可控。
（1）x86 架构：海光和兆芯采用 x86 架构，分别获得了 x86 交叉专利授权和指令集期限授权，可自行设计 CPU 内核和 SOC。其中，海光通过交叉专利授权获得完整的 x86 指令集代码，并可自行扩充指令集。其目前已实现自行迭代发展，并通过核心指令集扩充，建立了国产的 C86 指令体系，实现先进安全的 CPU 微架构设计和系统设计。
（2）ARM 架构：HUAWEI（鲲鹏）和天津飞腾采用 ARM 指令集架构，获得是 ARMv8 架构的版本授权，可基于 ARM v8 进行自主性设计，但不能使用 ARM 后续架构版本。由于 ARM v9 未被授权，导致其无法扩展很多专用型指令集和特定算法，也无法支撑新指令集某些基本应用的使用，进而会因不兼容影响 V8 的使用。不仅如此，依托新的指令做实行单元，也会对原有指令集的性能形成降维打击。此外，因为 ARM 不允许其他企业修改和扩展指令集的特殊规则，所以HUAWEI、飞腾也无法主动基于 ARM v8 扩展自己的指令集，在 v8 的基础上实现 v9 的功能也会造成侵权。
（3）其他架构：以龙芯和申威为代表，分别获得 MIPS 和 Alpha 架构授权，并在此基础上进行自主研发，由于原架构开发者已停止更新，因此二者也不存在授权风险。目前两家厂商已形成自有的指令集架构，安全可控程度高，但当前生态适配相对困难。
二、国产 CPU 主流企业分析
1、六大国产 CPU 主流企业综述
在信创硬件领域，中国形成了六大国产 CPU 体系：
（1）申威主要聚焦特种市场，产品侧重特需、高性能服务器领域，全栈可控技术与生态均有独家壁垒，但是其生态应用较为匮乏，在商业市场有待突破；
（2）龙芯于 2012 年进入信创硬件市场，研发起步最早，持续进行产品迭代，生态逐步构建，目前主要集中在党政市场，其产品集中于桌面 PC，在服务器市场的商业应用能力还有待提升；
（3）飞腾产品主要应用在党政市场，在商用市场也有应用，但飞腾采用 ARM架构，同样面临生态兼容性稍弱和可持续发展能力受限的问题；
（4）HUAWEI的鲲鹏 920 在发布之初凭借国际先进制程工艺与性能，快速取得党政、电信等领域的订单，但是鲲鹏 CPU 取得的指令集架构授权仅可在 ARM v8 基础上进行产品更新迭代，可持续发展能力弱，且 ARM 架构的优势在于移动端领域，在服务器和工作站等领域的生态兼容性薄弱，对核心业务支撑能力不足；
（5）兆芯虽然采用的是 x86 架构体系，理论上应该具有较强的市场竞争力，但由于威盛指令集较早停止更新，导致架构较为落后，使兆芯产品性能受到一定影响；
（6）海光虽然进入市场较晚，但掌握了完整的 x86 指令集源码，并在此基础上持续迭代，发展起国产 C86 体系，完成了先进安全的微架构和系统设计，在信创市场具有明显的竞争优势，覆盖的应用市场广阔，尤其是在电信、金融等市场呈现放量增长态势。
综合各企业的技术来源、产品表现等因素分析，现阶段，以 x86 架构为技术基础的海光发展优势更加明显，兆芯则处于性能爬坡阶段，同时都得益于 x86 生态优势，市场认可度更高；鲲鹏、飞腾具有一定的发展空间，但面临的技术发展风险和生态兼容问题比较突出；基于自研指令集架构的龙芯、申威虽然面临的生态应用匮乏的短板比较明显，但其全栈自研，自主可控程度高，在特定的市场拥有较强的竞争力。
2、六大国产 CPU 主流企业授权来源及授权模式具体分析
六大国产 CPU 指令集类型有四类：鲲鹏（HUAWEI）和飞腾采用的 ARM 指令集、海光和兆芯所采用的 x86 指令集、龙芯所用的 LoongArch 指令集以及申威所用的SW_64 指令集。指令集的价值体现在App生态，而不是指令集本身，购买指令集的本质是购买兼容此指令集的App运行权，也就是App生态。
从这个角度来看，采用 x86 指令集和 ARM 指令集的企业更具优势。其中 x86指令集起步早，在 PC 和服务器市场上都建立起了庞大的生态体系，ARM 架构则在移动终端领域建立起了比较完整的生态体系。
六大国产 CPU 企业在指令集授权的基础上都进行了自研，实现了自主可控，并进入国家信创目录，六家企业的 CPU 均自主可控。从自主迭代能力上来看，龙芯和申威均拥有较为独立的技术体系和生态，自主研发了 LoongArch 指令集和 SW_64指令集，自主迭代不再受限；兆芯和海光虽然基于不同的 x86 专利和指令集授权模式，但均可以自主开发，持续迭代、创新自己的产品，自主迭代也同样不受限；飞腾和鲲鹏基于授权可以对指令集架构进行改造研发，但受制于 ARMv9 授权问题，产品迭代受限。
六大国产 CPU 企业在引进国外指令集架构之后都进行了不同程度的自主化发展。
在应用上，龙芯 CPU 主要用于服务器和桌面领域，更侧重桌面服务器领域产品的开发和推广，在关键信息基础设施领域应用还处于试点和应用验证的初步阶段；海光 CPU 目前主要应用在服务器、工作站、算力基础设施领域，具有较强的竞争优势；兆芯、HUAWEI（鲲鹏）、飞腾在服务器、桌面、嵌入式三大领域同步拓展；申威在新产品研制方面，以服务器 CPU 为主，兼顾终端/嵌入式 CPU 及外围配套产品，在超算服务器领域竞争优势明显。
| 
248
发表于 2025-1-20 10:16:14
