國產(chǎn)處理器現(xiàn)在的水平水平剖析

談到“中國芯”，很多人第一個反應(yīng)就會是龍芯。自2000年開始研發(fā)到現(xiàn)在，龍芯已經(jīng)有十五年的歷史。雖然媒體不時會報道一些關(guān)于龍芯的消息，但由于市面上難以見到實物，外界對它的了解實在少得可憐。從立項開始，龍芯的研發(fā)單位中科院計算所就立志要做到世界一流水平的CPU；那么在2015年的今天，他們的產(chǎn)品究竟達到了什么水平呢？我們先了解一些背景知識：龍芯是中科院計算所龍芯項目組研發(fā)，兼容MIPS指令集，具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)的CPU系列。龍芯分1號、2號、3號三大產(chǎn)品線，分別對應(yīng)超低功耗嵌入式芯片、低功耗SoC與主流PC、服務(wù)器CPU幾大目標市場。目前代表龍芯最強水平的型號是龍芯3B-1500 CPU，有8個核心，32nm制造工藝，主頻1.2GHZ；其次是四核心的龍芯3A 1.2GHZ。因為使用的MIPS指令集與主流的x86、ARM不同，龍芯平臺無法直接運行大多數(shù)常見的性能測試集；加上產(chǎn)品沒有大量上市、用戶稀少等原因，媒體、評測機構(gòu)不太容易了解它的實際性能表現(xiàn)。所幸計算所公開了一些內(nèi)部性能測試數(shù)據(jù)，我們得以從中分析龍芯的實力。計算所使用的測試軟件是專業(yè)領(lǐng)域常用的跨平臺測試集SPEC CPU 2000。很多主流CPU都有SPEC跑分成績可查，為我們的對比帶來了便利。首先我們來看看SPEC_int測試。這項測試考察CPU的單線程整數(shù)運算能力，關(guān)系到一般用戶常用應(yīng)用的性能表現(xiàn)。參與對比的是龍芯3B-1500 1.2GHZ、Apple A8 1.4GHZ、ARM Cortex A57 1.7GHZ和IntelCore i7 4770 4GHZ。龍芯的表現(xiàn)相當凄慘，成績只有A57的一半多點。換句話說在常見的單線程整數(shù)應(yīng)用中，主流旗艦手機都可以輕松秒殺龍芯3B。接著是多線程測試SPEC_int rate。計算所只提供了四核心版本的龍芯3A的多核測試分數(shù)，我們找到了一款老版四核i7 965 3.2G的成績來做比較。Core i7 965的主頻不到龍芯3A的3倍，但是多線程整數(shù)性能是后者7倍多。現(xiàn)在主流的新一代Core系列CPU的性能更強，可見龍芯的差距多大。就算8核心的龍芯3B的性能達到3A的兩倍，也遠遠不及主流的PC CPU。SPEC測試離我們普通用戶還是比較遠，而且這種測試中CPU廠商可以手動調(diào)節(jié)測試代碼來優(yōu)化性能，類似的優(yōu)化手段卻不一定能對主流應(yīng)用生效。在計算所的一篇論文中我們找到了龍芯3A運行常見的JS測試Sunspider的成績，來看看它和主流設(shè)備差距多大：結(jié)果十分驚人：龍芯的性能只有iPhone 6使用的A8芯片的十分之一不到。光談性能是不夠的，芯片的功耗也是一項重要指標。計算所給出了一項數(shù)據(jù)：8核心、32nm工藝的龍芯3B典型功耗約30w。相比其孱弱的性能，30w的功率實在顯得太高了?，F(xiàn)在的龍芯是什么能耐，想必諸位已經(jīng)心里有數(shù)了。面向服務(wù)器開發(fā)的龍芯3B實際表現(xiàn)還不如主流手機，這就是計算所面對的殘酷現(xiàn)實。目前的龍芯產(chǎn)品在主流市場可以說毫無競爭力，所謂取代進口芯片更是癡心妄想。所幸龍芯的研發(fā)單位已經(jīng)意識到了自家產(chǎn)品與對手的巨大差距，并在努力追趕。根據(jù)計算所的公開信息，性能提升數(shù)倍的下一代龍芯最快將于年底面世，預(yù)計至少達到AMD的技術(shù)水平。如果計劃能按時完成，基于龍芯核心的PC就可以滿足黨政機關(guān)的基本辦公需求，開始在敏感詞單位大面積推廣。這對龍芯來說是非常誘人的前景。當然，未來龍芯能做出什么成績完全取決于他們有多強的實力。過去龍芯項目組總是喜歡吹牛、好高騖遠，結(jié)果實際產(chǎn)品表現(xiàn)極差，惹人笑話。如果計算所扔掉不切實際的幻想，踏實做事，龍芯還是可以在市場上分一杯羹的；否則它只會像過去那些失敗的國產(chǎn)品牌一樣走入歷史被人遺忘，后人提起來也不過是茶余飯后的談資罷了。眾所周知，集成電路是我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心領(lǐng)域，而CPU（中央處理器）則是集成電路中的核心元器件。目前國家對信息安全有著迫切的形勢要求，如果沒有CPU的國產(chǎn)化與自主化，國家安全將無從談起。最近一年多來，國產(chǎn)CPU發(fā)展亂象叢生，中國芯目前究竟發(fā)展如何，本文將為大家揭開國產(chǎn)CPU的面 紗，探討國產(chǎn)CPU的自主可控之路。國貨當自強，國產(chǎn)CPU的發(fā)展之路一說起國產(chǎn)CPU,大家自然會想到“龍芯”。“龍芯”是中國科學院計算所自主研發(fā)的通用CPU,是我國第一款高性能通用CPU,目前龍芯已經(jīng)發(fā)展到第三代產(chǎn) 品“龍芯3號”,采用MIPS64位指令集，具備八個處理器核心，主頻1.2GHz,龍芯系列CPU在處理器設(shè)計上具備核心自主知識產(chǎn)權(quán)。除 “龍芯”外，國產(chǎn)“飛騰”“申威”系列處理器等也是國產(chǎn)CPU的代表，其中“飛騰”是國防科技大學計算機學院開發(fā)的銀河飛騰系列高性能通用CPU,“申 威”處理器由國家高性能集成電路（上海）設(shè)計中心自主研發(fā)，具體由江南計算所研制實施。上述處理器都在國產(chǎn)高性能超級計算機中有過亮相，并得到了國家科技 重大專項“核高基”項目的專項資金支持。但國家和民眾對于國產(chǎn)CPU應(yīng)用的期望遠不止于幾臺“超算”那么簡單。目前，國產(chǎn)CPU給大家的感 覺也似乎只是在某些“特定”領(lǐng)域得到了應(yīng)用，而市場上主流的各類服務(wù)器、臺式機、筆記本、交換機等量大面廣的產(chǎn)品，大家還是很少看到國產(chǎn)CPU在上述領(lǐng)域 有真正成熟的商業(yè)化應(yīng)用。而目前國內(nèi)的安全形勢和IT國產(chǎn)化進程，也顯然對于上述產(chǎn)品的國產(chǎn)化市場替代有著更加迫切和實質(zhì)的需求。在產(chǎn)業(yè)化 方面，“龍芯”作為上述CPU的代表，2010年，龍芯中科技術(shù)有限公司正式負責龍芯CPU的產(chǎn)業(yè)化運作，其負責人胡偉武總裁曾表示，三年產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型之 后，龍芯發(fā)現(xiàn)，落后的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)成為制約其發(fā)展的主要瓶頸。以產(chǎn)品種類論，龍芯過去三年產(chǎn)業(yè)化確實發(fā)展快速。2010年，龍芯只有2款可以賣的芯 片產(chǎn)品，2011年有4款，到2012年，這個數(shù)字已經(jīng)達到10多款。目前龍芯在安全領(lǐng)域和嵌入式市場已經(jīng)有所成績，但胡偉武曾在公開報告中指出，軟硬件 生態(tài)系統(tǒng)的滯后已經(jīng)開始制約龍芯發(fā)展?！半m然龍芯已經(jīng)在完善軟硬件生態(tài)上做了很多，但還遠遠不夠，而且已經(jīng)成為制約龍芯發(fā)展的首要瓶頸?！眹a(chǎn)市場迎來實質(zhì)性利好，CPU巨頭一擁而上最 近兩年，各類信息安全事件的愈演愈烈使得國家意識到必須要在國產(chǎn)化上加快步伐，尤其是核心器件的國產(chǎn)化，工信部在2015年工業(yè)強基專項行動實施方案 指出，通過10年左右的努力，力爭實現(xiàn)70%的核心基礎(chǔ)零部件（元器件）、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料自主保障，部分達到國際領(lǐng)先水平。與此同時，國產(chǎn)CPU似乎也迎來了發(fā)展的良機，各個國際CPU巨頭廠商也開始對中國表示出了前所未有的開放態(tài)度，愿意與國內(nèi)資本方合作，成立國內(nèi)CPU企業(yè)，共謀集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2013年4月，上海兆芯集成電路有限公司成立，上海兆芯由上海市國資委下屬上海聯(lián)和投資有限公司和威盛電子股份有限公司合資成立，注冊資本2.5億美元，研發(fā)中國自主知識產(chǎn)權(quán)的X86架構(gòu)核心處理器芯片，號召推動中國信息產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展。2014 年10月，江蘇省經(jīng)信委與IBM公司簽署了共同推動中國OpenPOWER芯片生態(tài)系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)的合作備忘錄，蘇州中晟宏芯信息科技有限公司與IBM 公司簽署了芯片知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)方面的進一步合作協(xié)議，蘇州中晟宏芯計劃通過獲得IBM POWER架構(gòu)、POWER8相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)以及芯片設(shè)計工具的許可，在中國市場開發(fā)和推廣POWER服務(wù)器的處理器產(chǎn)品。同樣是2014年 10月，中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司（以下簡稱“中國電子”）旗下中國振華電子集團有限公司“飛騰CPU”項目簽約儀式在天津濱海新區(qū)隆重舉行，標志著 中國電子正式邁入信息安全高端芯片領(lǐng)域。2015年3月26日，中國電子在京召開“CPU與網(wǎng)絡(luò)交換芯片新品發(fā)布暨成果推廣會”,發(fā)布了采用ARM指令集 的FT-1500A系列處理器，并宣布可實現(xiàn)對Intel中高端“至強”服務(wù)器芯片的替代，一時之間風云突變，各大國際CPU廠商都在國內(nèi)找到了合作伙伴，并表現(xiàn)出了前所未有的開放，是真心合作，還是尋求“代言”?不管出于何種考慮，國際CPU廠商顯然已經(jīng)感受到了中國市場的國產(chǎn)化力度，并希望與中國一起分享國產(chǎn)化市場的紅利。但 事實證明CPU芯片的國產(chǎn)化之路還有很長要走。自成立以來一直保持神秘背景的上海兆芯公司，2014年已經(jīng)推出了其采用X86架構(gòu)的國產(chǎn)兆芯處理器，但從 用戶拿到的實際樣品來看，芯片封裝上竟然還赫然印著威盛“Nano”的商標字樣，而據(jù)稱這款國產(chǎn)兆芯芯片與威盛公司在2008年推出的“Nano”芯片似 乎并無二致，知識產(chǎn)權(quán)也還在對方公司手里。而關(guān)于IBM Power處理器在國內(nèi)的合作，據(jù)參與項目的相關(guān)專家透露，IBM雖然在開放POWER架構(gòu)的處理器授權(quán)方面表現(xiàn)出了足夠的誠意，但由于IBM的 POWER處理器設(shè)計流程與工藝相當復雜，是一個龐大的系統(tǒng)實施工程，并不是通過給IBM公司支付一筆不菲的授權(quán)費就可以簡單解決，后續(xù)如何讓國內(nèi)公司完 整地承接POWER處理器設(shè)計并不受約束的發(fā)展，以及如何實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化盈利，也還是懸而未決的問題?！皣a(chǎn)”與“自主”的命題之爭“國 產(chǎn)”一詞，一直以來是個爭議很大的用語，目前我國對于“國產(chǎn)”還沒有統(tǒng)一的界定標準。某些觀點顯然是不合適的。例如：有人說，只要公司在中國注冊、交稅， 就是“中國公司”,它的產(chǎn)品和服務(wù)就是“國產(chǎn)”.也有人說，“本國產(chǎn)品是指在中國境內(nèi)生產(chǎn)，且國內(nèi)生產(chǎn)成本比例超過50%的最終產(chǎn)品”,甚至還給出了按材 料成本計算的公式。顯然，這樣的“標準”只適合粗放型產(chǎn)品，完全不適用于高技術(shù)領(lǐng)域。而更深層次的問題，則是在國家對網(wǎng)絡(luò)與信息安全日益重 視的情況下，是否國產(chǎn)就意味著自主安全？中國工程院院士倪光南在近期接受的采訪中指出，自主可控是增強網(wǎng)絡(luò)與信息安全的前提。而對自主可控的理解，主要包 括以下幾個方面：一是知識產(chǎn)權(quán)自主可控。在當前的國際競爭格局下，知識產(chǎn)權(quán)自主可控十分重要，做不到這一點就一定會受制于人。第二、技術(shù)能力自主可控。技 術(shù)能力自主可控，意味著要有足夠規(guī)模的、能真正掌握該技術(shù)的科技隊伍。技術(shù)能力可以分為一般技術(shù)能力、產(chǎn)業(yè)化能力、構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈能力和構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能力 等層次。三是發(fā)展自主可控。我們不但要看到現(xiàn)在，還要著眼于今后相當長的時期，對相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)而言，都能不受制約地發(fā)展。倪院士還在撰文 中列舉了中國電視產(chǎn)業(yè)的例子以說明長期發(fā)展的重要性。眾所周知，前些年我國通過投資、收購等等，曾經(jīng)擁有了CRT電視機產(chǎn)業(yè)完整的知識產(chǎn)權(quán)和構(gòu)建整個生態(tài) 系統(tǒng)的技術(shù)能力。但是，外國跨國公司一旦將CRT的技術(shù)都賣給中國后，它們立即轉(zhuǎn)向了LCD平板電視，使中國的CRT電視機產(chǎn)業(yè)變成淘汰產(chǎn)業(yè)。信息領(lǐng)域技 術(shù)和市場變化迅速，要防止出現(xiàn)類似事件。因此，如果某項技術(shù)在短期內(nèi)效益較好，但從長期看做不到自主可控，一般說來是不可取的。只顧眼前利益，有可能會在 以后造成更大的被動。從CPU自主化角度來看，目前國內(nèi)的CPU企業(yè)分為兩種，一種是采用國際上成熟的CPU核，如華為海思、瑞芯微、全志 等企業(yè)，采用基于ARM的CPU核心來做自己的SoC（單芯片系統(tǒng)方案）芯片，這種方式雖能夠快速推出系統(tǒng)級芯片方案并占領(lǐng)市場，但還談不上CPU核心的 國產(chǎn)與自主。目前，“飛騰”CPU的產(chǎn)業(yè)化企業(yè)-天津飛騰公司也放棄了自主研發(fā)處理器核，而是直接采用ARM提供的64位V8系列處理器核，與海思 的“麒麟”系列手機芯片所采用的ARM處理器核屬于同一個系列。但這樣做出來的所謂國產(chǎn)芯片問題也很明顯，芯片中的處理器核心仍然依賴于國外CPU廠商， 就像我們之前拿現(xiàn)成的CPU、主板、內(nèi)存去“攢電腦”一樣，只是現(xiàn)在變成了“攢芯片”.另一種則是真正意義上進行自主研發(fā)處理器核心的企 業(yè)，目前國內(nèi)在這方面的單位卻日益變得鳳毛麟角。目前能夠看到的似乎只有“龍芯”和“申威”兩家老牌單位還在堅持，這兩家單位一直基于自主設(shè)計的CPU核 心架構(gòu)進行研發(fā)并不斷更新?lián)Q代。2014年11月，中科曙光面向服務(wù)器市場推出國產(chǎn)龍芯3B服務(wù)器，開始在商用服務(wù)器市場加快產(chǎn)業(yè)推廣，與此同時，龍芯架 構(gòu)的性能不足等問題也在被不斷的詬病和質(zhì)疑，最近，中國科學：信息科學期刊刊登了下一代龍芯架構(gòu)的相關(guān)論文，介紹了新產(chǎn)品的具體改進與多項性能測試數(shù) 據(jù)，從數(shù)據(jù)上看，龍芯處理器的跑分并不輸于國際主流中檔處理器，其同頻性能已接近Intel Ivy Bridge架構(gòu)水平。龍芯自己對此的判斷是，“性能的問題將在一兩年內(nèi)真正得到解決”.慢進則退，近兩年來龍芯顯然開始加快自己產(chǎn)業(yè)化的進程，并希望以 實際成績來回應(yīng)質(zhì)疑，避免國產(chǎn)CPU的“運十”悲劇重演。國產(chǎn)CPU陷入產(chǎn)業(yè)迷局，自主化之路何去何從？隨 著近幾年國產(chǎn)CPU 的持續(xù)發(fā)展，以及國產(chǎn)化自主浪潮的到來，一時間內(nèi)國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)發(fā)展頭緒萬象。一方面國內(nèi)傳統(tǒng)CPU企業(yè)如龍芯等堅持自力更生并積極探索市場化，并開始在 行業(yè)應(yīng)用取得突破，另一方面國外主要CPU 廠家都在國內(nèi)找到了合作伙伴，并希望與國產(chǎn)廠商共同謀求國產(chǎn)化市場紅利。不同CPU架構(gòu)與產(chǎn)業(yè)實體的多頭發(fā)展，中國面臨在CPU重大產(chǎn)業(yè)路徑上的選擇難 題。與CPU產(chǎn)品發(fā)展配套的另一個重要層面是基礎(chǔ)軟件。目前國家已經(jīng)在一些涉及經(jīng)濟命脈的重要行業(yè)推廣操作系統(tǒng)的國產(chǎn)化，企業(yè)層面也涌入了 一批做國產(chǎn)Linux軟件系統(tǒng)的大軍。軟硬一體化協(xié)同發(fā)展已經(jīng)成為業(yè)界共識，國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件面臨著共同實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)替代的歷史性機遇。但同時我們也可以看到， 國內(nèi)不管是CPU企業(yè)還是操作系統(tǒng)企業(yè)，其面臨的能力差距與產(chǎn)業(yè)生態(tài)差距也是明顯的。國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件廠商目前要取得產(chǎn)業(yè)突破，缺的并不僅僅是資金和政策， 而更多地是自主創(chuàng)新的能力。CPU作為一個涉及芯片設(shè)計、工藝、封裝與軟件的大系統(tǒng)工程，目