CPU的2019，国产厂商谁与争锋？

美国商务部工业安全署 (Department of Commerce，Bureau of Industry and Security，BIS) 于 11 月 19 日发布一份可能是历来最严格的技术出口管制先期通知，在 14 个政府考虑进行管制的类别中包括了人工智能、芯片、量子计算、机器人、脸部和声纹辨识技术，被认为涉及美国国家安全和高端新兴科技的关键领域。相关征询意见的开始时间在美国当地 11 月 19 日，截止时间则是 12 月 19 日。美国商务部和其他机构审查将根据征询到的意见来评估，进而更新出口管制清单。外界虽然无法预期这 14 类高科技出口管制的执行日期，但可以确定的是，它将是中美贸易战休战后，重新启动谈判的重要筹码之一。由于贸易战的持续扩大，很多高科技公司担心赖以生存的系统单芯片 (System on a Chip，SoC) 会被限制出口，其中主要是以中央处理器 (CPU) 或是微控制器 (MCU) 为大宗，因為这些芯片大多来自美国。

细看这份 14 类技术出口管制清单内容，半导体产业相关的材料、装备、操作系统与软件，并未列入管制范畴。即便如此，出口管制清单的出现，警醒高端新兴科技产业的凛冬将至，也宣告半导体产业开启自力更生之路才是重中之重。最重要的目标之一是 计算器 CPU 的国产之路 。

手机和个人计算器 (PC) 通用的 CPU 芯片时代来临

手机用的芯片一般都是使用 ARM 架构的 RISC (Reduced Instruction Set Computing，精简指令集) CPU，而一般台式或笔电用的是 Intel 和 AMD x86 架构的 CISC (Complex Instruction Set Computing，复杂指令集) CPU。RISC CPU 的特点是指令相对简单。完成一个运算功能需要多个指令，但有一些功能编程不容易实现，所以必须使用真实电路控制。其好处是省电，发热小，成本低等。相反的，CISC CPU 的特点是可以用较少的指令就可完成一个运算功能，大部分的功能通过编程后都能实现，但电路架构则较为复杂。这两种  CPU 各有优缺点，但随着电路设计与半导体工艺的进化，ARM CPU 原本在浮点运算 (FP) 能力落后的情形，已获得明显改善，现在两者架构的 CPU 运算能力正逐步接近中。

Intel 的优势在于 PC 市场与服务器市场，在 PC 市场，Intel 芯片有超过 80% 的市场占有率，而微软 Windows 操作系统则主宰了每一台 PC。自上世纪 90 年代以来，Microsoft 和 Intel 在有意无意之间形成了 “Wintel” 的合作模式。虽然 Intel 与 Microsoft 的联盟并不为双方所承认，但是 Microsoft 的新系统与 Intel 的新芯片常常是一唱一和，且两者也常常互有默契的推出新品，这样的合作模式主导着全球 IT 业技术 好长一段时间 的更新迭代。与 Microsoft 的联盟互动，形成了一种技术和商业合作的默契，这是 Intel 成功的最大利器。这个合作关系成功地取代了 IBM 公司在 PC 市场上的主导地位，独霸 PC 市场长达 20 多年。

Intel 自身也通过微软 Windows 系统进入各大硬件生产商，找到了大批合作企业，有芯片生产商、软件生产商、设计辅助工具开发商、硬件制造商和移动设备生产商等。它们围绕 Wintel 形成了一个庞大的产业联盟。另外，Intel 又利用 “平台” 的概念，将 CPU、主板、芯片组以及网卡等组件或技术集成一体、完成从单一硬件产品制造商迈向一个 “集成性服务供应商” 的转化。在实现用户综合应用体验的同时，不断强化体系围墙，降低竞争对手在微软系统生态中的渗透。当年，尽管 IBM 的 PC 全球销量第一，但是丰厚的利润却流向了 Microsoft、Intel，因此，Intel 的核心技术对产业的影响力越来越大，而 AMD 的惨淡经营也就可想而知了!

PC 这块大饼丰厚的利润，吸引高通 (Qualcomm) 将手机芯片成功地应用在笔电上。 Qualcomm 早前公布的 Snapdragon (骁龙) 1000 芯片，是针对笔电而设计的，但是它的效能远低于 x86 处理器。Qualcomm 于今年 (2018) 12 月初，宣布推出八核全新 7nm 处理器骁龙 855 与 8cx，其中 855 用于旗舰型手机，而 8cx 则适用于 Windows 笔电、平板计算机和 All in one 机型。骁龙 8cx 使用新的 Kryo 495CPU 及 Adreno 680 Extreme GPU，并宣称其综合性能可以与 Intel 大多数轻薄 Windows 笔电上的 15 瓦 U 系列处理器相媲美，且其芯片的能源消耗仅是 Intel 的一半。

大多数移动 SiP (System in a Package) 产品是 CPU、GPU、NPU (Neural Processing Unit) 等 SoC、基带与通讯模块、各种内嵌内存控制器、显示与音频模块等系统，而且涵盖固件、软件和服务的解决方案。随着人工智能运算场景的扩展，有 NPU 加持的移动 SoC 也成为吸引 OEM 厂商在 Intel/AMD x86 体系之外着重考虑的新选择。

第一代骁龙笔电的主板是 Intel 主板的一半 (Source: Qualcomm)

在推进 Windows on ARM (WOA) 的生态上，高通是当前态度最积极的厂商。为了消除第一代骁龙 1000 全时互联计算机 (ACPC) 在应用软件上的短版，此次高通与微软更深度合作，不仅让骁龙 8cx 加入支持 DirectX 12 API，与更多应用服务平台连结，同时因为加入了支持 Windows 10 Enterprise，更大幅提升笔电处理器运算平台的效能表现，藉此增加常时连网笔电的实际可用性。

骁龙 8cx 版图 (Source: Qualcomm)

事实上，与 Intel、NIVIDA 和 AMD 的游戏笔电相比，骁龙 8cx 的性能仍力有不逮，但重要的是，高通将手机芯片的设计调整后，成功应用在 WOA 笔电的芯片设计上。这也意味着所有手机芯片设计公司，都将有与 Intel 及 AMD 笔电芯片厂共同竞争同类的产品的敲门砖。Intel 最主要的产品是 PC 和服务器，在 PC 行业兴旺时，从 IP 核设计到制造封测芯片都是自己做的 IDM (Integrated Device Manufacturing)，是没什么问题。然而随着智能手机的崛起，PC 市场规模迅速下滑，Intel 不只错失移动设备芯片的市场，加上 10nm 工艺的延后，现在 WOA 手机芯片又将进入了 PC 的地盘，这让 Intel 面临十面埋伏般前所未有的挑战。

下列表一为笔电芯片与旗舰手机芯片各大厂的比较。进入 7nm 工艺时代后，WOA 芯片的性能进一步提高，且功耗降低，其条件非常适合轻薄的笔电产品。据业内消息人士称，苹果、华为、三星、联发科、紫光展鋭均有望在高通之后，进入 WOA 笔电新领域。

表一: 笔电 CPU 与旗舰手机 CPU 比较

ARM 重磅推出 5nm 笔电芯片架构，对 Intel 与 AMD 的完美风暴已成形

日前，ARM 对外界公布了一份关于 CPU 的规划路线图，显示他们野心勃勃的要将在手机市场的生态圈，带往笔电的市场去，且计划将在 2020 年实现对 Intel 笔电芯片技术的赶超。

ARM CPU 规划路线 (Source: ARM)

ARM 预计于 2019 年推出基于 7nm 工艺，代号为 Deimos 的处理器架构，并在 2020 年正式发布 5nm 工艺，代号为 Hercules 的处理器架构。Deimos 及 Hercules 都是基于 Cortex-A76 核心架构的精进版，号称计算性能上，每一代都可以提升超过 15％。Cortex-A76，可搭配 10nm、7nm 工艺、在机器学习性能上能比前一代提升 4 倍。其架构的芯片在单线程性能上面，已经可以与 Intel Core i5-7300U 相媲美，而且功耗仅为 5 瓦，远低于 intel 的 15 瓦，能大大延长电池续航时间。由于功耗的降低，笔电也会像手机一样可以持续长时间移动办公，加上未来在 5G 常时连网的网络环境下，笔电和手机会连结的更紧密。

其实，ARM 对于进入笔电行业的野心一直都在，去年底微软采用基于 ARM 架构的骁龙 835 处理器推出了多款 Windows 系统笔电，虽然性能上还有欠缺，但是在与手机的连接性以及功耗方面都是让人满意的。不仅如此，ARM 在今年年底将推出的 Google (谷歌) 全新 Chromebook (Chrome on ARM，COA)，也将会采用骁龙 845 处理器。而这一切只是一个开始，现在 ARM 发布 CPU 路线图之后，就是向 Intel、AMD 这样的公司宣告，WOA 与 COA 在性能方面也会有很大的竞争力。

不过我们仍需注意的是，ARM 本次线路图的主要目标是笔电的性能提升，智能手机可能暂时达不到同样的高度。原因很简单，智能手机更看重能效，通常 2.5W 的 TDP 热设计功耗就能满足整体性能需求了，而且手机内部空间有限，芯片、内存、闪存等部件尺寸得要做得很小。

Apple 的大杀器 A12 Bionic 透露了新时代的开始 ?

A12 Bionic 是 iPhone 迄今最智能、最强大的芯片，也是全球计算机行业第一款 7nm 处理器，集成了 69 亿个晶体管，在各种跑分测试中都遥遥领先其他对手的新一代旗舰机种。其实 Apple 近两年在定制芯片业务上也是动作频频。早在一年之前，Apple 即宣布不再使用 Imagination Technology 的 GPU 技术知识产权，而改为自行研发 iOS 设备专用的图形处理芯片。Apple 近年来更积极朝自制芯片努力，成果包含处理器、绘图芯片等各项用在行动装置里的芯片。其自制芯片也陆续成功应用在自家产品上，例如 : iPhone 和 iPad 中的 A 系列芯片、MacBook Pro 的 T1、iMac Pro 中的 T2 芯片、AirPods 中的 W1、Apple Watch 中的 S 系列芯片和 W2 芯片。最近又传出 Apple 最快从 2020 年开始全面抛弃 Intel 的芯片，改为自行研发 Mac 专用芯片，若此传言成真，未来 PC CPU 市场将是烽烟四起，群雄混战的新局面。

国产 CPU 在 此 竞争环境下 ，激荡出什么样的火花，我们将在下篇文章中探讨。

Apple A12 Bionic 版图 (Source: Apple)

国产 CPU，谁与争锋 ?

在计算器的光谱上有相当多的类型，除了 PC 与手，还有高性能计算器。高性能计算机包括超算 (Supercomputer)、数据中心 (Data Center)、云计算 (Cloud computing) 及大型计算器 (Mainframe)。今年 (2018) 10 月公布的全国高性能计算机 TOP100 榜单，全部由国产品牌囊括。厂商份额方面，中科曙光、联想分别以 40 台超算系统入围并列第一，浪潮集团其后，“国产三强” 占据整个榜单份额的 92%。此外，今年 TOP100 榜单最大的亮点是 3 个 E 级超算的原型机系统 — 神威 E 级原型机、“天河三号” E 级原型机、曙光 E 级原型机，均进入性能排行榜前十 (分列第四、第六和第九位)。根据历史数据拟合推算，E 级超级计算机将可能 “在 2019 年左右出现”。

高性能计算机从应用领域来看 ， “大数据/机器学习” 仍是当下超算的应用热点 ，在 TOP100 的超算系统中 ， 共有 27 台系统用于大数据分析与机器学习 ， 用于科学计算的系统今年强势回归 ， 数量由去年占比仅 11.3% 上升至今年的 14% 。

神威 E 级超算原型机 ， 主要由硬件 、 软件和应用三大系统组成 。 其处理器 、 网络芯片组 、 存储和管理系统等核心器件全部是国产化 。 原型机的系统软件 ， 由完全自主研发的神威睿思操作系统 ， 及神威睿智编译器等构建 。 运算系统全部采用 “神威 26010＋”  众核处理器 ， 高速互连网络系统全部采用申威网络交换芯片 、 申威消息处理芯片 ， 这些关键部件均具备完全自主知识产权 。 存储和管理系统由申威多核处理器构建 ， 实现对该领域产品的国产化替代 。

神威 太湖之光 (Source: 神威)

超算天河三号原型机的 CPU 可能 将采用飞腾系列 FT-2000 或其后继产品作为主控 CPU 。 在 2012 年前后 ， 飞腾选择了 ARM 阵营 ， 可以基于 ARM 64 指令集设计自己的 CPU ， 并在数年时间内先后开发出 FTC66 、 FTC661 两款 CPU 核 ， 以及 FT-1500A/4 、 FT-1500A/16 、 FT-2000 、 FT-2000plus 等 CPU 。 虽然在单核性能上和 Intel 还存在一定的差距 ， 但在多核性能上 ， 已经达到 Intel 服务器 CPU E5  主流产品的水平 。

综和以上所述 ， 高性能计算器领域中 ， 除了 mainframe 外 ， 自主生产且拥有知识产权的 CPU 已可完全掌握 。

超算是为了高密度浮点运算而优化的分布式平行运算平台 ， 相对的 ，m ainframe 则更倾向于整数运算 ， 是针对一般交易需求与多任务环境而打造的集中式系统 ， 提供足以支撑大量用户与巨大交易量时 ， 依旧可稳定输出的表现 ， 例如仓储 、 零售与金融体系上的应用 。 所以必须具备极高的可靠性 、 超强的 I/O 效能 、 极致的加密安全性与虚拟化能力 。 IBM 是 mainframe 产业中的翘楚 ， 制霸全球的供应链 。

然而 ， 超算 CPU 的众核架构并不适合消费级 PC ， 原因在于单核性能羸弱 ， 且架构与操作软件 (OS) 不甚匹配 。 民用 PC 的应用大多数比较需要性能较为强悍的单核运算性能 ， 基本上 2~4 个核就能满足日常需求 ， 而游戏用 PC 因为需要大量的 3D 模拟 、 绘图与影音显示 ， 通常需要增加运算核心数及缓存 (Cache) 的容量 。

数据显示，中国的芯片市场需求占全球 50% 以上，部分芯片占 70% ~ 80%。而 90% 依赖于进口，国产芯片只能自供 8% 左右。自 2013 年以来，中国每年需要进口超过 2 千亿美元的芯片，已连续多年超越石油，位居进口品项之霸，2017 年更达到历史新高的 2,601 亿美元。由此可见中国芯片高度依赖进口的危机。

分析指出，国产芯片主要集中在电源、逻辑、存储、MCU (Microcontroller Unit)、半导体分立器件等中低端产品。高端芯片方面，远远落后于国际水平。尤其是在 PC CPU、高速光通信接口、大规模 FPGA、高速高精度 ADC/DAC 等核心领域的高技术含量的关键器件，仍完全依赖美国供货商。

为了提升国产 PC CPU 的市场份额 ， 今年八月 ， 中央政府采购网 (以下简称央采网) 公布了 2018 年政府集中采购笔记本电脑 、 台式机以及服务器等入围产品名 ，其中兆芯 、 申威 、 龙芯 、 飞腾 、 华为 、 海光 、 宏芯等 PC 和服务器企业均榜上有名 。

据市场研究机构 IDC 中国发布的《PC市场月度跟踪报告》初步数据显示 ， 2017 年 ， 中国 PC 市场销售约为 5,360 万台 ， 年度同比下降 4.1% ， 2018 年预计销售额为 5,210 万台 ， 年度同比下降 2.2% 。 这其中 ， 需要政府集中采购领域的市场份额约为 5% ， 即 2018 年约 260 万台左右 。 遗憾的是 ， 这 260 万台的市场份额 ， 还会根据不同密级 ， 选择纯国产 PC 或高性能 Intel/AMD PC 。 换言之 ， 纯国产 PC 圈中 ， 兆芯 、 申威 、 龙芯 、 飞腾等 ， 能分到的市场份额将更小 。 单靠杯水车薪的政府采购金额 ， 是不足以扶植起国产 CPU「毛三到四」(毛利率3-4%) 的产业链 。 国产 CPU 厂商要能够在民用消费 PC 市场的竞争中存活下来 ， 高性价比 (CP值) 是不二法门 。

这个拐点的到来，就在 2019 ，我将它称为是国产 CPU 进口替代的「芯战元年」。

智能手机已成为中国乃至全球消费者的第一智能终端，随着数字化转型的推进，社交、大数据、云技术、移动服务广泛应用于各个行业。近日，市场研究机构 Counterpoint Research 公布了 2018 年第二季度全球手机品牌平均零售价 (ASP) 排名，苹果 iPhone 仍然是最贵的智能手机，平均零售价为 724 美元，其次则是国产品牌 OPPO，平均售价为 275 美元；华为手机平均零售价为 265 美元；Vivo 手机均价为 259 美元；三星手机平均售价为 247 美元。

另据国外研究机构估计，iPone X 的零件成本不低于 370.25 美元。再以三星的旗舰机为例，其价格与 iPhone X 相去不远，但三星手机的整体平均售价却远低于 370.25 美元，这代表三星的旗舰机型的销售量低且总销售是亏钱的。也就是说，三星的旗舰机是当作打品牌的模特儿，而非金鸡母，它们得靠中低阶机种的销售来获利摊平。既然旗舰机销售的数量有限，意味着芯片生产的数量有限，这样一来无法达到经济规模，所以就不能摊提昂贵的 10nm 或 7nm 的 IC 先进工艺成本。但对高通而言就不同了，高通的高阶芯片因供应给众多手机品牌厂的旗舰机型，其生产数量可达经济规模，成本可降低，但其销售策略却仍坚持高价贩售，反倒成了一门赚钱的生意。

有鉴于此，为手机旗舰级芯片找应用出路，也就顺理成章的成为其他手机大厂一不做二不休的简单逻辑。华为与三星这两家拥有自家手机芯片的企业，在高通清除 WOA PC 的软硬建技术与生态链的障碍后，进入 PC 市场抢占份额，应该是最迫切需要的。上篇表一所列的手机旗舰级芯片，事实上都已具有一般商用 WOA PC 的能力，只是在游戏性能的表现上稍有不足。台积电除了积极发展第 2 代采用 EUV 技术 7nm 工艺，也传闻更先进的 5nm 工艺将在 2019 年第 2 季试产，另外也将配合 ARM 新一代的 Deimos 及 Hercules 处理器架构发表的时间。可预见的是，手机 / PC 的通用型芯片，应该是符合经济效益的推论，预期手机相关大厂都将积极投入这块大饼。

在贸易战与自力更生的背景下，PC 市场的变化会是如何呢 ? 以联想 PC 业务为例，即使成为全球销售第一，也只是为 Wintel 作嫁，帮他们打工。反观华为与小米进入笔电市场，可能是投石问路，抛砖 (Core i5) 引玉 (Kirin) 的举动。飞腾、华为与紫光展鋭等，顶尖对决 intel、AMD、Apple、Nvidia、高通与三星等世界级 CPU 与 GPU 大厂，就从 2019 展开抢进中国 PC CPU 市场进口替代的圣战。

Source: 华为

恃吾有以待之，才能使危机变为转机

这几年来半导体产业积极布局与投资在 5G 通讯、人工智能与物联网的硬件、韧件与软件的应用产品开发与布建。期望藉由全球 5G 通讯大规模启用后，能快速提升国产半导体芯片的产品多元性、技术性、高值性与进口替代。中國是笔电及智能终端产业全球制造的高地，从手机、PC 到超算等计算机应用的 CPU 设计、智财权与制造，芯片国产化的能力与程度已大幅提升。在超算与服务器的高性能计算领域，除了 mainframe 外，固件与软件国产化的程度，比手机与 PC 国产化的程度要来的高。其中 Windows 与 Android 两大操作系统，是一道短期内跨不过去的坎。而 ARM 的智财授权，牵扯到 RISC (精简指令集) 架构的根基，虽然 RISC-V 联盟已日益壮大，短期内要摆脱 ARM 授权这道坎，也不是容易的事。毕竟操作系统与 RISC 架构有着几十年的积累，加上芯片生态系统的庞大及复杂性，与其摆脱旧框架，重新建立新的生态联盟，不如借力使力，加速去短板，也许是比较务实的作法。

继中兴、福建晋华与华为等信息与通信高科技厂商，相继受到贸易战的波及后，这样的事件可能不会在短期内停止，或者很快的以平和的解决方式落幕。最近美国 14 类高端科技出口管制大棒，含括人工智能、芯片、量子计算、机器人、脸部和声纹辨识技术等高端新兴科技的关键领域限制，是贸易战的组合拳之一。所幸的是，半导体产业相关之材料、装备、操作系统与软件等，并未列入管制范畴。依照 CPU 技术路线图的分析，美国若是管制 SoC 品项下的 CPU 对中国出口，其实质效益有限外，反倒对国产芯片的进口替代，将产生直接而强劲的刺激作用。

继 Trade War 之后 ， 在即将上场的 Chip War 中 ， 已显见美国的大动作 ， 欲积极干预芯片市场的运作机制 ， 对昔日的贸易伙伴也完全不留情面 。 美国的保护主义与贸易壁垒的极限施压 ， 让全球各个产业都要改变原来发展的惯性 ， 也要准备面对最大的不确定性 。 转机是要在危机中 ， 凭借智慧与勇气 ， 调整惯性的步伐 ， 一步一脚印的走出来 。 在现实世界的国际关系与政经环境下 ， 两点间最短的路径 ， 绝对不会是直线 。