半导体系列（三）：芯片设计篇之CPU研究，国产CPU到底行不行

CPU又称中央处理器，作为计算机系统的运算和控制核心，是半导体产业技术最密集、最具战略价值的产品，是一个国家技术势力的象征。

目前CPU的市场基本被美国的两大公司垄断，分别是大哥Intel和小弟AMD，两家几乎占领了99%的市场份额。

目前Intel和AMD以X86指令集和微软共同建立了庞大的生态系统并且不对外开放，这样一来，中国队想要自己做CPU的空间不多了。

01 CPU定义

CPU在半导体行业中是人们常接触到的一种芯片，最常见的应用就是在电脑中，其中有名的有Intel的 i9-11980HK 和AMD的 R7-5800X 。

按照CPU种类来分类，可以分为服务器CPU、家用电脑CPU、嵌入式设备CPU和手机CPU，服务器CPU需要更出色的性能、稳定性和安全性，要求服务器365天开机运行，连续工作，一个服务器可以安装多个CPU；而家用电脑CPU性能要求相对较低，容量较小，不要求连续工作，一个电脑只能安装一个CPU；嵌入式设备和手机对CPU的性能要求相对更低。

按照CPU指令集架构来分类，CPU可以分为RISC和CISC。

CISC 即复杂指令系统计算机，物如其名，CISC是比较复杂的，指令系统比较丰富，有特定的指令来完成对应的功能，可以处理特殊任务。

RISC及精简指令集计算机，把精力集中在经常使用的指令上，对不常用的功能，通过组合指令来完成，实现简单高效的特点，一次RISC不能处理特殊任务。通俗来说就是经常用的功能简单化，不经常用的功能复杂化。

这其中CISC代表的指令集有X86，RISC代表的指令集有ARM、MIPS、RISC-V、Alpha、SPARS，除了这两种之外，还有我国自主研发的指令集DEC和LoongArch。

02 六大国产CPU

首先我们来了解一下什么是CPU的生态环境， CPU的生态环境就是一块CPU推出后，系统和软件对它的支持和优化有多少， 比如国产CPU龙芯就没有一个好的生态，不论是采用MIPS还是自主研发的LoongArch都不能支持Windows系统。

自主建立生态环境又难于上青天，而生态如果没有建立，软件商店就不会有软件（比如QQ在Linux中停更），这也是国产CPU发展最大的瓶颈之一。

目前国内有六大CPU设计厂商，他们是华为、飞腾、兆芯、申威、龙芯、海光（均未上市），他们分别以不同的方式参与CPU的设计。

CPU国产替代的故事得从Intel开始。

Intel趁着PC的东风迅速发展，建立了X86架构，标识了一套通用计算机指令集合，并且与微软一起在X86指令集上建立了庞大的生态。

目前的X86指令集不对外授权，只被英特尔和AMD所掌握，而X86又是PC、服务器领域做得最好的，别的指令集的生态环境远远抵不过X86，留给中国队的发展空间实属有限。

中国队CPU分为3个路线。

其一是由 龙芯 和 申威 代表的：自研指令集

龙芯最初采用的是MIPS精简指令集，制作通用CPU，主要产品是自主可控消费类例如服务器、台式机、嵌入式、航天器等领域。

申威最初采用的是Alpha精简指令集，主要应用在超级计算机和军事领域。

龙芯和申威都因为生态的原因，很难发展起来，尤其是龙芯，想要打入服务器和台式机市场必须有很好的生态。

龙芯因为MIPS的分崩离析，开始发展自己的指令集—— LoongArch ，它是完全有龙芯自主研发，可以兼容MIPS生态， 并且开始尝试用二进制翻译兼容ARM、X86处理器，龙芯的目标是在2025年消除指令集之间的壁垒，彻底搞定兼容问题。

申威也因为Alpha被收购，开始发展自主研发的指令集—— SW64 ，它是由Alpha改进而来，申威制作的神威·太湖之光超级计算机便采用SW64指令集，被称为“国之重器”，在国际上都有一定的地位，多项指标全球第一。

第二路线是由 华为 和 飞腾 代表的：ARM指令集授权

华为芯片“四大天王”麒麟、鲲鹏、巴龙、升腾中，除了巴龙以外，均采用ARM指令集授权来开发。这其中最著名的就是“麒麟”了，在手机领域一度领先，直至海外因畏惧华为的崛起，开始了制裁华为事件，就此“麒麟”短暂隐身。

飞腾也是国内目前使用ARM架构制作CPU的厂商之一，其技术不弱于高通，目前公司也被美国列入黑名单，其芯片制造环节同样被卡脖子，可能成为第二个华为。

除了华为和飞腾以外，国内以ARM架构制作芯片的厂商还有很多，例如贵州华芯通、展讯通信等。

第三路线是由 兆芯 和 海光 代表的：合资获取X86授权

兆芯的X86架构授权是源自于VIA公司将部分X86处理器相关技术、资料等IP产权以1.18亿美元价格卖给兆芯。兆芯基于X86的生态和技术，性能方面普遍高于龙芯，但还是不能和英特尔比肩。

海光的X86架构授权是通过和AMD合资公司来拥有AMD授权IP，但并不是完整的技术转让，而是阉割后的残缺版，所以性能上面和AMD锐龙、高通骁龙差一个档次。

03 RISC-V

RISC-V近些年流行的新型指令集，它是一种开源式指令集，对使用者免费开放，也是这种特性使它被众多专家认为是中国处理器产业的一次机会，而且可能是最后一次机会。

目前全球CPU的市场格局是以X86架构垄断PC、服务器行业；ARM架构垄断移动设备行业，这两家几乎涵盖了所有CPU市场需求。

X86架构归“Wintel”（英特尔+微软）所属，是一种封闭指令集，不对外授权， 简单说就是谁也别想用，就我自己能用 ；ARM架构属于可授权指令集+可授权设计， 简单说就是你用需要经过我同意并且收费，你想再它基础上设计还得再经过我同意并且再收费。

正因为如此，RISC-V作为开放式指令集，被中国队大力支持，看作救命稻草。

那RISC-V究竟有没有那么好呢？我们主要得看两方面： 一个是它的生态好不好，生态是决定指令集发展空间的最大因素；另一个就是它到底是不是彻头彻尾的免费，日后会不会再被卡脖子。

第一，RISC-V的生态怎么样。

RISC-V具有性能高、功率低、面积小、易于扩展等技术特点，最重要的是它的开源、免费的独特属性，为其带来众多合作商，影响力逐步扩大。

从2015年组织RISC-V基金会成立是的25个成员，到现在已经有超过300多个单位的加入，其中包括阿里、谷歌、华为、英伟达、高通、中科院、麻省理工等等。

日前，有知情人士表明，英特尔将以20亿美元收购RISC-V领域的重量级公司SiFive，这也表明了英特尔的态度。

虽然英特尔靠X86架构在PC、服务器领域无人能敌，但是移动设备一直是他的心病，ARM在移动设备领域是他无法抗衡的，而RISC-V的出现，给了机会。

但是看好归看好，ARM的垄断地位依旧很难撼动，RISC-V后续可能与X86联手对抗ARM，但更大的可能是打入嵌入式设备市场中，做物联网领域的“一哥”。

总体来说，不论是PC、服务器，还是移动设备，都很难被RISC-V介入，相反一些嵌入式设备比如空调、冰箱、扫地机器人、电动车等等发展环境更好。

第二，RISC-V是否永远免费。

RISC-V源于2010年，加州大学伯克利分校的一个研究团队研发，当时他们因为市场已存在的指令集相当复杂，且成本和门槛太高，所以建立了新的指令集。

“开源架构RISC-V将永久免费，成为人类共有财产。相较于X86和ARM架构的高门槛，开源架构RISC-V将带来芯片设计的革命”——RISC-V架构开发者之一Krste Asanovic博士。

这是RISC-V架构开发者的原话，表明该指令集是完全开源免费的，到目前为止他们也很好的履行了，甚至把基金会总部搬离美国，迁移至瑞士（永久中立国）以防止美国地方政策的限制。

尽管RISC-V从表现来看做得很优秀，但抽丝剥茧，终究还是有隐患在的。

实现RISC-V指令级架构的处理器内核有很多个不同的微架构实现，而微架构实际的模式是分不同类型的，其中有开放的、需授权的以及封闭的。

虽然基于RISC-V开发CPU不需要支付授权费用，但如果直接用RISC-V内核设计，也是需要支付授权费的。通俗来说就是你用我不需要收费，但是想在它的基础上设计得经过我同意，甚至收费（我们目前是全免费，但我有权利在以后收些钱）。

总结来说，目前全球的指令集呈现以X86、ARM、RISC-V三足鼎立的局势，RISC-V作为新时代的弄潮儿得到了各大厂商的认可，有发展的空间，但它不足以撼动其他两个指令集的地位，不过可以预料到的是，等RISC-V成长起来，仍然有可能对我国CPU发展卡脖子，我们需要保持隐患意识，在跟随洋人步伐的同时，发展自身CPU业务。

纵观国内厂商在电脑CPU领域，龙芯以自研为主，开发属于中国的指令集，目前已经可以满足一些党政领域以及机密工作的需求，但打入家用电脑领域仍需要提升CPU的生态和性能；服务器CPU中，申威在超算上小有成绩；华为近期也有消息称完成40nm去美化工作线投产，在明年更将攻破20nm的工作线，麒麟可能会重新归来；一些未上市公司如芯来 科技 、平头哥等也有在尝试RISC-V领域。

种种迹象都在证明，虽然我们起步慢了30年之久，但国产CPU一直在突破，路途艰辛却一路披荆斩，长夜漫漫，但黎明终将到来。

全文由各种资料查证，如有专业领域上的错误，希望可以抛砖引玉，有所探讨。

芯片全产业链图（绿底已经写完）

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设计和工艺都是芯片制造的两大难点，两者一定程度上相辅相成，在我看来还是工艺相对更难一些。

美国有大量的芯片设计公司，高通，AMD，NVIDIA等等，这些公司都拥有世界一流的芯片设计师，AMD曾经还有自己的芯片制造工厂，但是迫于巨大的财务压力，把厂子给卖了，就是如今的GF。现在有能力同时设计和制造处理器芯片的大厂也就剩下英特尔和三星了，可见建设和维持芯片制造厂的难度之大。

除去CPU、GPU等复杂的高端芯片，还有许许多多的各类小芯片在我们周围的各种电子设备中，即使是在国内，能够设计这类芯片的公司也有很多很多， 但是他们的共同特点就是在芯片设计好之后需要交给芯片代工厂制造，然后才能生产出成品芯片投入市场。

全球的芯片代工制造厂就只有台积电、三星、GF这样的了了几家， 因为半导体芯片的生产制造过程极其复杂，不仅要购买天价设备，投入巨大研发人员，还要未雨绸缪，工艺随时更新换代（28nm—16nm—10nm—7nm），同时还少不了丰富的芯片制造经验。 台积电一年为研发和新建晶圆厂投资就达数百亿元，还得持续不断的投入，真不是一般公司能玩得起的。

优秀的芯片设计可以保证在现有工艺下更好的产品质量和良率，但是如果代工厂的工艺本身不过关，就无法做好这个芯片，投入市场更是无从谈起。 台湾的联发科和众多 科技 企业一定程度上也是借助台积电强大的芯片生产能力崛起的，苹果IPhone一款手机同时使用两家不同的代工芯片都会引起能耗差距和全球用户的关注，可想而知，芯片工艺水平是多么重要。

国内大陆现在有麒麟、有龙芯，但是至今还没有芯片制造商，大都是拿到别人那里代工，这里面国内有人才和资金的困难，也有欧美国家限制出口高端设备的因素， 试想你自主研发的芯片如果找不到代工就只是一张图纸而已，所以说即使芯片设计能力不够强，保证能用还是没问题的，但是如果没有先进成熟的制造工艺和工厂，这个芯片就无从谈起。

我们往往会有一种错觉，认为芯片制造工艺要比芯片设计要难，其实这是一个常见的误区。

持有这种观点的人往往会举这样的例子：在芯片设计上，华为海思已经是世界一流水平，完全不输给美国、韩国等国家；而在芯片制造上我们还要依赖台积电代工，中芯国际作为中国大陆最强的芯片制造厂商，目前也才刚刚攻克14nm工艺，离最先进的7nm还有不小的差距。

这样的证明有一个逻辑问题：我们在芯片行业某个领域有优势并不代表就容易，在另一个领域处于劣势也不代表这件事情本身就更难。

同样用华为海思的例子，麒麟芯片虽然是华为自己研发的，但是到目前为止它用的还是ARM的公版架构，麒麟的GPU也不是自研的，所以不能简单地下结论说芯片制造要比芯片设计要难。

芯片制造确切地说是一个烧钱的生意，像台积电这样的大厂每年的投资就要达到好几百亿。芯片制造很多时候是一个赢家通吃的市场，它不仅难在技术，更多的时候是对资本的要求。

几个小时前的消息，芯片制造业的巨头格罗方德宣布暂停所有7nm FinFET 技术的研发，这意味着未来参与7nm竞争的芯片大厂仅剩英特尔、台积电和三星三家，中芯国际还处于第二梯队。像格罗方德这样的巨头并不是技术实力不济而退出，更多的原因是因为在资本上耗不起了。

华为当初选择切入芯片设计领域是非常明智的选择，芯片设计不仅处于产业链的上游利润相对较高，并且也不像芯片制造那样对资本、设备有特别高的依赖。但这并不代表说芯片设计就要比芯片制造（工艺）容易，要知道华为海思能有今天的地位也是奋斗了整整14年的结果。

所以单纯地去讨论芯片制造工艺和芯片设计哪个更难并没有太大的意义，更重要的是从全局的角度去看行业中的那些领域可以和别人合作，那些领域必须自己干，避免卡脖子的情况出现。

设计、工艺都难，而制造芯片的那个设备制造更难。总之一句话：芯片产业代表了当今制造业最高水平，拥有全产业链则傲视群雄独霸天下。

真懂行业术语的人不多，反正了解制造业的人都知道，装备才是代表制造业水平的标志，也就是到一个工厂，看他用的什么设备，设备越先进，制造水平也就越高。

现在，绝大多数国家都是卡在制造芯片的设备上，这设备制造水平最高就荷兰。美国为了垄断，禁止这套设备随便卖。全球最大芯片光刻设备市场供货商阿斯麦2018年年产24台，2019年能达到年产40台的产能。 但就是这样单价超亿美元的昂贵设备，他们却不卖给全球电子产品市场增长最快的第二大经济体。

对于普通人来说，光刻机或许是一个陌生的名词，但它却是制造大规模集成电路的核心装备，每颗芯片诞生之初，都要经过光刻技术的锻造。

有个故事，日本一个工程师当年为了偷学德国先进的纺织机械制造技术，自断一条腿，在德国厂家旁边开饭店，通过接触德国工程师，偷学了技术，并加以改进，而这个光刻机可不是一己之力就能偷学到，光刻机被业界誉为集成电路产业皇冠上的明珠，研发的技术门槛和资金门槛非常高。也正是因此，能生产高端光刻机的厂商非常少，最先进的14nm光刻机就只剩下ASML，日本佳能和尼康已经基本放弃第六代EUV光刻机的研发。

那为何禁止随便卖呢？

这就不得不说《瓦森纳协定》，又称瓦森纳安排机制，全称为《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳安排》，目前共有包括美国、日本、英国、俄罗斯等40个成员国。尽管“瓦森纳安排”规定成员国自行决定是否发放敏感产品和技术的出口许可证，并在自愿基础上向“安排”其他成员国通报有关信息。但“安排”实际上完全受美国控制。当“瓦森纳安排” 某一国家拟向非成员国出口某项高技术时，美国甚至直接出面干涉。

机器总是人造的，想造出最好的机器，仅靠模仿肯定不行。创新的基础是学习，同时还要有不服输的劲头，现在是人家不给你学习机会，自己琢磨还得有一个相当长的过程，最快也要十年八年。

加油！

芯片虽小却有大学问，我国要是具备自主设计和生产高端芯片的能力，就是真正被世界公认的制造业强国了。显然，我国还有很长的路要走，不可能一蹴而就。这些年来，国内很多企业学会了投机取巧，包括中兴也一样，否则不会被人轻易抓住把柄。创新口号喊得响，却没有实质的自主创新，企业发展是虚胖，追逐利益但武功全废，没有真本事。我国一直提倡工匠精神，但没有营造培养工匠的环境，整个 社会 浮躁，缺乏专注干成事的氛围。

工艺更难。对于大陆来说，在芯片工艺上的落后，永远是一种刺痛。

以手机处理器为例，华为的麒麟处理器，尤其是到了麒麟 970 这一代，设计上，已经完全不输美国高通和韩国三星了。

但是麒麟 970 的生产，没有任何一家大陆厂商能做。华为虽然能设计，但也生产不了，只能交给台积电。

为什么？现在手机处理器上最先进的工艺，是 10 nm 工艺，垄断在台积电和三星手上。

而大陆最一的中芯国际，才能做 28nm 的工艺，这是三星五年前淘汰的工艺。

还有电脑处理器，英特尔为什么排第一？因为它用的是 14nm 工艺，马上 10nm 工艺也量产了。

而中国电脑处理器，最强的是龙芯处理器，性能远远落后于英特尔。为什么？因为龙芯用的是落后的 28nm 工艺，耗电量高，在同样的功率下，必然性能远远落后。

为什么大陆还在用落后的 28nm、45nm 工艺呢？

因为加工处理器，需要光刻机，而最先进的光刻机，垄断在荷兰 AMSL 公司手上。美国不允许 AMSL 把最先进的光刻机卖给大陆，大陆只能引进中低端的光刻机，最高只能做到 28nm 工艺。

好在大陆现在也认识到问题严重，中芯国际加大研发，预计几年内就能上马最先进的 7nm 工艺，到时候，就能大大缩短中外的工艺差距。

芯片是一个体系化的，只有全部的产业链都配合好了才能进行生产，无论是设计、工艺、制造都一样，但是整体看起来还是工艺更难。特别是从华为的海思芯片的成功来看，工艺太难了。

一、设计难，但是也有基础

芯片设计上就是一套解决方案，而美国有大量的芯片设计公司，比如高通，AMD，NVIDIA，三星，苹果等等，这些设计公司就具有非常强大的设计能力。

我国的华为海思麒麟芯片也一样，依靠强大的设计能力，麒麟芯片自己成为了国产芯片的重要的标杆企业，也是少数具备自主研发设计能力的企业。

现在海思麒麟芯片已经和高通芯片在争夺全球芯片第二的席位，仅次于苹果的A系列芯片，这不得不说是巨大的成功。

二、工艺难，所以我国芯片远远落后

在芯片的工艺上，我国是远远落后的，比如我国现在还在做28nm的芯片，但是现在高通已经做了7nm芯片，中间至少差了3代，现在我国28nm的中芯国际的工艺是三星五年前的工艺，由此可见差距有多大。

在电脑芯片也是一样，Intel马上就要做10nm级别的芯片了，我们还是远远落后。 而且芯片是没办法跨代发展的，你只有现生产了45nm的芯片才能生产28nm的芯片，而不是直接生产14nm的芯片，因为技术难题根本没办法跨代解决，只能一个个攻克。

现在有华为的海思麒麟芯片，还有寒武纪的AI芯片，我国芯片发展在加速了。而小米的芯片还是相当低端和落后的。

你认为华为芯片能超过苹果A系列芯片吗?

当地时间4月16日，美国商务部发布出口权拒绝令，禁止美国企业向中兴通讯销售元器件，时间长达七年。在此之前，中国虽然拥有全世界最大的半导体市场，但每年需要进口的芯片价值高达2000亿美元，2017年更是达到了2600亿美元。 在这样的情况下的禁令虽然给一些企业带来了不小的冲击，但从某种意义上也促使了我国尽快进入“芯片自强”的时代。

芯片设计与工艺哪个更难，不如问，芯片设计和芯片工艺哪个更是阻止我们“芯片自强”的拦路虎？

尽管我国之前每年都要进口大量的进口芯片，但这并不代表我国没有芯片设计的人才。在以前，由于市场上已经有了性能优良的芯片，购买比投入设计更加划算，没有很多机会给科研工作者去设计芯片再更新迭代，因此我国芯片设计行业不够活跃，而现在，国家越来越重视“芯片自强”，设计工作者们也有了机会开始大显身手。事实上， 2015年，我国发射的两颗北斗导航卫星使用的就是我国自主研发设计的“龙芯”特制芯片。 由此可见，芯片设计虽然困难，但我国绝不是没有相关人才。

但是对于芯片制造所需要的设备，我国却始终不能从官方途径大规模引进，只能通过特殊途径少量购买，即使掌握了核心的技术，没有硬件设施的支持，也很难成功制造出。

因此， 虽然芯片工艺和芯片设计各有各的困难之处，对我国现状来说，还是芯片工艺更加的困难。

芯片制作完整过程包括：芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个主要环节，其中每个环节都是技术和 科技 的体现。对于芯片来说设计和工艺都很复杂，但是相比较而言，制造工艺更难！！

我有幸在一家业界较大的封装测试代工企业从事过设备工程师2年，大概说一下其中的体会。

(封装只是整个芯片制作过程中的一小部分)

1，流程较多

整个工厂主要分为切片、焊线、模压、印字、电镀/植球、测试等，每一次工艺或者制程更新和改进，对于每个车间来说都要做可行性认证、改换模，上下流程车间的对接。

2，技术要求高

我们当时给华为海思和展讯代工过，技术要求非常高，有时候整个车间试做一个月，有时候仅仅其中设备的ESD不过关，就要重新改进工艺。

3，产品良率要求高

芯片价格不便宜，我们模压车间每天要过量上百万颗芯片，良率低于99.98％，就要停机溯源。重大不良率，主管领导要降级。

4，设备价格高

工厂所有的设备都是日本品牌，我们车间的设备总价值过5亿人民币。

5，工程师培训周期长

工艺工程师平均培训周期要3年以上。

国产芯片真正想在设计和制作工艺上赶超日美，还需更大的努力，政策的扶持，资本的推崇！！

工艺更难。芯片产业共有六个环节:软件(EDA)工具.芯片设计.芯片制造.封装测试.材料供应.制芯设备。我们目前最大难点就是光刻机技术，据我所知现在只有荷兰这个国家可生产光刻机，光刻机是制造芯片最核心设备，制造芯片如没有它那就是"痴人说梦"，联想近段时间很多人都挥手要做芯片，特别还有一些知名企业家准备斥巨资投入"芯片运动"，这不是贻笑大方吗？

连美国 科技 这么强大的国家也要荷兰提供帮助，美国英特尔.MAD.英伟达等公司都是荷兰(ASML)最大的客户，并且ASML光刻机是荷兰独有并垄断的，全世界都要向它纳米进贡。

我国有些企业曾经多次想购买ASML光刻机，最后都以失败告终。究其原因两个:一.不敢得罪最大的客户美国公司，二.不想失去这么好赚钱的买卖。

所以我们现在需要静下心来，认识目标，找出短板的原因，而不能一味躁动，心血来潮。只有认清形势，找对目标，那总有一天凭着中华儿女的智慧可以解决"芯片"问题。看将来必是中国人的世界！

只能说都不容易，不管是设计还是工艺，对于半导体行业而言都是壁垒所在。

这也是中国芯片一直攻克不了的问题，这需要整个产业链的协同，包括人才、产业等，这点需要一个长期的过程才能形成，这也是硅谷不可替代的所在。

回答来自 科技 行者团队成员——李祥敬

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