
1 下载Ubuntu 2004 ISO镜像文件:在Ubuntu官方网站上下载最新的Ubuntu 2004 ISO镜像文件(例如ubuntu-20041-desktop-amd64iso)。
2 使用软件刻录Ubuntu 2004 ISO到U盘:使用软件如Rufus、Etcher等将ISO镜像文件写入U盘。
3 将U盘插入海光服务器并启动服务器:将U盘插入海光服务器并启动服务器,在启动过程中进入BIOS设置界面,确保您已将U盘设置为启动设备。
4 进入Ubuntu 2004 安装程序:一旦U盘引导成功,您将看到Ubuntu 2004 安装程序。您可以根据提示进行语言、时区、键盘布局等设置。
5 分区和安装Ubuntu:在分区时,您可以选择将整个硬盘分配给Ubuntu或者在已有 *** 作系统上安装双系统。根据您的需要,选择相应的选项并进行分区。然后,您可以开始安装Ubuntu。
6 进行基本设置:在安装完成后,您将需要设置用户名和密码等基本信息。这样,您就可以登录到新安装的Ubuntu 2004系统中了。
请注意,这只是Ubuntu 2004安装的基本步骤。根据您的实际情况,您可能需要进行一些其他设置和配置,例如网络和防火墙等。如果您遇到问题,可以参考Ubuntu官方文档或寻求技术支持。电子发烧友网报道(文/黄山明)近日,据“中科院 科技 创新亮点成果筛选”活动页面的结果显示,龙芯中 科技 术股份有限公司已经完成了基于自主LoongArch指令系统的龙芯3C5000服务器CPU的研制,国产服务器CPU再向前迈出了一步。
龙芯3C5000服务器CPU(图源:龙芯中科)
对于CPU的命名,一般A系列为桌面级CPU,而C系列则是服务器CPU。从公开信息来看,龙芯3C5000服务器 CPU内部集成了16个高性能的龙芯LA464处理器、32MB的共享偏上高速缓存和4个64位DDR4-3200内存控制器,主频为21-23GHz,单新品双精度浮点运算速度超过05TFLOPS。
单从性能上来看,龙芯这款3C5000已经与市面中的主流CPU相当,已经可以满足当下云计算与数据中心的性能要求。
值得一提的是,LoongArch也就是龙芯自主指令系统架构已经实现了完全自主、技术先进、兼容生态三方面的特点,其中拥有近2000条指令,并不包含MIPS指令系统。该架构今年正式被龙芯对外发布。
在今年7月份,龙芯中科发布了3A5000CPU,作为桌面级CPU,其性能已经逼近市场的主流产品,据相关机构评测数据显示,龙芯3A5000单核SPECCPU 2006 Base定浮点分值在25GHz主频下性能超过了26分,平均每GHz性能超过了10分,已经与市场主流X86产品相当接近。
其中,龙芯处理器除了CPU核心是自研的以外,包括GPU核、内存控制器和PHY、高速IO接口控制器和PHY等上百种IP均自主研发。
国内的CPU生力军除了龙芯以外,还有如兆芯、飞腾等。如兆芯在2015年便发布了一款ZX-C4600/4610处理器,算是价格门槛较低的国产通用型X86 CPU。主频为2GHz,采用28nm制造工艺。
兆芯ZX-C4600(图源:兆芯)
根据测试,这款兆芯的芯片性能基本等同于英特尔在2007年发布的奔腾双核E2160的两倍,已经可以满足日常办公需求,同时由于采用了X86架构,因此可以兼容Windows、Linux等 *** 作系统。
飞腾也发布过处理器产品,如经典的FT-1500A/4四核处理器,不过由于采用了Arm V8的架构,因此无法与Windows兼容,基本只能运行国产化Linux系统,距离普通消费者就更远了。
图源:飞腾
如今飞腾还发布了FT-1500A/16的16核心处理器以及FT-2000+/64的64核心版本的服务器平台。
除了以上几款之外,国产CPU还有如鲲鹏、海光、申威等品牌,如申威的CPU便被曾经全球第一的超算神威·太湖之光所采用。
上文已经了解到国内的部分国产CPU相关产品,但可以肯定的是,如果并非是业内人士,可能基本没有听闻过这些国产的CPU。一方面是由于国产CPU市场份额过小,知名度只局限于相关专业人士,另一个原因在于价格原因导致国产CPU推广更加困难。
首先说价格,可能一般用户会认为,既然国产CPU性能相比英特尔、AMD还存在差距,甚至可能还不如上一代的奔腾、赛扬,那么售价也必须要比这些产品更便宜才对。
但事实上,正是因为国产处理器受众较小,大多数用户并不买单,销量较低,而研发成本又摆在这里,平摊下来每块CPU成本并不低。假设研发出一个新系列耗费1亿元(成本已经很低),但最终只卖出了10万套不到(10万套基本已经是国产CPU销量天花板),那么每一套的成本就达到1000元,这还没有算渠道费用以及存储、运输等额外的支出。
对比英特尔、AMD动辄数百万以上的销量,国产CPU的成本很难降低,这就导致如今的国产CPU价格甚至比这些国外CPU产品更高。
当成本降不下来,性能还不如国外同类产品的情况下,普通消费者基本不会支持,只能依赖于政府采购为主。如果想要普通消费者买单,如今只能走补贴的路线来将价格降下来。
除了成本以外,另一个问题还在于生态。兆芯CPU采用了X86架构,可以兼容Windows,其生态环境稍好一些。但对于龙芯以及飞腾而言,由于采用的分别为自研架构LoongArch以及Arm架构,因此与Windows并不兼容。
这对于用户而言就不太友好了,没有相应的软件生态环境,就意味着没有国产CPU施展能力的空间。如果想要软件生态,就只能放弃自研,采购通用架构,制造服务器CPU,来帮助企业迅速回本。不过这样一来,一旦被国外“卡脖子”企业很难有还手余地。
如今国内掀起了一股国产替代的浪潮,而CPU作为计算机系统运算和控制的核心,如何实现CPU的自主可控,并能够经受住市场的考验实现替换,是国产崛起的关键。
当前已经多款国产CPU产品,那么距离替换英特尔还有多远呢?
如果光从性能上来看,龙芯3A5000性能与2015年的英特尔i5水平相当,这已经很不错了,要知道在过去国内外CPU在性能上的差距就能达到10年以上。因此只看性能的话,大概5-8年左右就能够替换英特尔。
但CPU除了性能以外,生态也非常重要。简单地打个比方,在海外,安卓手机大多都会使用GMS框架,只有拥有了GMS才能运行谷歌应用及需要GMS支持的应用,而大多数海外的安卓应用都需要GMS支持才能够使用。当有手机被禁止使用GMS时,在海外市场就意味着除了打电话以外,基本干不了什么其他的事了,这就是生态。
由于英特尔CPU的强大市场地位,Windows基本是基于X86而开发的,对于其他的CPU而言,会产生兼容性的问题。
而其他CPU稀少的市场份额,很难吸引到开发者愿意去为这一架构开发相应软件,最后陷入恶性循环,强者恒强,弱者越弱。
好在如今一些CPU开始着力打破这个生态系统,如龙芯也开始走兼容模式,已经能够运行一些Windows程序,未来随着能够运行的程序越来越多,相信也会在市场中慢慢占有一席之地,通过市场来带动国产CPU技术的迭代与发展。
那么答案很明显了,如果只看性能的话,可能需要5-8年才能完全替代英特尔,如果没有那么极客,如今的国产CPU已经可供日常使用。但生态的缺陷让国产CPU境地较为尴尬,虽然喊出要打造第三套生态系统,但显然是一个漫长的过程。在此之前,与另两个生态兼容将是国产CPU的必由之路。
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118亿美元价格卖给兆芯。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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数字芯片是半导体行业里市场空间最大,技术壁垒最高的赛道。之前我们分析过的那些尖端设备和材料,主要都是为数字芯片打造的。
目前芯片设计这些赛道里,IGBT和模拟芯片领域都有IDM厂商,但数字芯片很少有做全产业链的,大家专注于自己的环节,分工合作。
这是因为IGBT和模拟芯片虽然技术和资金壁垒也很高,但生命周期长。数字芯片的发展却遵循摩尔定律,不但研发需要大量资金,晶圆代工需要大量资本购买设备,迭代又非常快。
等你把这一代产品全都配置好了,人家下一代产品又出来了,还得接着追,这就是数字芯片最难的地方。
数字芯片的工作原理简单来说就是通过晶体管控制电流的“开”和“关”,来表达数据信息的“1”和“0”,或者逻辑判断的“是”与“非”,所以数字电路也称开关电路或逻辑电路。
其组成主要就是工作在开关状态的晶体管,所以数字芯片的规模大小由其中的晶体管数量决定,摩尔定律说的也是每隔18个月晶体管数量增加一倍,因此晶体管数量对数字芯片性能起决定性作用。
数字芯片包含七种类别,分别是逻辑电路、通用处理器、存储器、单片系统SoC、微控制器MCU、定制电路ASIC和可编程逻辑器件。将来我们会对其中主要类别进行逐个分析。
简单的逻辑电路通常由门电路构成,基本是由与门、或门和非门电路排列组合而成,这些系列的电路也称为组合逻辑电路。
数量庞大的逻辑电路芯片经过不同的排列组合,理论上可以处理非常复杂的控制和运算问题。
但当下的芯片集成度很高,许多自成系统的逻辑电路可以集成在芯片内部,一个芯片就可以实现复杂的功能,也就没人愿意用大量小芯片去实现一个大系统。
所以目前逻辑电路芯片仅用于小型电子产品中,以及在大系统的通用大芯片之间的连接电路上。
通用处理器一般指服务器用和桌面计算用的CPU芯片,也包括GPU、DSP、APU等。
它是规模最大、结构最复杂的一类数字电路芯片,由海量逻辑电路组成,包含了控制、存储、运算、输入输出等完整的数据和信息处理系统,这次我们先分析CPU这一细分领域。
01 什么是CPU
CPU也叫中央处理器,是计算机的运算和控制中心,主要功能是完成计算机指令的执行和数据处理,因此CPU与内部存储器、输入输出设备被认为是计算机三大核心部件。
控制单元是CPU的控制中心,当下达指令时,控制单元负责将存储器中的数据发送至运算单元并将运算后的结果存回存储器中。
运算单元负责执行控制单元的命令,进行算术运算和逻辑运算。
存储单元是CPU中数据暂时存储的位置,其中寄存有待处理或者处理完的数据。寄存器相比内存可以减少CPU访问数据的时间,也可以减少CPU访问内存的次数,有助于提高CPU的工作速度。
按照处理信息的字长,CPU可分为四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等,后续还在不断拓展。
CPU作为集成电路的一部分,现在全球集成电路市场受益于5G、可穿戴设备和云服务等应用领域发展,依旧在稳步增长。
中国是全球最大的集成电路市场,增速也是全球最快,2012-2020年九年间集成电路产业市场规模复合增长率达到1681%。
集成电路进出口市场上,我国存在较大逆差,而且逆差还在拉大,国产化替代空间广阔。
CPU的下游市场涵盖服务器、桌面端、移动 PC端、智能手机以及物联网、人工智能、 汽车 电子、智能穿戴等新兴应用领域。
目前桌面端和移动PC端发展平缓,服务器受益于云化趋势增速较快,智能手机受益于5G换机潮迎来一波周期性机会,行业中长期发展还得看那些新兴领域,但新兴领域并不完全是CPU的增量市场,比如新能源 汽车 。
目前全球新能源 汽车 销量持续增长, 汽车 三化(电动化、智能化、共享化)势不可挡,电子成本占总成本的比率逐步提升,发展空间很大,2021年全球 汽车 芯片市场规模预计可达到440亿美元。
按应用场景划分,车用计算芯片可以划分为智能座舱芯片和自动驾驶芯片、车身控制芯片。
由于单纯一个的CPU已经无法满足智能 汽车 的算力要求,将CPU与GPU、FPGA、ASIC等通用或专用芯片异构融合的SoC方案成了各大AI芯片厂商算力竞争的主赛道。
不仅智能 汽车 ,在物联网和人工智能等领域,传统CPU也出现了不能适应市场要求的情况。
随着物联网设备灵活性要求日益提高,芯片向低功耗、高性能方向发展,MCU和SoC脱颖而出。
人工智能常用的AI芯片通常是针对人工智能算法做了特定加速设计的芯片,如GPU、FPGA、ASIC和神经拟态芯片。
虽然深度学习算法上CPU不如AI芯片,但做大规模推理,CPU比较有优势,再加上CPU优势领域的市场空间广阔,应用场景丰富,国内 科技 企业持续研发国产CPU依然势在必行。
目前CPU主要市场份额仍在海外企业手中。随着国内技术进步,国内CPU也在变得更好用,再加上政策持续加码,国产替代确定性较高。
02 CPU芯片架构
芯片架构也叫指令集架构,简单来说就是芯片的执行流程,不同指令集架构的芯片就是执行步骤的不同。
目前CPU指令集架构主要分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)两大类。
复杂指令集支持的指令更多,每种运算都有自己的完整指令。由于只有少部分指令会反复使用,精简指令集就是对其进行精简,不用每种运算都有完整指令。
复杂指令集更适用于运算复杂的电脑CPU,精简指令集更适用于运算要求较低,功耗也较低的手机CPU。
在这两种指令集基础上又产生了不同的架构,也就是在指令集基础上实现对CPU内的控制单元、运算单元、存储单元等部件的一系列完整设计和安排。
03 X86架构
CISC的架构主要就是X86架构,目前Intel和AMD两家独大。
Intel和Windows组成了“Wintel”联盟,击败了苹果、IBM、摩托罗拉的Power联盟,垄断桌面市场长达20多年。直到目前,服务器、桌面和移动PC主要使用的还是X86架构处理器,Intel依然占据大部分市场。
后来随着AMD第二代Epyc处理器“罗马”问世,AMD服务器CPU市占率在短短两年内从1%增长到了8%。接着第三代Epyc处理器“米兰”发布,其服务器市场份额有望达到15%。
由于AMD服务器芯片性价比较高,又有台积电7nm制程技术加成,越来越多数据中心开始采购AMD的产品。
X86架构之所以覆盖范围这么广,除了起步早、性能高、兼容性好之外,还跟它生态完善有关,目前全球65%以上的软件开发商都为X86提供服务,你想自己设计一个架构,没有生态也就没有人使用。
现在X86架构在中国市场依然广阔,尤其是在服务器领域具有绝对优势,几乎占据全部服务器销量。其他非X86架构的服务器占比很小,主要都是ARM架构。
除了Intel和AMD双寡头以外,国内还有兆芯、海光和MPRC几家X86芯片商。目前X86架构的国产化替代还不太明显,兆芯2019年市占率仅01%。
04 ARM架构
RISC的架构有ARM、MIPS、Power PC、Alpha、RISC–V等。
如今超过90%的智能手机采用ARM架构,MIPS在嵌入式设备中应用广泛,而且随着性能提升,技术层面的融合,RISC架构也在不断向X86的应用领域渗透。
ARM架构由于具有成本低、功耗低、体积小、性能高等特点,非常适用移动通讯领域,在智能手机、调制解调器、车载信息设备、可穿戴设备等领域都占据绝对统治地位。
目前ARM架构是非X86架构中应用最广泛,发展最成熟的架构,市占率达到了432%。
ARM完整产品线包括微控制器、微处理器、圆形处理器、实现软件、单元库、嵌入式内存、高速连接产品、外设以及开发工具。
目前国内外主要ARM厂商有ARM、联发科、高通Qualcomm、苹果、三星电子,飞腾、华为鲲鹏、展讯SPREAD TRUM。
世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。
联发科是世界上最大的ARM手机芯片供应商,苹果、三星、高通等行业巨头均在最近几年使用ARM架构,逐步实现基于ARM的全生态链。
截至2021Q1,联发科和高通是最主要的手机CPU供应商,市场份额分别为35%和29%,同比分别增长11%和-2%。
苹果市占率为17%,三星降至9%,华为海思由于受到美国升级制裁的影响,市场份额快速下滑,降至5%。
服务器方面,非X86目前参与者包括华为、飞腾、高通、亚马逊等。
华为鲲鹏服务器是ARM服务器的重要参与者,据华为称,鲲鹏出货量已占据市场50%,未来有望发挥其在移动市场的优势,借力云端协同,抢占服务器市场更多份额。
在桌面PC市场,ARM正逐渐被更多企业应用,2011年微软开始采用ARM的Windows系统,ARM开始进入X86的传统优势领域,如今苹果MacOS、新版Windows等均采用了ARM架构。
此外,ARM在物联网、 汽车 等领域均有很大发展潜质。ARM在公共事业、智慧城市、资产管理等领域均提供了解决方案。
05 MIPS等架构
MIPS、Alpha、Power等架构已经不是市场主流应用,但在特定领域内仍在被使用。
MIPS架构是一种简洁、优化、具有高度扩展性的RISC架构,能够提供最高的每平方毫米性能和当今SoC设计中最低的能耗,已经在移动和嵌入式工业领域销售了近三十年,目前市占率9%。
MIPS多线程CPU已经广泛应用于不同领域,以及许多移动设备的LTE调制解调器中。
国内外主要MIPS芯片商主要有MIPS公司、Ikanos、龙芯中科、北京君正。不过MIPS公司两度易主后,新公司已经转向RISC-V。
龙芯和申威分别获得MIPS及Alpha永久授权发展自主指令集,我国企业成为了该架构应用产品研发和全球生态构建的单一力量,应用的也都是国家非常注重安全的领域。
Power架构在相关市场的占有率也不过1%左右,但在高性能计算领域一直拥有相当重要的地位,其一些技术特性甚至可与Intel一较高下,然而市场参与者基本只有IBM。
06 RISC-V架构
RISC–V是目前业内最被看好,最有机会弯道超车的新架构,具有完全开源、架构简单、易于移植,适用于各种设备、完整工具链, 运行效率高等特点。
这种架构目前接受度逐渐提高,有望成为继X86和ARM架构之后第三大主流指令集架构。
由于RISC-V基金会为非盈利会员制组织,所以RISC-V本身是免费的,自 RISC-V 基金会于 2015 年成立以来,RISC-V 生态系统经历了爆炸式增长,2020年成员增长率达到133%。
物联网的兴起为上游产业链提供新的成长潜力,由于RISC-V具备开源等特性,与物联网更灵活和多样的要求相吻合。
而且自中美贸易战以来,中国企业存在受制于美国不能升级架构的风险,随着RISC-V逐渐被接受,为我国芯片厂商通过RISC-V架构实现独立自主提供可行性。
Semico Research 预测,到 2025 年,市场将消耗 624 亿个 RISC-V CPU 内核,2018-2025 年复合年增长率为 1462%。其中工业领域将以使用超过167亿个内核遥遥领先。
市场研究公司Tractica也预测,RISC- V的IP和软件工具市场在2018年为5200万美元,到2025年时将增长至 11亿美元。
目前RISC-V发展时间较短,尚未一家独大,相关生态还在发展。
短期内ARM架构依然会占据中高端市场,RISC-V主要在一些碎片化的新兴市场展开应用,如物联网的轻终端场景。
这些场景需要低功耗低成本,但是往往程序不用大改、对软件生态的依赖性不高、出货量又很大,符合RISC-V阶段性的发展目标。
RISC-V允许任何厂商设计、制造和销售RISC-V芯片和软件,因此吸引了大批 科技 公司入场。
GreenWaves、IBM、NXP、西部数据、英伟达、高通、三星、谷歌、华为、晶心 科技 、芯源股份、芯来 科技 、阿里平头哥、中天微、Red Hat 与特斯拉等100 多家 科技 公司加入其阵营。
07 国产CPU自主可控程度
国产CPU经历了将近20年的发展,也产生了一批有实力的企业,如前面提到的中科龙芯、天津飞腾、海光信息、上海申威、上海兆芯等。
这其中申威和龙芯自主可控程度最高。上海申威主要从事Alpha架构的研发,它是目前创新可信度最高的国产CPU厂商,基本实现完全自主可控,主供党政办公、军方和超算领域。
其次是飞腾和华为鲲鹏(海思)为代表的ARM架构国产厂商。ARM架构需要有ARM公司授权,主要有三种授权等级:使用层级授权、内核层级授权和架构/指令集层级授权。
其中指令集层级授权等级最高,企业可以对ARM指令集进行改造以实现自行设计处理器,目前海思、飞腾已经获得ARMV8永久授权。
如果他们基于V8授权发展出自己的指令集,其创新可信程度将显著提升,即使未来拿不到V9V10等新架构授权,依然可以维持先进性。
最后是海光和兆芯为代表的X86厂商,仅获得内核层级的授权,未来扩充指令集形成自主可控指令集难度较大。
国产cpu有华为鲲鹏、飞腾CPU、海光CPU、龙芯、兆芯、申威。
其中华为鲲鹏、飞腾CPU采用的是ARM架构,龙芯采用的是MIPS架构,而兆芯、海光CPU采用的是X86架构,申威采用的是Alpha架构。
先说采用ARM架构的鲲鹏、飞腾CPU,由于采用的是ARM架构,所以无法安装windows,再加上ARM架构的原因,用在个人PC上不太合适,目前也主要用于服务器,一定程度上而言,只能部分取代intel的服务器芯片。
再说说龙芯,龙芯采用MIPS架构,也无法安装windows,而最新的龙芯芯片3A5000系列,其水平大致也只能与3年前的英特尔台式机芯片的i3系列水平相比。
所以龙芯要替代intel,在个人CPU领域,也是有点困难的,大多用在工控,以及一些教育、行政等等对性能、生态要求不高,但对安全、自主可控要求高的地方。
再说说申威,申威主要用于超级计算机,比如神威.太湖之光,曾拿下全球第一超算的称号,目前其性能也排名全球第4名。
同样的申威也有用于服务器的,但同样由于是alpha架构,所以装不了windows,也很难用于个人PC领域,只能部分取代intel的服务器芯片、超算芯片。
最后说说海光CPU、兆芯,这两种CPU采用的是X86架构,最大的优势是可以安装windows,满足大家对于windows生态的要求,比较适合个人消费者PC产品。
但海光CPU主要用于服务器,兆芯可以用于个人PC,但性能方面,与intel相比,基本上也是落后3-5年左右的差距,主流的台式机、笔记本采用的还是相当相当少的。
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