兆芯：研发国产自主可控通用CPU难在哪？

近年来，在市场需求、《国家集成电路产业发展推进纲要》、大基金以及各地投资基金等利好因素和政策支持下，半导体设计业已经成为我国半导体产业快速发展的一大领域，一方面，相比制造业、封测业，设计业的限制因素较少，我国半导体设计业水平达到了14nm工艺级别，销售额、盈利企业数量呈现增长态势。另一方面，以AI、无人机、机器人制造为代表的新型技术应用也为芯片设计业提供了极大的发展契机。

尤其是核高基科技重大专项的实施，有效的推动了我国通用CPU的发展。兆芯作为核高基专项的承接单位之一，在研发自主可控，国产通用CPU的过程中，得到了专项的多方面的指导和支持。

2017年12月28日，兆芯在先进、安全、自主可控CPU发展论坛上正式发布了新一代开先KX-5000系列芯片，这是兆芯第一款采用SoC设计的高端通用CPU，更是国内首款支持DDR4，且支持双通道DDR4内存的国产通用CPU，其里程碑意义格外显著。

CPU是国产化的重中之重

 

国家核高基专项技术总师、清华大学微电子所所长魏少军教授在发布会上表示，CPU是核高基专项的重中之重，事关国家的信息安全和产业安全。如果在CPU和操作系统方面无法实现突破，核高基专项的成果将会大打折扣。

作为信息产业的基础和核心，集成电路在过去几年当中取得了重大的进步。但是魏少军教授强调，“我们在对于所取得的成绩欢欣鼓舞的同时，依然存在着很多问题。其中，每年我国花费巨额的资金进口集成电路，今年1-10月份，我国进口集成电路的金额已经超过2000亿美元，全年预计将会达到2500亿美元，也将是连续第五年超过2000亿美元。”

而CPU在进口集成电路中占有很大的份额，约为550-600亿美元，所以说，在解决CPU自主国产化的问题上，无论多么重视都不过分。

经过多年的努力，核高基在十年的发展之后，在超级计算机的CPU领域已经取得了重大突破。

今年，装备国产CPU的太湖之光超级计算机，第四次在全球超级计算机TOP500中名列榜首，而太湖之光所使用的CPU是100%的国产自主。

同时，用兆芯承担的国产桌面计算机的CPU的国产化任务也取得了喜人的成绩，而这一任务也是有史以来核高基项目投入最大的项目。

魏少军教授表示，取得现在的成绩，一方面与课题承担单位的不懈努力密切相关，也与专家、领导的关系离不开关系。

“围绕CPU打造完整的产业链，通过应用牵引、整机带动、软硬结合的战略，实现CPU国产自主可控是势在必行的一项任务，而找到一条具有中国特色的发展之路就显得尤为重要。”魏少军教授在谈到如何发展中国自主可控的CPU时表示。

没有完整的产业，单一的CPU是不能成气候的。

中国科学技术协会副主席、中国科学院院士、中国科学院上海高等研究院院长王曦院士

兆芯的第五代国产自主可控通用CPU

 

 

上海联和投资有限公司副总经理、上海兆芯集成电路有限公司董事长兼总经理叶峻

上海联和投资有限公司副总经理、上海兆芯集成电路有限公司董事长兼总经理叶峻在发布会上表示，开先KX-5000系列处理器，是兆芯第一颗采用SoC设计的国产自主可控的通用CPU。

据介绍，兆芯开先KX-5000系列基于28nm制造工艺，也是国内第一款支持双通道DDR4内存的国产通用CPU，采用全新架构设计。单芯片集成CPU、GPU、高清视频解码器、内存控制器、PCIE及其他高速数据接口，拥有高集成度、高性能等特点。

“同时从各项成绩、体验环节上看，我们有信心认为在国产桌面通用处理器领域，开先KX-5000是绝对的第一梯队。”叶峻强调。

此外，兆芯还同期发布了开胜KH-20000系列服务器处理器。加上ZX-200，这三款芯片的问世，能够全面的覆盖桌面办公、笔记本电脑、服务器、工业控制、嵌入式设备等各个领域。

兆芯这一代处理器针对不同市场需求作了很多设计优化，涉及到主频、核心、功耗、系统等方面。

此外，新一代处理器还启用了全新的名字，KX是“开先”品牌的英文缩写，5代表了兆芯的第五代国产自主可控通用CPU，后面的三位数字对应的是CPU的主频、核心数量，以及面向的市场等信息，并且在实际实施的情况下，还会相应的加入英文字母，比如U特指顶级8核心系列；M特指低功耗系列。

“凭借自主可控这一优势，我们有理由相信，凭借这些产品，将会为兆芯带来更大的市场竞争力，缩短与国际先进厂商的差距。"上海兆芯集成电路有限公司董事长兼总经理叶峻表示。"同时也标志着兆芯的设计能力进入了新时代，不仅能够满足更多领域的应用需求，也将为兆芯在更广阔的市场逐步开放、推广奠定基础。”

相比于之前的ZX-C， KX-5000的内核做了如下改进：

处理器核心架构升级:

全新设计的核心的微架构及流水线，达到了1%面积增长, 对应 1%性能增长

重新设计/重排/优化了流水线资源，流水线级数较上一代产品减少了5级

全新设计的循环预测算法，并优化原有预测器算法

全新设计的乱续执行引擎，大幅减少投机执行错误及对应的性能损失

重新设计的访存单元使得一级缓存访存性能翻倍

处理器核心互联架构升级：

全新的SOC访存接口，内存带宽访存性能翻倍

全新设计的多节点缓存一致性协议，大幅优化多节点访存性能

全新设计的桥片-处理器高速接口，有效提高设备对处理器/内存的访问性能

总的来说，ZX-C到KX-5000，采用了全新的微架构、全新的系统结构（从CPU+Chipset到SOC+IO扩展），全面支持国际领先规范，如DDR4、PCIE 3.0、SATA3.2、USB 3.1 Gen2（Type-C）等，整体性能提升达到140%以上，性能进一步优化办公应用体验，满足4K播放需求，应用体验持续得到优化。

自主研发CPU难在哪里

 

国家核高基专项技术副总师、中国科学院通用芯片与基础软件研究中芯主任李明树认为国产CPU研发的主要困难集中在以下几个方面：

第一，起步晚，差距大，市场壁垒。

我国CPU研发起步较晚，除少数直接获得先进技术授权或者如兆芯公司同时保有海外研发团队开展一定创新研究之外，在设计能力上与国际领先水平还有着不小的差距。

同时，国际主流CPU厂商已经形成了市场垄断，并设置了较高的技术与市场壁垒。如英特尔已经建立了涵盖知识产权、技术积累、规模成本和软件生态于一体的整个商业模式壁垒。

第二，研发成本高。

CPU研发的成本价格高昂，设计成本、专利成本、人员投入和流片等都需要大量的费用投入，目前国内企业和公司于国际企业的研发投入相比仍然存在差距。而且，由于我国技术起步较晚，许多专利和技术等仍需要购买，进一步导致了投入成本增加。

综合ARM、英特尔、AMD、IBM、Apple、华为等各家的研发投入，不难发现：

1.国际科技巨头每年的研发费用维持在几十亿至上百亿美元不等。

2.ARM公司自身只做设计和方案，研发投入相对较低。

3.英特尔近几年投入均在百亿美元以上。

4.苹果和IBM的研发投入比较居中，维持在几十亿美元左右。

5.国内的华为海思每年几百亿人民i的大力投入有赶超英特尔的趋势。

而兆芯作为核高基历史上投资最大的课题，5年共耗费资金57亿人民币，目前只有海思的研发投入能够与英特尔相比，而兆芯的投入还差着1-2个数量级，研发投入还远远不够。

兆芯独立自主的研发能力

 

但是即便如此，在于国外研发投入有着巨大差距的情况下，兆芯依旧研发出了国产自主可控的通用CPU。

在叶峻看来，这就是兆芯强大的设计研发实力的体现。

具体来看，产品技术上，兆芯是国内高端通用CPU技术积累相对扎实的公司，兆芯拥有完整的、本土员工组成CPU研发团队，更具备独立自主的IP开发能力。

要知道，芯片的设计研发过程是由几个大的阶段和若干个具体的环节组成的，任何一个环节的不足都可能会对频率造成影响。而兆芯在每一个环节，都是采用业界最高标准、最领先的规范来实施。

同时兆芯自主研发的微架构、自主设计IP的能力、自主开发的模拟、仿真测试环境等，这种自主的，没有第三方参与的设计研发过程，给了兆芯很大的配合、调整优化空间，这是很多国内其他CPU设计研发厂商不具备的条件。

此外，在制造工艺方面，代工厂为兆芯芯片的量产良率也做出的很大的努力。

比如，兆芯和华力微联合打造的28nm通用处理器生产线，预计2018年能够完成工艺通线和试流片，2019年能够量产。

“相对于台积电的28nm工艺线，兆芯和华力微在设计和工艺上进行了全面融合与创新，最终产品的主频满足业界要求，除此之外也有很多工艺模型以及功耗控制和工艺相结合的其他创新点。”

至于下一代的产品，兆芯表示，由于采用的是tick-tock的开发模式,KX-6000主要是采用16nm工艺,同时探索高频下的设计流程,包括从pcb/substrate/power plan,看PI/SI的问题,高频时序收敛的问题,KX-7000将采用新架构,希望可以达到AMD同期水平。

发展和进步必须要一步一个脚印

 

在此基础之上，兆芯今年取得了非常不错的成绩。

今年兆芯在国产化市场增长，以及其他多元领域布局逐渐坐收成效，包括Thin-Client、AI监控后台、中低阶工控机市场与云端储存服务器，兆芯发挥出国产CPU自主可控的优势，2017年CPU出货将达10万套，实现销售成长1倍，同时也看好2018年出货再度翻番。

借助国家的政策支持，并且由于全球网络安全环境、局势的影响，兆芯认为国产自主可控市场发展的空间将不断扩大。

同时兆芯也在积极推动合作整机厂商能够基于现有的芯片，能够推出面向普通消费市场的整机，这方面，需要产业链各个环节的合作和努力。

从市场方面上讲，兆芯主要耕耘的是桌面办公领域，走兼容x86的国产自主可控路线。在这一领域内，国际巨头的挤占是兆芯不得不面对的问题，兆芯在联合商业伙伴积极进行地区推广活动的同时，也需要政策上的一定支持。

从运营的角度来看，兆芯希望进一步加快产品的研发和测试，实现对国际主流水准的快速追赶。在这里，资金的支持、人才的储备，以及芯片制造工艺的发展都是需要考虑在内的因素。

目前，兆芯的国产化产品技术领先，软硬件兼容性优秀，生态系统和产业链日趋完备，已可以满足绝大多数国家自主可控领域的办公应用。

未来，兆芯将继续致力于研发中国自主知识产权的核心处理器芯片，推动中国信息产业的整体发展！

文/半导体行业观察 刘燚

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