为什么国产CPU这么难买到？千万人的迷惑解开了

[PConline 杂谈]要说在DIY行业什么产品国产化最能牵动国人的心，那CPU要说第二恐怕没人敢说第一。众所周知CPU是一台电脑的大脑，指挥着电脑各个部件运行，因此CPU的制造也是一个非常高科技的活，里面涉及到各行各业，甚至连CPU的原材料硅晶圆制造门槛也极高。因此当网上报道国产CPU有什么进展，有什么喜讯时，许多网友第一反应总是不相信，并且质疑，而他们最经常说的话就是，“敢不敢拿出来卖啊！”


还好，最近淘宝上终于是有国产处理器售卖了，趁着这个热点，晓边就和大家聊聊国产CPU的发展现状，看完大家就知道为什么“敢不敢拿出来卖啊！”这句话用来批判国产CPU取得进展是一个常识性的错误了。
CPU也分很多种，这些你都了解吗？


CPU中文名为中央处理器，它在计算机中负责读取指令，对指令进行诠释和执行。为了让CPU读取诠释指令的效率更高，CPU内部会有叫做“指令集”的东西，指令集就是人们预先设置好的一套工作(读取、诠释、执行指令）方法和指南，当CPU外部接受到某种指令时，CPU就开始找预设的工作方法中对应的指南去执行。
因此CPU指令集先进与否，也往往决定了CPU性能有多强。
按照指令集的复杂程度划分，我们可以把CPU简单划分为两种架构，一类是RISC(精简指令集处理器),另一种是CISC（复杂指令集处理器），它们的区别在于设计理念的区别。


早期处理器Intel C8008
早期CPU全都是CISC，这类CPU设计目的就是让外部生成的非常简单指令就能被机器读懂，方便编译器开发（编译器就是将“更接近人语的高级语言”翻译为“电脑能读懂的低级语言”的程序），但为了达成这一目的CPU内部会集成非常复杂的指令读取，翻译和诠释的逻辑，也对CPU的架构和电路设计提出更高的要求，这类处理器的代表就是我们个人电脑常用的X86处理器。


RISC则是指令集比较简单，因此外部指令要被RISC处理器读懂，配套的编译器需要非常强大，能将复杂的指令简单化，相应的，RISC的制造会简单许多，在同等工艺下能制造出特定功能性更强的CPU，这类处理器的代表就是手机上的ARM处理器和IBM的Power处理器。
更加简单通俗的区分就是CISC强调用硬件去更有效率地执行工作，而RISC则更依赖软件（编译器）；CISC处理器上的指令集丰富而全面，是个全能选手，RISC处理器通常只保留特定常用指令集，让处理器某项性能非常强（比如为挖矿优化的特定RISC矿机），更适合打造专才。


按照基础指令集的不同，目前世界上的CPU可以分为五大体系，分别RISC类别的ARM体系、MIPS体系、Power体系、Alpha体系、ARM体系和CISC类别的X86体系，下面就介绍一下这五大体系处理器在国内的发展现状。
国内MIPS体系处理器的现状-充满生机与活力
MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlockedpipedstages)，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题，MIPS处理器最早由80年代初斯坦福大学研究出来，也是最早商用的RISC处理器，其特点是高效率低功耗，目前已经发展到MIPS64架构。


MIPS指令集关系，图源MIPSTech
国内MIPS处理器的代表有两家，一家是大家都经常能听到的龙芯，另一家为君正。
龙芯：


龙芯是2002年由中国科学院计算所（下文简称中科所）开始研发，那时中科所是想做一款独立自主的处理器，当时可选择的方向有四个，其一做X86处理器，但是X86处理器太难制造，要经过AMD或者Intel授权，进行技术指导才能搞清楚；其二是做ARM处理器，但那时ARM主要面向移动端，和中科院想做PC处理器的初衷不相符；第三就是自主研发架构，这个就更不现实了；而MIPS处理器那时在科研单位、大学中也有广泛的使用基础，因此当时中科所就选择了第四条路，MIPS体系处理器，再搭配Linux系统，打造国产PC。
不过有意思的是龙芯第一代产品发布时是没有经过MIPS正式授权的，有侵权的嫌疑，但最后两家公司在2009年达成和解，龙芯支付了一笔费用永久性获得了MIPS32和MIPS64架构的授权，现在龙芯完全是自主可控的，将来不会再出现被别人卡脖子受限于人的局面。


官方揭露龙芯3A4000跑分成绩
龙芯经过这么多年的发展也早已不是简单的其他MIPS处理器仿制版，在MIPS固有指令集上龙芯还添加了不少自主研发的指令集，指令集数量是原有两倍。目前龙芯最新的产品是2019年年底发布的龙芯3A4000/3B4000，其中龙芯3A4000是面向桌面台式机和笔记本，采用28nm打造，4核4线程，主频为1.8~2.0GHz（也就是支持睿频），面向科学计算、高密度数值信息处理的峰值计算性能是上代产品龙芯3A3000的4倍以上，通用处理性能基本打平AMD的末代28nm产品“挖掘机”。


而龙芯3B4000属于龙芯服务器CPU产品线，在核心线程、频率上与芯3A4000一致，但支持双路、四路服务器，即在一台服务器主板上安装2个或者4个龙芯3B4000芯片，一台服务器最多包含16个处理器核。所有CPU之间通过高速总线接口直接互联，共享使用物理内存。龙芯3B4000专门优化了CPU之间的高速互连总线，跨片访存实际带宽提升400%以上。


目前龙芯的发展势头还是十分不错的，已经不需要国家经费支持，完全实现自给自足，公司收入主要来源为太空芯片销售、高温芯片销售、对外IP授权销售、嵌入式方案销售和党政军采购，在19年年底的发布会上龙芯中科董事长胡伟武表示龙芯在2019年出货量达到50万颗，净利润达上亿元，合作伙伴已经增至近千家，下游基于龙芯的开发人员达到数万人，使用龙芯的笔记本、一体机、服务器、云终端、网络安全设备、工业控制计算机等产品已经运用于我国的各行各业。
君正：


北京的君正知道的人就比较少了，因为君正主打的是嵌入式设备，是专注于可穿戴，物联网领域的本土芯片设计公司。由于嵌入式设备有一定的定制需求，软件生态链短，不需要CPU性能有多强，着重点在于廉价、低功耗和尺寸，因此这个领域现在是百花齐放的局面，君正也因此能分一杯羹。
作为一家纯商业化的公司，目前君正的合作伙伴和出货量还是很可观的，甚至还做过小米手环的项目，而且已经上市，财报都能查到，2019年全年财报显示北京君正净利润为5780.75万元，也是良性发展了。
国内MIPS处理器虽然发展地不错，但是由于最新的微软Windows系统只支持X86处理器和部分ARM处理器，我们普通人一般是接触不到MIPS处理器，认知不足也可以理解，就算买来龙芯的笔记本，由于生态和软件的问题，对普通人来说也是浪费钱。
国内ARM体系处理器的现状-星星之火已成燎原
ARM体系处理器大家就并不陌生了，大家手中的手机就是用ARM处理器的，在这里晓边就简单介绍一下。ARM全称为Advanced RISC Machines（高级RISC核心），使用32位精简指令集，ARM处理器具有低功耗高性能、大量使用寄存器读取指令快、体积小、指令长度固定、节省存储空间等特点。


ARM处理器也是一个商业化十分成功的处理器，只要你向ARM公司支付一笔费用，就能获得ARM处理器的授权，授权的模式有三，第一是架构/指令集层级授权，授权后你可以对ARM架构进行大幅度改造，甚至可以对ARM指令集进行扩展或缩减，比如苹果、华为就是这种；其二是内核层级授权，你可以以一个内核为基础添加其他模块；其三是使用层级授权，意思是你只能使用，不能魔改。
国内发展ARM处理器体系主要有四家，分别是华为海思、飞腾、展讯。
华为海思：


华为海思应该是国内ARM处理器商业化最成功，乃至所有国产CPU中商业化最成功的公司了。华为海思的处理器主要应用于移动端产品，应用场景包括但不仅限于手机、监控设备、机顶盒、电视和路由器等，最新的代表产品就是麒麟990 5G版了，7nm euv工艺打造，集成5G基带，其CPU性能可与目前世界一流水平的手机处理器骁龙865、A13同台竞技。


除此以外华为海思在服务器领域也有涉足，最新产品为鲲鹏920，7nm工艺打造，最高可扩展为64核，主频为2.6GHz，支持8通道DDR4内存和PCIe 4.0。不过鲲鹏920目前还处于华为自用阶段，作为于华为云服务的服务器内核，而且目前高性能服务器基本都是X86处理器的天下，鲲鹏920暂时不会对服务器市场造成多大的影响。
飞腾：
飞腾公司是中国国防科技大学高性能处理器研究团队建立的企业，如果用一个词去形容飞腾处理器的发展历程，那肯定是一波三折了。


一开始飞腾是做逆向工程的（也就是仿制别人的CPU），以Intel的 IA-64指令集为基础做，不过后来Intel放弃了这个指令集，飞腾也转向做Sparc处理器，使用开源的Sparc V9 架构，花了三年时间做出了8核32线程(1核4线程）的处理器FT-1000，又花了三年扩展成了16核64线程的FT1500。2010年国防科大的银河一号超算进行扩容时加入了2048颗FT-1000处理器，虽然相比于超算其他的AMD、Intel处理器数量来说微不足道，但也足以振奋国内研发人员，激发了当时国人的民族自豪感，在天河二号的建造中国防科大又使用了4096颗FT-1500芯片用于超算的网络数据处理。
但是，SPARC架构母公司败走服务器市场，被Oracle收购之后，就再也没有开源新的SPARC指令集了，飞腾手中的SPARC架构指令集很快就落后了，于是飞腾果断就转向做更火的ARM架构处理器。


飞腾也是购买了ARMv8指令集的永久授权，最新产品2019年9月发布的FT-2000/4处理器，4核4线程，16nm工艺打造，最高主频为3.0GHz，最大功耗仅为10W，主要面向台式机或者笔记本。目前FT-2000/4已和国产银河麒麟操作系统（PC版）完成了全部适配工作，因为不使用Windows系统，主要客户也是军队、政府等单位了。
展讯：


展讯是一个不得不提的国内ARM处理器设计公司，根据统计展讯每年出货6亿片芯片，占据全球手机芯片25%的市场，仅次于高通和联发科，在去年展讯旗下的SC6531芯片击败了高通华为联发科三星成为单芯片出货量世界第一。
或许很多网友疑惑，我们手中的手机芯片不是高通、华为海思就是苹果或者联发科的，这个展讯这么没听过？其实展讯的手机芯片主要用于老人机、三防手机上，主打耐用性与超长续航，仅支持GSM、GPRS两种网络制式，主要市场也集中于非洲、东南亚等低收入海外市场，是真正走出去的国产芯片。
国内Power体系处理器的现状-胎死腹中？
Power架构是蓝色巨人IBM开发的指令系统架构，大到超算，小到车载音响都有它的身影。不过如今Power架构处理器是越来越不景气，在高性能计算的竞争上Power对比X86因为采用SMP技术，具有内存访问任何一个CPU核心时速度都一样的优势，更利于制造多核处理器，但Power价格昂贵，而且IBM本身就是系统制造商，Intel联合Windows的联盟实在太强大，Power不得不败下阵来；在其他终端设备上Power处理器则不如ARM处理器尺寸小，功耗低。


IBM也意识到生态的重要性，开始把Power授权给更多公司，2016年国内企业中昊宏芯获得了POWER 8芯片架构和指令系统的永久授权，但中昊宏芯研发过程并不顺利，期间还遇到股权变更和欠薪事件，国产Power也就一直难产，至今都没有影子。
2019年8月POWER指令集架构正式开源，或许这能促进国产Power处理器出现。
国内Alpha体系处理器的发展-已成独苗
Alpha是DEC公司制造的处理器架构，最早用于自己的工作站和服务器当中，支持UNIX、Linux等系统，后来DEC公司被美国惠普收购，而惠普的精力主要在“X86架构”的个人电脑，所以对Alpha架构的指令集早已很久没有更新，恰逢我们国家全力发展自主科技，所以我们无锡的江南计算所（军方研究机构）买了Alpha架构的所有设计资料，制造了完全自主可控的国产Alpha处理器，也就是大名鼎鼎的申威，申威处理器也是目前Alpha架构处理器的独苗了。


江南计算所在原有Alpha指令集的基础上增添了SIMD等特色的扩展指令集，还拓展了多核架构，把Alpha架构处理器发展到新的高度，现在的申威处理器和以前的Alpha处理器已经不可同日而语，最新的申威SW26010处理器使用了申威为高性能计算自主研发的指令集，频率1.45GHz，260个核心，这也是它的特殊之处——整个处理器包括4个MPE（Management Processing Element）管理单元、4个CPE（Computing Processing Element）计算单元及4个MC内存控制器单元组成，其中CPE单元又由8x8阵列的64核心组成，所以总计是260个核心（4x64+4=260）。


此前多次夺得超算排名第一的神威·太湖之光超算就用了多达40960颗申威26010众核处理器，全都是超算的运算主力，并不像飞腾那样打打辅助，由此可知申威26010众核处理器确实实力过硬，能与其他国家的超算一比高下。
目前申威处理器主要用于超级计算机打造和服务器，我们普通消费者更加难接触到了。
国内X86体系处理器的发展-势头良好，仍存阻碍


与RICS诸侯混战不同，CISC系处理器一直是X86架构的天下，X86处理器大家都很熟就不再介绍了。国内要想发展X86处理器，最大的难题是授权问题，在X86处理器发展过程中Intel和AMD的指令集经过复杂的融合，形成了如今两家交叉授权才是完整X86指令集的局面，换句话而言想堂堂正正地发展X86处理器，理论上要同时得到Intel和AMD的授权才行。
作为PC处理器的霸主，Intel一般是不允许有新玩家来分走属于它的蛋糕，当年正是Intel逐渐收回X86授权才形成如今X86处理器只有两家争斗的局面。
但近几年国内涌现了几家做X86处理器的公司，他们是怎么做到的呢？
兆芯：


目前世界上除了Intel和AMD以外第三家拥有X86授权的公司，是威盛VIA，上海兆芯集成电路有限公司经过一番操作也是取得了威盛VIA X86处理器的授权。早期兆芯处理器也只是威盛处理器简单的仿制产品，不过经过这么多年的迭代研发，兆芯已经研发出KX-6000系列处理器，基于16nm制程，主频可达3GHz，有4核/8核可选，集成核显、支持双通道DDR4内存，性能与Intel酷睿七代i5处理器看齐。


目前KX-6000系列的KX-U6780A已经推出到零售市场，而且某宝上已经能买到。产品搭配国产主板品牌深圳芯杰英(Cjoyin)开发“C1888”主板一起销售，板U价格为4300元，考虑到处理器的性能，产品性价比还是比较低的。
不过这也可以理解，产品并没有大规模销售，每一颗处理器分摊的研发费用自然很高。
因为可以使用Window系统，兆芯的处理器是与普通消费者的距离最近的国产CPU，感兴趣又有财力的网友可以买回去玩玩，装上Win10系统日常用肯定是没有问题的了。


目前兆芯需要担心的依然是授权的问题，按照此前美国裁定威盛的X86授权早已在2018年4月份过期，之后新的X86指令集无权使用，也就是说以后研发新指令集只能靠兆芯自己了。
海光：
2016年AMD宣布与中国天津海光投资公司达成协议，将X86技术授权给海光公司，自此国内能设计X86处理器的公司又多了一家。


AMD为了规避和Intel的交叉授权协议，和海光的合作非常复杂，AMD和天津海光先成立合资公司A，合资公司AMD是大股东，因此AMD向合资公司A授权X86架构就像左手授权给右手，是合法的，合资公司也可以修改AMD的CPU核。随后AMD和海光成立合资公司B，这家公司海光是大股东，购买合资公司A设计的IP授权再进行CPU设计，这样就规避了AMD和Intel的交叉协议。
不过这样的做法海光处理器是十分受制于AMD的，海光处理器被规定只能在中国销售，不能出口，而且也不知道AMD会不会翻脸，因此海光处理器算不上完全自主可控。


好处是AMD授权给海光生产的CPU是基于这几年大出风头的ZEN架构，因此海光处理器在性能上一开始就站在了其他国产CPU无法企及的高度。
目前海光生产的Dhyana（禅定）处理器已经开始流片，由14nm打造，基于ZEN架构，应该就是一代EPYC的仿制版，目标是应用于服务器市场。
结语-拨开云雾，终见曙光
光阴似箭，21世纪已经进入了第三个十年，在头20年里，在无数国内科研人员呕心沥血地奋斗下国产CPU得到了长足的进步，上至超级计算机、下至手机、智能音响，都能找到中国芯的身影。


由于架构的不同，许多还算不错（虽然追不上世界一流水平，但比较好用）的中国芯离我们消费者很遥远，这也是为什么很多中国芯没有推出到零售市场，我们也买不到（推出了一般人也不会买，厂商只会亏本）的原因。
好在国产X86处理器也得到了一定的发展，电商平台上有最新的国产处理器板U套装出售就是有力的证据，国产桌面端PC处理器从未如此接近我们普通消费者。
不过目前这款国产CPU性价比还是相对低下，但现在也只是第三方渠道流出，而这些问题会随着产品量产，销量提高得到解决。
这也是个积极的讯号，随着产品不断的迭代发展，晓边相信不久的将来国产X86处理器能像国产ARM处理器那样足够优秀，也能与世界一流厂商正面对决，最终让消费者愿意用手中的小钱钱支持它。