打造“中国芯”——芯片全景图&国产芯片的机会(上)

2020-01-02 16:36

  CPU(CentralProcessing Unit)即中央处理器,在电子设备、云端都有着广泛的应用。作为一种通用芯片,CPU可完成多种不同种类的任务,起着大脑的作用,主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

  英特尔(Intel)是主要研制CPU处理器的巨头,全球最大的个人计算机零件和CPU制造商。1971年,英特尔推出了全球第一个微处理器——4004,应用在计算器上;1978年推出8086,可处理16位数据、组频5MHz,这是首颗x86芯片,IBM在自己首台PC中采用了8086的精简版8088。英特尔的CPU带来的计算机和互联网革命,改变了整个世界。可以说英特尔的历史就是CPU的发展简史。

  但随着iPhone等智能手机设备的到来,移动互联网大潮来袭,英特尔却没能保持住优势,在移动设备端CPU逐渐被ARM芯片打败。ARM采用了RISC精简指令集架构,主打低成本、低功耗和高效率的芯片,在移动设备端具备极大优势,目前世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。可见ARM和是Intel截然相反的战略路线,英特尔一直以来坚持全产业链商业模式,而ARM是开放的合作共赢模式。

  (2)国内主要参与玩家

  对于国内企业来说,CPU是国内企业追赶上世界龙头企业难度最大的芯片。国内主要的CPU企业有龙芯、兆芯、华为鲲鹏和飞腾。

  即便部分CPU性能已追赶上甚至超越英特尔,由于国内CPU缺乏完善的产业生态支持,国内企业还不足以与市场龙头企业产生直接的竞争。国内企业多用于国家层面的金融、安防、军工、航天等领域,民用领域暂无可观市场。

  ①龙芯,源于中科院,是国内 PC 级 CPU 销量最大的公司。

  最新一代龙芯 3A4000/3B4000 处理器,采用28nm 工艺,频率从龙芯 3A3000 的 1.5GHz 提升到了 2.0GHz,架构升级为 GS464V,搭配的芯片组也升级到了龙芯 7A2000,28nm 工艺。龙芯3A/B3000 处理器出货量达 30 万片以上。据称更换到14 纳米工艺后,就能达到 AMD 公司 Zen 系列处理器的水平。

  ②兆芯,成立于 2013 年,是 VIA 威盛与上海政府基金成立的合资公司,获得了 x86 授权,是国内发展高性能 X86 处理器的中坚力量。

  兆芯和安钛克合作发布国产化自主可控网络安全平台,也与龙芯、飞腾有合作,推出龙芯 3A3000/3A4000,兆芯 C4600、飞腾 FT1500A/2000 系列。

  今年 6 月份发布的兆芯 KX-6000、KH-30000 系列,将工艺升级到 16nm 工艺,成为国内第一款主频达到 3.0G 赫兹的通用 CPU,有 4 核及 8 核两种规格,还支持 PCIe 4.0、双通道 DDR4 内存,搭配的芯片组升级到了 KH-3000 系列。

  ③华为鲲鹏,华为鲲鹏 920 成为业界首颗兼容 ARM 架构的 64 核数据中心处理器。

  性能上,四核版相当于酷睿 i5 6300H,八核版相当于酷睿 i5 8300H。采用 7nm 工艺制造,该处理器基于 ARMv8 架构,拥有 64 个 2.6GHz 核心,支持 8 通道 DDR4、PCIe 4.0 和 CCIX 互联芯片。

  9 月,华为已经率先在深圳电力行业部署鲲鹏国产 CPU 生态体系,逐渐取代英特尔 CPU。

  ④飞腾,是国产 CPU 企业中桌面级和嵌入式芯片均能提供高性能产品的企业,是国产芯片的主流代表之一。

  截至 2019 年 8 月,已联合 500 余家软硬件合作伙伴,研制了 6 大类 300 余种整机产品,移植、优化了 1,000 余种软件。

  2019 年 8 月 26 日,国内自主安全领域领军企业中国长城完成对天津飞腾35%的股权收购,成为天津飞腾的第一大股东。

  2、GPU

  GPU(Graphics Processing Unit),即图形处理器,最初是用在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备上运行绘图运算工作的微处理器。但凭借其并行计算的能力,目前 GPU 在AI芯片领域也有广泛应用。

  CPU 的架构中需要大量的空间去放置存储单元和控制单元,相比之下计算单元只占据了很小的一部分,所以它在大规模并行计算能力上极受限制,而更擅长于逻辑控制。但是随着人们对更大规模与更快处理速度的需求增加, CPU 无法满足,因此诞生了GPU。

  GPU 与 CPU 最大的区别是:相比于 CPU 串行计算,GPU 是并行计算,能同时使用大量运算器解决计算问题的过程,有效提高计算机系统计算速度和处理能力。对于人工智能来说,GPU 刚好与包含大量并行计算的深度学习算法相匹配,因此在AI时代成为了算力加速硬件的首选。

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  (1)GPU王者——英伟达

  英伟达(Nvidia)是全球最大的独立GPU供应商。英伟达成立于1993 年,由黄仁勋等三人创办。目前占据全球GPU行业的市场份额超过70%,GPU 作为其核心产品占据 84% 的收入份额。独立GPU市场形成英伟达和AMD两大巨头的格局。

  (2)GPU国内主要参与玩家

  受制于技术、人才和专利,国内企业GPU厂商与国际巨头有着巨大差距。景嘉微成为了目前国内唯一量产GPU的行业龙头。

  ①景嘉微,国内GPU行业龙头,A 股唯一 GPU 芯片设计公司,成立于 2006年4月。

  研发背靠国防科大,并积极与国内外算法公司展开新技术合作。首款具备自主知识产权的图形处理芯片JM5400已经开始应用。

  ②西邮微电,嵌入式GPU-萤火虫 1 号,嵌入式 GPU 芯片,该项目填补了国内空白,总体技术达到国内领先水平。

  ③中科曙光,代表的 Xmachine GPU 服务器和 Sothis AI 人工智能平台,面向金融人工智能应用,提供定制化开发产品及服务。从芯片、板卡、整机、平台、开发架构上,全面支撑金融机构的人工智能应用,提高金融服务器性能,控制金融风险。

  二、存储芯片——投资大、门槛高,需要国家大力支持

  如同钢铁、石油是工业时代的“粮食”一样,存储芯片是半导体产业发展最重要的“粮食”。计算机中的全部信息,包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

  以断电后存储数据是否丢失为标准,半导体存储芯片可分两类:

  一类是非易失性存储器,这一类存储器断电后数据能够存储,主要以NAND Flash为代表,常见于SSD(固态硬盘);另一类是易失性存储器,这一类存储器断电后数据不能储存,主要以DRAM为代表,常用于电脑、手机内存。除了NAND Flash和 DRAM,还包含NorFlash,容量比较小,一般是64Mb以下,用于存储一些驱动电路的算法和代码之类,用于手机,汽车电子,工业控制等领域。

  从产值构成来看,DRAM、NAND Flash、NOR Flash 是存储器产业的核心部分。这缘于一方面性能不断提升的手机操作系统及日益丰富的应用软件极大地依赖于手机嵌入式闪存的容量;另一方面,万物互联等新技术的涌现推动数据量的急速膨胀。

  1、DRAM

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