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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主要是看运行什么软件和数据量，训练数值大小，这里要强调一下，数值大小和数据量是不一样的。

深度学习服务器的核心部件还是CPU、硬盘、内存、GPU，特别是很多深度学习依靠GPU的大规模数据处理能力，这就要强调CPU的计算能力和数量，同时不同的数据对GPU的显存要求也不一样。

当下大部分都在用RTX3090做深度学习，最新RTX4090已经上市，单精度计算能力是RTX3090的2倍，这两个GPU都是24G显存；像A100强调双精度计算能力，显存有40G和80G两个版本，而A6000单精度计算能和RTX3090差不多，显存是48G，可以参考选择。

当然，最重要的还是口袋里的银子，A6000市场价大概是RTX的2倍还要多，A100最近更是要上十万了，估计也快买不到了，价高缺货；RTX3090/4090的价位低，性价比高，这也是为什么大部分人都选择它们做深度学习了，这是市场的选择。

申威处理器或申威CPU，简称 “SW处理器”。SW处理器源自于DEC的Alpha 21164，其研制得到了国家“核高基”专项资金支持。在国家“核高基”重大专项支持下、采用自主指令集，具体负责研发的单位是江南计算机所属于军方研究机构（总参56所），且具有完全自主知识产权的处理器系列。 指令集：RISC，自主指令集

核心数量：单核心

架构：Alpha CPU型号：SW-2

CPU频率：1400MHz

制造工艺：130nm

指令集：RISC，自主指令集

核心数量：双核心

架构：Alpha CPU型号：SW1600

CPU频率：1600MHz

制造工艺：65nm

指令集：RISC，自主指令集

核心数量：16

数据位宽：64位

架构：Alpha

其中，SW1600处理器是江南计算所研制申威系列的第三代处理器，拥有16个RISC处理核，浮点高达140GFLOPS。是高性能服务器和存储技术与江南计算所合作的国家重点实验室项目，中华人民共和国自主知识产权，并且，SW1600已经运用到神威蓝光(Sunway BlueLight MPP)超级计算机上，是中华人民共和国公开面世的首台全采用自主研发生产处理器，达到每秒千万亿次浮点的超级计算机，2011年9月安装于国家超算济南中心。神威蓝光由国家并行计算机工程技术研究中心制造，获得科技部863计划支持，系统采用8704个SW1600处理器，峰值计算能力107016PFLOPS，持续计算速度7959TFLOPS，LINPACK效率达到7437%，总功耗只有1074KW。

中国的国产芯片有哪些

1、中国产的芯片有龙芯系列、申威系列、飞腾系列、威盛系列、神威系列。龙芯系列：龙芯系列通用处理器是我国自主研制的通用处理器，对维护我国的信息安全具有重要的意义。

2、龙芯：龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用CPU，采用自主LoongISA指令系统，兼容MIPS指令。2002年8月10日诞生的龙芯一号是我国首枚拥有自主知识产权的通用高性能微处理芯片。

3、中国的国产芯片有：中国有自己的国产芯片，风别是龙芯和华为的海思系列芯片。龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用CPU，采用简单指令集，类似于MIPS指令集。龙芯一号的频率为二陆陆MHz，。龙芯二号的频率最高为一GHz。

4、中国芯片的品牌有龙芯系列、威盛系列、神威系列、飞腾系列、星光系列、北大众志系列、湖南中芯系列、万通系列、方舟系列等。芯片是电路（主要包括半导体设备和无源元件）小型化的一种方式。

5、中芯国际集成电路制造有限公司是中国大陆规模最大、技术最先进的集成电路芯片代工企业。

为什么可以说神威·太湖之光用的是中国自主知识产权的国产CPU呢

1、有人认为，只要是我国民事主体作为权利主体的知识产权皆可称为“自主知识产权”，以区别于来自海外的知识产权。这一看法有失偏颇。

2、神威太湖之光最大的亮点是领先处理器和低功耗设计等。一是它采用高密度超节点和复合网络结构，软硬件容错机制，面向科技应用和机器的编译进化技术，实现系统高效运行，系统15亿亿次，持续性能3亿亿次。

3、神威太湖之光是国家并行计算机工程技术研究中心研制的。神威·太湖之光超级计算机由40个运算机柜和8个网络机柜组成。每个运算机柜比家用的双门冰箱略大，打开柜门，4块由32块运算插件组成的超节点分布其中。

国产服务器品牌都有哪些,求介绍

腾讯云，浪潮，华为，这都是比较知名的并且都有自己的工厂，其中亿万克的服务器是比较好用的，其性价比很高，性能更稳定。

浪潮浪潮集团是中国领先的计算平台与IT应用解决方案供应商，同时，也是中国最大的服务器制造商和服务器解决方案提供商。

十大服务器品牌有：IBM、思科、联想、华为、荣耀、惠普、Sun、方正、华硕、戴尔。在选择时，尽可能挑选这些知名度高的品牌。服务器用的比较多的品牌就是DELL，惠普、联想等品牌。

俊今天他我国主要发明的高科技有哪些

1、中国的高科技有：蛟龙号探海、单口径射电望远镜、超级计算机、三代核电技术、世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”、北斗卫星导航系统、国产大飞机C919等等。

2、中国芯，由中国自主研发并生产制造的计算机处理芯片。实施“中国芯”工程，采用动态流水线结构，研发生产了一系列中国芯。

3、目前我国在量子技术的领域上已经是领先世界所有国家，已经研制出了量子计算机、量子通讯卫星等高科技产品，这项技术要领先美国10年。激光技术在就是我国的激光技术了，在激光技术上我们国家称第二，就没有国家敢称第一。

4、激光技术。我国激光技术世界第一，领先全世界15年。超级稻及其他农作物杂交技术。超级稻被世界成为中国的第五大发明。陶瓷技术。陶瓷技术是我国传统的领先技术。反卫星武器技术。我国已经发明寄生星多年。

我国自行设计研制的神威太湖之光计算机是什么

1、我国自行设计研制的神威太湖之光计算机是巨型计算机。我国自行设计研制的神威·太湖之光计算机是巨型计算机。神威·太湖之光超级计算机是由国家并行计算机工程技术研究中心研制，安装在国家超级计算无锡中心的超级计算机。

2、神威太湖之光属于超级计算机。神威太湖之光超级计算机是由国家并行计算机工程技术研究中心研制，安装在国家超级计算无锡中心的超级计算机。

3、神威太湖之光是由国家并行计算机工程技术研究中心研制、安装在国家超级计算无锡中心的超级计算机。