CPU发展概述及国产化之路

李韶光 刘雷 郎金鹏 王建国

摘   要：基于当前芯片技术封锁及中国电子产品研发制造业如火如荼的大环境，文章对目前主流的CPU架构进行了整体概述，描述了X86架构和ARM架构下系列化产品的发展进程，并着重分析了国产化CPU的现状及RISC-V架构的发展前景。

关键词：芯片;CPU;ARM;国产化;RISC-V

中图分类号： TP29          文献标识码：A

Abstract： Based on the current large environment that the chip technology is blockaded and the Chinese electronic product research and development manufacturing industry is booming， an overall overview is conducted on current mainstream CPU architectures in this paper， the development process of serial products under the X86 architecture and ARM architecture is emphatically described， and the current situation of localization CPUs and the development prospect of the RISC-V architecture are analyzed.

Key words： chip; CPU; ARM; localization; RISC-V

1 引言

2019年5月16日，总部位于英国的芯片设计公司ARM向外界宣布暂停与华为的一切业务往来。自此，拉开了以美国为首的各高科技公司暂停与华为公司业务往来的序幕。以此为标志，国内掀起了一波关于芯片自主可控的讨论热潮。

在禁售风波后，中国华为海思、紫光集团、阿里巴巴等国产公司纷纷积极快速地加入到芯片设计的行列中。基于当前芯片设计技术封锁以及中国电子产品研发制造业如火如荼的大环境，国产芯片自主可控设计（芯片有很多种类，这里只讨论CPU）呼之欲出。

2 CPU架构概述

2.1 主流CPU架构概述

首先介绍指令集，指令集是CPU的一种设计模式，通过该模式可使得操作系统和软件在CPU上高效运行。目前CPU指令集分为精简指令集RISC（Reduced Instruction Set Computing）和复杂指令集CISC（Complex Instruction Set Computing）两种。其次，经过几十年的发展，全世界范围内至今已诞生或消亡了几十种不同的指令集架构，目前流行于世的CPU架构主要包括ARM、X86、MIPS、Power、ARC这几种。其中，ARM、MIPS、Power、ARC均是基于RISC架构，X86则是基于CISC的架构。处理器应用领域主要分为服务器领域、PC计算机领域和嵌入式领域，X86架构的处理器占据了服务器和PC领域的垄断地位， ARM架构处理器占据了嵌入式领域的绝大部分市场，而MIPS架构、POWER架构、ARC架构已不是市场主流的CPU架构，发展前景并不被看好，但也在相关特殊领域占有一定的市场份额。

2.2 X86和ARM架构发展进程

X86处理器架构由Intel提出，并于1978年发布了首款16位微处理器8086，开创了X86的时代。经过几十年的发展，1993年Intel推出了第五代X86处理器-奔腾系列，也是第一款与数字无关的处理器。再后来，2006年酷睿处理器问世，相继推出了I3、I5、I7和I9系列处理器，逐步成为了民用消费市场PC服务器领域的主要处理器。

ARM发展至今，处理器已经过了七、八次架构升级，使得相关产品性能更加稳定成熟。其中，ARM架构中当前应用最为流行的当属Cortex系列化产品。Cortex系列在以V6版架构的ARM11处理器之后被首次推出，并逐步站稳了嵌入式应用的绝大部分市场。Cortex系列又细分为三大类：“A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用，可向超低成本手机、智能手机、移动计算平台、数字电视、机顶盒、企业网络、打印机和服务器提供解决方案;“R”系列针对实时系统，主要应用于硬盘控制器、消费电子设备（蓝光播放器和媒体播放器）、车载控制产品（安全气囊、制动系统和发动机管理）等领域;“M”系列针对低端、工业或消费电子领域的微控制器，主要产品是面向智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、大型家用电器、医疗器械等领域的MCU。

3 国产CPU发展现状

3.1 国产CPU现状

芯片作为一种大规模集成电路，已经广泛应用于人类的日常生活当中，其种类很多，主要分为移动通信芯片、人工智能芯片、電脑芯片等。芯片的产业链较长，从设计出厂再到封装成电子产品，主要包括芯片设计、生产、封装这三个部分。芯片设计又主要包括软件设计、指令集体系建立、芯片设计者三个部分，而生产主要包括设备制造和圆晶代工两部分。

总体来说，我国CPU事业发展缓慢，无论是在军事领域还是在民用商业领域，都与国外存在着较大的差距。在芯片封装领域，由于技术含量不高、门槛较低，有很多公司在做;在芯片生产领域，设备制造方向荷兰ASML公司处于垄断地位，圆晶代工方向上海中芯国际等国产企业正逐步扩大本土市场的占有份额;在芯片设计领域，国外独大，国内步履维艰，基本是在国外芯片设计公司IP或架构的授权下推出自己的CPU，但也有很多公司中途放弃。