中國x86處理器競逐：一半是海水，一半是火焰？
2019-07-03 09:17:01 觀察者網當地時間6月21日，美國商務部工業和安全局（BIS）發布公告稱，將把中科曙光、成都海光集成電路設計、成都海光微電子技術、天津海光信息技術公司和無錫江南計算技術研究所列入“實體清單（Entity list）”。而理由是五家中企從事涉及與美國國家安全、外交利益相悖的活動。
簡單而言，進入“實體清單”的企業將遭到美國方面的技術封鎖及其參與的部分國際供應鏈“隔離”。BIS的決策自6月24日正式公布生效，而在23日晚間，中科曙光發布公告稱，其股票、曙光轉債及曙光轉股自6月24日開市起停牌，最遲于7月1日復牌。并表示公司正在核實相關內容，全面評估被列入“實體清單”事件對公司可能產生的影響。
國家超級計算深圳中心曙光“星云”超級計算機
據了解，中科曙光的上游包括芯片、存儲等硬件設備制造業及軟件行業。其中，具有較大影響力的英特爾（Intel）、AMD、希捷等均為美國企業。中科曙光2014年披露的招股書顯示，英特爾、AMD均在前五大供應商之列。而根據2018年年報，中科曙光前五名供應商采購額為50.94億元，占其年度采購總額的63.05%。
在美國商務部看來，中科曙光、無錫江南計算技術研究所和國防科技大學領導著中國超算的發展。早在2015年，奧巴馬政府就宣布將與“天河二號”相關的國防科技大學及國家超算天津、長沙、廣州中心列入“實體清單”，并禁止英特爾等向中國出售超算芯片。當時的理由是“該超算可用于核爆活動”。
如今，美國此次制裁同樣被認為針對中國超算領域明顯。在研發制造曙光超算系列的中科曙光、神威系列系統研發方江南計算技術研究所被列入“實體清單”之后，中國超算巨頭已全部受到美國政府方面祭出的制裁。不過可喜的是，中國超算已具備處理器、網絡芯片組、存儲和管理系統等核心器件全部國產化的能力。其中尤以“神威·太湖之光”為代表。
據悉，天津海光成立于2014年，股東包括曙光和中國科學院。2016年，英特爾的老競爭對手AMD與天津海光設立合資公司，向其提供x86架構芯片技術許可，開發只在中國銷售的服務器芯片。兩家合資公司分別是AMD占股51%的成都海光微電子和天津海光占股70%的成都海光集成電路設計公司。
值得注意的是，海光x86芯片被曝出早前已順利出貨，去年營業收入達到1.13億元，凈虧損3571萬元。申萬宏源此前預計，天津海光有可能在今年盈虧平衡。而在中科曙光方面，該公司2018年實現營收90.56億元，凈利潤4.3億元，同比增速均達到約40%。業績正處于加速增長態勢。
對于美國禁令的影響以及應對措施，中科曙光回應表示，“公司進入美國出口管制‘實體清單’，我們感到震驚并深表遺憾”。這影響了公司的日常運營，也影響了與全球合作伙伴的正常合作。美國所做出的決定缺乏事實依據，也不符合各方利益。曙光將積極與相關機構溝通，以降低事件造成的影響。
目前，從中國x86技術布局來看，天津海光與AMD成立的合資公司業務主打高性能計算的服務器芯片，而上海兆芯與威盛合資研發的x86架構CPU主要定位在桌面級處理器領域。而由于AMD已中止對海光x86 IP授權，以及美國政府方面掣肘，海光處理器將面臨一定考驗。與此同時，上海兆芯的競逐同樣是重要議題。
1. 承接“核高基”01專項
2006年，國家中長期科技發展規劃綱要（2006—2020）中提出了實施十六個專項，“核高基”規劃是當時規劃的十個專項中的第一個，肩負著解決我國最重要的核心電子器件、高端芯片和基礎軟件的關鍵核心技術。為此，中央財政為“核高基”重大專項安排預算328億元，加上地方財政以及其他配套資金，預計總投入將超過1000億元。
“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件”專項曾被喻為當年有“兩彈一星”，現在是“兩件一芯”。據悉，曾有一位高層官員表示，如果說“兩彈一星”當年大大提高了中國的國際地位，那么在當今世界，獨立的微電子、軟件和計算機產業體系就是當代大國的重要標志。
中央處理器被認為是“核高基”攻關的重中之重。然而，十一五期間，在自主研發CPU的路線上，既有廠商強調核心數量而忽略了單線程性能的提升，也有對自主CPU的投入不足。廖湘科院士于2016年在中科院北京計算所的一次講話中指出，“過去十多年里國家對（龍芯、申威、飛騰）總計投入20億，而且還是三家分。”
不過，采用MIPS、Alpha、SPARC自主指令集的龍芯、申威、飛騰仍在短時期內的“核高基”攻堅研發上取得較大突破，其CPU產品為部分重要國家機關、政府部門等采用，但在國內市場進行商用推廣多年仍不太理想。原因在于CPU除了倚重性能之外，還要與目前居于市場主導的x86架構生態軟件兼容。而問題就在于上述國產CPU通用處理性能不夠，以及自建軟件生態難度極大。
另一方面，根據海關總署的數據，2012年，中國集成電路進口額為1724.99億美元，逆差達到1391億美元。而到了2013年，集成電路進口額同比增長34.6%至2322億美元，首度超越石油成為中國進口額最大品類。貿易逆差則同比增加50億美元至1441億美元，連續第四年擴大。值得注意的是，CPU的進口額在兩千多億美元的總進口額中占比最大。由此，國產商用處理器成為亟需跨越的一道坎。
于是，自2013年起，“核高基”開始嘗試多種路線，其中包括支持引進國外CPU技術及現有處理器，并兼容成熟的應用生態。在引進技術的幾個選項中，一個是ARM，華為、展訊、飛騰都選擇了購買ARM指令集授權；另一個是IBM的power，江蘇中晟宏芯拿下power的開發授權；第三個選項是x86，上海兆芯成為該架構首選。
2013年4月，上海兆芯集成電路有限公司宣告成立。其中，上海市國資委下屬上海聯和投資有限公司以2億美元出資額占股80%，臺灣威盛電子以4975萬美元出資額占股20%。前者成立于1994年9月，主要從事高新技術產業和金融及現代服務業領域的股權投資及管理工作。
兆芯成立同時是“核高基”政策導向的變化。2013年5月3日，工信部網站正式發布了“核高基”重大專項實施管理辦公室關于2014年課題申報指南的通知。“指南”中沒有了“國產”、“自主創新”和“自主可控”等曾經作為民族信息產業旗幟的術語，取而代之的是“無知識產權糾紛”，“具有良好生態環境”，形成系列化知識產權“組合”的新說法。
2014年，兆芯承接“核高基”01專項，公司聯合中科院上海高等研究院、聯想集團、上海華力微電子承擔了“核高基”國家科技重大專項“面向事務處理型桌面計算機關鍵軟硬件研發與規模應用”課題任務，包括CPU、操作系統、整機、工藝四大部分初期投入的研發費用為57億元。兆芯作為課題牽頭單位，承擔其中“安全可靠的桌面計算機CPU”子課題，投入的費用大約為30億元。
可以看出，兆芯的成立并非偶然，而是在國產CPU發展方針變化下的某種必然。近年來，在國家“安全可控”工程計劃中，一定政策指導下的國內廠商在ARM、MIPS、RISC-V、Alpha、Power以及x86等指令集及處理器方面，幾乎把所有架構的CPU都摸索了一遍。這足以看到國家對于實現處理器等集成電路“突破核心技術創新”的決心和目標。
2 獲威盛x86技術授權
兆芯目前的業務主要包括x86芯片的研發，基于ARM公版設計的SOC研發，GPU的設計研發和芯片組的開發。其中，x86芯片是兆芯的核心業務。而該業務的發展與威盛的授權合作關系重大，威盛的x86授權則可以追溯至多年以前。
上世紀九十年代，為了避免電腦業務受到扼制及確保更穩定的供貨來源，IBM要求英特爾將x86架構也授權給其他公司。當時為了不得罪IBM這個大客戶，同時規避壟斷問題，英特爾先后把x86架構授權給AMD、Cyrix、IDT、NEC等企業，其中AMD購買了x86擴展指令集授權。1999年，威盛通過收購Cyrix和IDT的處理器部門獲得開發x86處理器的權利。
威盛是由英特爾前員工陳文琦于1987年在美國加州硅谷Symphony公司中創立。成立初期，陳文琦從Symphony把員工送回臺灣開始芯片制造，好友王雪紅（2003年與陳文琦注冊結婚）也積極參與了公司構建。1992年，威盛將總部遷移到臺灣臺北縣新店市。此后王雪紅成為公司董事長，而陳文琦任總經理。在威盛孵化下，王雪紅于1997年再創辦HTC。
威盛在千禧年之際達到巔峰。2000年，該公司收購S3圖形部門，這不僅使其成為第三大顯示芯片廠商，更成為第一家同時擁有CPU、GPU和芯片組的廠商。其間，威盛在當年成功獲得了全球近一半的芯片組市場占有率，并以629元的高價榮登“股王”，締造了1258億元臺幣的市值。此外，威盛還積極引進各種總線、協議專利，掌握了大量核心技術。
但是樹大招風，威盛隨即陷入了專利戰。2001年9月，英特爾起訴威盛的P4X266芯片組侵犯了其5項專利。幾天后，威盛反訴英特爾的845芯片組侵犯了公司PC133 SDRAM內存專利。英特爾隨后又追加起訴威盛的C3處理器侵犯了5項專利，要求禁售C3處理器。此外，英特爾還向主板廠商施壓要求不得使用威盛芯片組，否則不報銷并且加收專利罰金。威盛則立即表示若使用就報銷一切專利費和罰金，并推出自有品牌原廠主板。
經過近兩年的專利訴訟爭端和博弈，2003年4月，英特爾和威盛正式達成和解。雙方撤銷了在5個國家提出的11次訴訟共27項專利爭議，并且簽署了為期十年的交叉授權協議。英特爾授權威盛銷售C3系列X86處理器，及生產兼容英特爾處理器的芯片組等。然而，專利授權問題解決之后并沒有讓威盛迎來平靜而良好發展，等待她的是更大波瀾。
2004年，英偉達（NVIDIA）在市場上推出3DFX祖傳技術SLI，這極大削弱了威盛芯片組的競爭力。而AMD于2006年收購ATI獲得芯片組技術后，該公司和英特爾都開始主推自有芯片組，在Core i和APU時代，二者更進一步將原本屬于北橋的所有功能都整合在CPU里面，不再開放芯片組授權。至此，第三方芯片的時代走到盡頭，風頭正盛的威盛、英偉達芯片組“戛然而止”。
由于CPU、GPU技術不及競爭對手導致市場表現不理想，以及芯片組業務遭遇重創后業績下滑，威盛自2005年開始陷入連續多年的虧損。到了2015年9月，威盛與英特爾達成合作協議，后者出資1億美元收購威睿電通的CDMA專利。這項出售讓英特爾的基帶實現了全網通功能同時也使得威盛實現了11年來首次“盈利”。而目前，威盛仍在虧損泥潭中。
業內人士曾表示，威盛這些年是靠HTC輸血才活下來。然而，HTC如今也已然隕落。不過讓威盛看見曙光的是，盡管其x86技術在C3、C7以及Nano處理器升級迭代至2009年后已基本停止研發，但大量知識產權仍有潛在市場空間。由于內地正對x86技術有較強需求，合作研發將有利于扭轉其生存困境。
另外，陳文琦曾表示，“我一直有一個夢想——中國人也能做出最好的芯片。”實際上，威盛電子（中國）有限公司2000年于北京成立時，公司位于中關村清華科技園內的辦公樓即叫做“中國芯大廈”。而目前，上海已建成中國集成電路產業的前沿陣地，且歷來受臺商、臺資青睞。由此，威盛與上海市國資委旗下企業達成x86技術合作似在情理之中。
不過，2010年8月，根據美國聯邦貿易委員會（FTC）與英特爾就反壟斷指控達成的和解協議，2003年4月威盛與Intel之間的訴訟和解協議將被延長至2018年4月。其中和解內容還包括要求英特爾調整其與AMD、威盛電子、英偉達達成的知識產權協議，以使這些公司擁有更多（能夠考慮與其他公司合并或組建合資公司）的自由。
3 五年五次CPU迭代升級
兆芯的x86技術源自威盛，可謂走的是技術引進的道路。而在引進技術中，往往有這樣一個過程——先貼牌仿制，再修改原始設計，最后在將引進的技術融會貫通后自主創新。2014年，兆芯推出了基于X86架構的處理器產品ZX-A，微結構為威盛的“以賽亞”。該芯片被認為實際上是威盛Nano，不過這對于剛剛成立的兆芯無可厚非。
2015年，根據“核高基”專項的要求，ZX-B必須要使用中國自主的工藝流片。而從結果上來看，兆芯及華力微電子沒能做到，所以跳過了ZX-B轉而開始研發ZX-C。不過，跳過ZX-B的真正原因曾被認為是國外IC設計公司對中國進行嚴格的技術封鎖。
兆芯自主設計的開先ZX-C四核處理器于2016年實現了量產。其微結構為“以賽亞2”，采用28nm制造工藝，主頻為2.0GHz、具備2MB高速緩存、功耗低至18W，此外兼容Windows、Ubuntu以及中科方德、中標麒麟、普華等國產操作系統。據透露，兆芯開先ZX-C很快實現了供應聯想電腦，并通過政府采購，進入辦公電腦市場。
2017年12月28日下午，兆芯正式發布了自主設計的基于“五道口”處理器架構，代號為ZX-D、正式型號為開先KX-5000系列的國產28nm x86處理器，該芯片面向桌面整機、便攜終端和嵌入式設備。此外，兆芯還同時發布了面向服務器及存儲設備的開勝KH-20000系列處理器，以及ZX-200IO擴展芯片。
兆芯ZX-D處理器由上海華力微電子流片，采用全新內核，最多擁有8個核心。IPC性能比上代提升25％，單芯片性能提升140％，內存帶寬提升120％。基于業界先進的SoC架構，KX-5000和KH-20000系列CPU整合高性能集成顯卡，兼容x86 32/64位指令集、SSE4.2/AVX指令集，支持雙通道DDR4內存、CPU虛擬化、SM3/SM4國密算法以及9個PCI-E 3.0端口等。
產品發布之后，憑借兼容x86、生態較為完善等優勢，采用兆芯CPU的國產整機成功進入到上海、安徽、福建、濟南、武漢等政府采購目錄。另外，在黨政軍等安全涉密的約5%的市場中，兆芯已成功占據了相對較大的比重。然而，95%公開市場幾乎被英特爾壟斷，兆芯另一個目標是在量大面廣的辦公電腦市場里逐步實現進口替代，并推出消費級產品。
2019年6月19日下午，兆芯正式發布新一代3.0GHz x86 CPU產品——開先ZX-E系列（即開先KX-6000和開勝KH-30000系列處理器）。官方稱這是國內首款主頻達3.0GHz的國產通用處理器，采用8核16nm工藝，由臺灣臺積電代工。據介紹，兆芯該系列處理器單顆SoC芯片包含了CPU、GPU和芯片組，具備高性能和低功耗的特點，適合PC、超極本、服務器和嵌入式計算等各種硬件平臺。
其中，KX-6000主要面向PC市場，KH-30000主要面向服務器市場。據透露，兆芯新一代處理器已有數家PC平臺完成了多款軟件產品的兼容性認證和多個硬件產品的同步開發工作，已經能夠實現批量供貨。搭載這兩款芯片的整機產品最先會在黨政機關、金融、能源、交通等關鍵行業進行應用與推廣。
兆芯副總經理羅勇博士表示，由于KX-6000/KH-30000系列處理器采用單核SoC設計，芯片集成度進一步增強，性能提升50%，能耗比較兆芯的上一代產品提升了3倍，能夠帶來更具效率的交互體驗。其中，開先KX-6000系列處理器可更好的滿足移動平臺設備的配置需要，性能相當于英特爾目前主流的第7代i5-7400水平。
目前，根據兆芯的內部文件顯示，兆芯CPU產品內部迭代已經有五代。另外，自兆芯開先ZX-C實現量產以來，兆芯此前已與多家電腦廠商合作，其中包括臺式機的聯想開天系列、清華同方超翔系列、上海儀電智通秉時Biens系列等，一體機領域有昂達、技訊、聯想開天、上海儀電智通秉時，服務器領域則有聯想ThinkServer系列、中科曙光、光星高科、眾新等。如今，兆芯發布KX-6000后將進一步攻入PC處理器市場。
與此同時，由于兆芯、中芯國際、華虹等企業推動，上海作為中國集成電路產業中心的地位進一步凸顯。據上海市經信委主任吳金城透露，目前上海擁有集成電路企業約600家，從業人員近18萬人，產業規模占全國的22%，涉及產品門類齊全，部分領域與國際同步，制造工藝進入14nm。上海成為國家集成電路產業鏈最完善、產業集中度最高、綜合技術最先進的地區。
4 “冰與火”時代的多重挑戰
在自主研發和技術引進雙重路線下，中國已有多家CPU廠商，且發展狀況不一。分指令集來看，華為海思、紫光展訊和飛騰部署ARM處理器，獲得了ARM v8架構授權；龍芯、君正等專攻MIPS處理器，其中龍芯買斷了MIPS指令授權。此外，申威系列處理器采用自主Alpha指令集，中晟宏芯獲得IBM主導的Power 8架構授權，天津海光和上海兆芯則通過組建合資公司致力于國產x86處理器。
由此，對于兆芯的最大優勢是什么？羅勇日前在4月底舉辦的北京國際互聯網科技博覽會上表示，兆芯首先是能借助現有的x86生態優勢，對軟件兼容性最好。其次，在產品方面，ZX-C系列是國內第一個完成28nm、2.0GHz主頻的芯片，之后ZX-D系列首個支持DDR4。如今，ZX-E系列是國內第一個16nm、3.0GHz的單核芯片。再有，在技術上，兆芯是國內唯一的擁有CPU、GPU、芯片組三種IP的廠商。
值得一提的是，2016年6月，兆芯在國家十二五科技創新成就展中的宣傳材料中表示，兆芯國產x86通用處理器性能從十二五初期的不足國際整體水準的10%提升到了80%。兆芯方面日前表示，開先ZX-C和ZX-D正在量產銷售，2018年營收比2017年漲了3倍以上，預計2019年將有四五倍的增長。據悉，兆芯CPU目前主要應用在鐵路基礎設施、軌道交通、金融、電力、軍工、保密和國密等領域。
不過，在面臨的挑戰方面，羅勇指出，在研發中，兆芯首先遇到的最大挑戰是人才。國內CPU方面的人才本身有限，且分散在眾多企業及其它行業中，IC設計公司尤其存在吸引人才、留住人才難的問題。對此，兆芯正加大同各高校科研院所的合作。其次，本土產業鏈還有待完善。國產芯片在有些核心的EDA設計工具、知識產權、制造等受制于國外，這應當引起重視。國內產業鏈里的各環節需要相互輔助，僅憑自己一家做不大。
此外，他還提到，以往國家對國產CPU的支持缺乏一定的持續性，不少項目在一開始進行投入，后來因項目盈利能力無法跟上，便降低投入甚至停止投入。因此，去年中央將國產服務器CPU列入政府采購清單是一個很好的開始，政府要保持一定的政策強度。而在政策導向方面，建議政策的導向保持中立性、現實性，不能偏左或偏右。
兆芯目前同樣面臨國內外對手的挑戰。一方面，在技術上，英特爾在5月底的臺北國際電腦展上推出的8核16線程i9處理器單核性能即達到了5.0GHz；性價比上，兆芯相較英特爾同類型產品也無優勢。兆芯還難以與其在市場上直面競爭。另一方面，根據曙光W330-H35工作站顯示的海光Dhyana處理器信息，其主頻可達到3.0-3.6GHz，提供多種規格4核及8核處理器。這也將對兆芯構成有力競爭。
此外，兆芯也需要面對授權及國際方面的壓力。威盛的x86授權已到期約一年，而兆芯和威盛從2013年成立合資公司至今始終對x86授權模糊化處理，并未進行公開說明。鑒于英特爾嚴控x86技術授權以及威盛并未控股合資公司，威盛對兆芯的授權問題有待進一步披露。由此，英特爾的x86技術授權問題或對兆芯構成潛在影響。
不過，兆芯副總裁傅城博士曾明確表示授權問題影響不大。自2013年以來，兆芯基于X86架構做了很多新的工作，擁有了自主的知識產權。x86架構最早的指令集早已經過了十年的保護期，之前已經授權的內容將永久有效。另外，兆芯方面還曾提到，公司所有的通用處理器和芯片組全部由兆芯自主完成設計研發，且相關IP核100%自主研發，并具備CPU迭代能力。
根據《微型計算機》雜志的測試，兆芯開先KX-6000與英特爾7代i5處理器處于同等水平。該芯片預計今年六七月量產且進入國內PC、超級本等市場，這將助力兆芯走向新的高度。另外，羅勇此前表示，現在兆芯的C、D、E系列服務器產品嚴格來說是存儲服務器、微型服務器、邊緣服務器等。預計兩年后，兆芯將推出真正的服務器CPU，并涉足數據中心、超算用的超大型服務器。
然而，歷史來看，當威盛、AMD成長到觸動英特爾的“奶酪”時，英特爾會不遺余力的祭出專利大棒，這甚至一定程度導致了威盛的衰落和一蹶不振，而AMD憑借x86擴展指令集開發出64位處理器實現了和英特爾“共生”。這值得兆芯警惕、吸取。另外，兆芯在CPU升級迭代過程中，即便英特爾鑒于一些因素“罔顧”，也需要應對美國政府方面或突如其來的“調查”。
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