国运之争:万字深剖国产PC芯片到底差在哪?

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发布时间:2018-06-11 06:52

国运之争:万字深剖国产PC芯片到底差在哪?

2018-06-10 22:09来源:杠杆游戏进出口/技术

原标题:国运之争:万字深剖国产PC芯片到底差在哪?

摘要:部分核心功能的国产化替代基本可实现,国产芯片整体差距和进口品牌还相当巨大

撰文|李实(杠杆游戏的朋友重磅来稿)

前言:近期,中兴公司被美国禁运的消息传得沸沸扬扬。虽然这起事件本质上还是国与国之间的外交争夺、技术争夺以及由中兴公司在美国的商务行为中的一些不当之处所引发。但是中兴公司被禁运后可能面临的破产倒闭等问题,却给国内不少企业敲响了警钟。

高科技产业始终是一个国家综合国力和技术实力最好的证明,尤其是集万千宠爱于一身的芯片行业,更是重中之重。

借由中兴禁运事件,我们不禁展开了联想:在大家日常使用的PC芯片上,国产化做得如何?有哪些可以国产、哪些不可以国产?假如面对全面禁运,国产的芯片、系统能够顶替外国产品吗?

贸易是人类社会最重要的组成部分之一,现代社会几乎一切事物都和贸易有关。本次中兴禁运案后,国内无论是媒体还是产业界、投资界,都对国产芯片充满了忧虑,认为部分国产无法生产的设备和产品,有可能成为国家对决的筹码,甚至使得国内的产业发展受阻。

从理论上来说,由于贸易的双向性,贸易禁运和贸易制裁是否能有效的阻碍技术的流动或者产业的发展(或者起反作用,尤其是对大国),一直以来都存在一些争议,甚至不同行业都存在不同的做法。

但毫无疑问的是,作为普通的消费者,贸易禁运和贸易制裁带来的短期效应,是非常明显的。

当然,这个“短期”,是指在国际竞争数十年乃至上百年周期中的“短期”,具体到每个人或每个产业,可能有数年或者数十年的时间。即便如此,已经足够改变个人职业选择或者产业的发展形态了。

借由中兴禁运案,本文不得不思索一种可能:如果在某种情况下,目前对全球产业都至关重要的个人电脑产品,爆发了针对我国的禁运案,我国是否有能力以任何手段寻找到替代产品,从实现个人电脑的全面国产化替代?下面试分析一下这种情况。

1、个人电脑产品使用进口芯片的情况

个人电脑产品大家已经很熟悉了。一台完整的PC(无论是台式机还是笔记本电脑),一般常见的配件和其中重要的功能芯片包括下列产品:

图1.典型的处理器芯片照片 图片来源|网络

1.中央处理器:CPU芯片

2.内存:DRAM芯片

3.主板:南桥芯片、音频芯片、网络芯片(包含无线网络芯片)、电源管理芯片、USB芯片、SATA芯片、其它功能芯片等

4.显卡:GPU芯片、DRAM芯片、视频芯片、电源管理芯片等

5.硬盘或SSD:硬盘控制芯片、硬盘盘片、NAND FLASH芯片、DRAM芯片、电源管理芯片等

6.机箱或外壳:部分数据传输接口控制芯片、风扇或者灯具控制芯片

7.显示器:屏幕、屏幕驱动芯片、电源管理芯片等

8.外设:鼠标和键盘控制芯片等

上面列出的八大类产品,是PC中比较重要的芯片类产品。其中最昂贵的包括CPU、GPU等、便宜的也有诸如音频芯片和网络芯片等。

另外还有一些体积较小,不太被人关注的产品诸如MOSFET、陶瓷电容、小尺寸电感、电阻等,本文暂不讨论(虽然这些产品有一部分也主要依靠进口),只关注和芯片类相关产品。

由于整个PC市场的情况很复杂,厂商、品牌和产品型号都很多,因此本文无法提供具体到精确数据的进口比例,只能进行一些有限的估计。

因此,本文用不同的进口等级来区分描述进口情况:

1.全进口或绝大部分进口:指超过90%甚至100%采用进口产品

2.大部分进口:指部分产品可能使用国产芯片,当然不同领域情况不同,可看做超过75%进口,国产芯片占据部分市场份额

3.可国产:国产芯片占据了超过30%市场份额甚至更高

从现有情况来看,目前国内市场的上述八类产品需要进口的情况包括(我国台湾省研发制造的芯片也暂计算入进口产品中):

图2.很多人不熟悉GPU(也就是显卡的芯片),认为是玩游戏的,实际上它和目前最热门的人工智能、大规模并行计算等息息相关

全进口或绝大部分进口:

1.中央处理器:以英特尔和AMD为主,全进口

2.内存:目前市场上以三星、海力士、美光、南亚等品牌为主,全进口

3.主板:主板芯片由AMD和英特尔垄断,全进口。主板和其余设备的电源管理芯片、USB控制器芯片、SATA芯片等绝大部分进口

4.显卡:被AMD和英伟达垄断,全进口。DRAM情况和内存相同

5.HDD或SSD:HDD的盘片和控制芯片部分被WD和ST、HGST等厂商垄断,全进口。SSD的NAND颗粒被三星、英特尔、美光等厂商垄断,全进口

6.显示器:驱动芯片几乎全进口

大部分进口:

SSD控制芯片小部分可国产,但是大部分进口。另外还有一些不太引人注意的芯片,比如电源PWM芯片,偶有使用国产品牌的;蓝牙、WiFi等通讯控制芯片也有国产品牌介入。

可国产:

鼠标的控制芯片可国产,但进口占据高端。

显示器面板国产已经非常成熟,且占领了超过30%市场份额。

音频芯片方面实际国产已经比较成熟,但是在主板上由于主流的瑞昱等厂商价格低廉且成熟,因此国产芯片没有将重点放在这个市场上,在这里也算作可国产。

2、不用进口行不行?PC芯片的国产化替代情况研究

经过上文的分析,我们可以看到,一款个人电脑中绝大部分产品都使用了进口芯片,甚至诸如CPU、GPU这样的产品更是独此二家别无分店。

那么,这些产品就真的一点国产化替代的可能都没有吗?是不是离开进口芯片,我们就无法上网、无法用电脑办公、无法玩游戏了?

在解答这个问题之前,需要先定义“国产化替代”本身的含义。可能有的读者认为,国产化替代就是国内出现第三家或者第四家厂商,代替英特尔、AMD、三星这类核心厂商的市场地位,采用与其类似的产品研发发布方式来推出新品,实现和英特尔、AMD这类世界级厂商的全面竞争。

从目前我国的情况来看,出现这类核心芯片厂商的可能性微乎其微,无论是技术储备还是产业链情况以及市场接受度、知识产权等都几乎不具备实现条件。

鉴于这样的情况,“国产化替代”不太可能利用国产化芯片对进口产品实现对进口产品的全面竞争、全面替代,反而是更偏向于 “核心功能的国产化替代”,也就是先解决关键的有无、是否能用的问题,再伺机解决市场化问题。

那么,什么是“核心功能的国产化替代”呢?举个例子,我们每天使用电脑,都是打开Windows后,根据需要选择合适的应用程序。

实际上这些应用大部分在手机或者平板电脑上都存在,除了大型3D游戏、需要高性能硬件支持的软件暂时还无法出现在移动端外,其余的大部分功能,移动平台都对PC平台实现了“功能性替代”——也就是说不管实现路径如何、性能是否足够强悍,在最终的使用结果上,只要能够满足类似的功能需求就可以了。

因此,对PC而言,实现“核心功能的国产化替代”要更现实一些,当然PC上使用的X86架构等基本的内容国产化产品考虑到兼容性问题只有全盘继承,这一点上暂时没有什么更好的方法了。

那么,目前“核心功能的国产化替代”又发展的如何呢?我们一项一项来看:

中央处理器:天津海光和上海兆芯正在努力。

中央处理器部分可能是国产最接近全面替代的产品了。国内目前有两家厂商在基于X86架构,通过引进技术和授权,希望实现国产X86处理器的设计和生产。这两家厂商分别是天津海光和上海兆芯。

图3.AMD将自己的X86架构的部分内容卖给了天津海光,但是具体情况不详

先来看天津海光。天津海光全称是天津海光先进技术投资有限公司,简称THATIC,隶属于中科院旗下的中科曙光。

天津海光通过和AMD合作,以2.93亿美元的代价获得了AMD有关X86的架构授权。AMD预计将和海光成立合资公司,专门研发和生产面向中国市场的服务器处理器。

根据相关消息披露,AMD在本次合作中不实际出资,而是以知识产权占股,并且未来产品实际生产出货后,AMD将会以版税的方式,向每一颗处理器收取相应的授权金。

在技术方面,目前双方公布的消息不是很多,但是有传言称AMD向天津海光授权了最新的Zen架构,天津海光将以Zen架构为基础,打造国产服务器用的X86处理器。

从天津海光的情况来看,虽然花费巨资和AMD的合作获得了全新的Zen架构,但实际上国内科研人员的研发技术实力有限。

图4.说实话,AMD现在虽然市值萎缩,比各大房地产公司远远不如,但是其技术还是很牛逼的,Zen架构在全球都是独一无二的,除了英特尔,也没谁能和AMD正面杠了

面对Zen架构这种全球顶尖的CPU架构,即使全部拿到源代码和相关原始数据,是否能够全部解读并且消化吸收、需要花费多久时间才能转化应用是值得考量的一个重要因素。

另外,由于合作内容没有披露,AMD是否允许天津海光接触最核心的微架构部分,是否允许天津海光基于AMD自己的知识产权进行二次开发,是否允许天津海光未来向民用市场销售给予AMD知识产权的相关产品,都还不是很清楚。

不过根据目前的协议来看,天津海光的产品将主要面向服务器市场,依托中科曙光以及曙光在服务器市场上的优势,实现部分关键服务器产品国产化。

说完了天津海光,再来看看上海兆芯。和天津海光X86技术获取和AMD合作不同的是,兆芯的技术来源是我国台湾省的厂商威盛。

图5.兆芯的处理器,是目前最接近民用的国产X86处理器产品

威盛早年间和英特尔以交叉授权的方式获得了X86架构授权,一度也自己推出过数款处理器产品,但后期由于运营和技术开发难度等问题,威盛目前基本上退出了X86处理器的市场,但是依旧手持知识产权。

国内早在十一五、和十二五“核高基”相关规划中,就提出要有自己自主可控的处理器产品,但是一直以来没有很大的突破,主要原因就是知识产权无法获得。

在这种情况下,2013年,上海联和投资也就是上海国资委下属投资企业通过和威盛接触,决定出资2亿美元占股80%,威盛出资4975万美元占股20%,双方共同成立上海兆芯,实现国产X86处理器的研发。

上海兆芯目前已经推出了数代产品,外界可以看到实际运行的产品包括ZX-A、ZX-C系列、ZX-D系列等,以及最新发布的KH-2000系列和KX-5000系列等。

根据兆芯的内部文件显示,兆芯内部迭代已经有五代之多,经过数次迭代和快速推进,最新的28nm工艺的KX-5000系列的四核心产品已经可以和英特尔双核心Core i3处理器性能相提并论,并且集成了DirectX11.1的显示核心,支持虚拟化技术、支持双通道DDR4内存、支持4K显示输出、支持数据保护技术和加密算法、支持SSE4.2和AVX等新技术。

图6.无论再怎么样,兆芯可以支持Windows,这就使得其具有了市场化的基础

芯片组方面也有相关产品搭配,能够实现对PCI-E 3.0、USB 3.0、SATA等主流接口的支持,在发布会上正常安装Windows和相关应用软件,全程运行没有任何异常。

另外,除了处理器本身之外,兆芯在和VIA合作的时候,还获得了来自S3 Grapic的相关图形技术,这才有了兆芯的高集成度和对图形技术的支持。

虽然从产品性能本身来看,即使是兆芯最新的八核心系列产品和英特尔普通的四物理核心的Core i3还存在差距,但是兆芯出现的意义在于,国内厂商有希望在国内全产业链支持下,实现对国外处理器产品的“核心功能的国产化替代”。

尤其是对军队、政府、国家安全等机密部门而言,国产处理器知根知底,不存在后门,即使性能稍差,但是满足基本办公和文字需求也已经足够,毕竟国产处理器目前的应用范围没有高性能计算、大型3D游戏的需求,办公和信息处理才是兆芯的主战场。

图形处理器:长沙景嘉微刚起步。

在中央处理器之外,图形处理器也就是GPU是另外一个技术难点。如果说CPU还有几家厂商有授权或者有厂商愿意合作,在GPU方面则是举步维艰。

目前全球大型GPU的技术掌握在AMD和英伟达两家厂商手中,从多年发展来看,AMD和英伟达不但自己研发产品,还形成了对视觉计算和AI计算产业的标准的制定和发展方向的引领,已经形成了绝对优势和全面控制的态势。

在这种情况下,除了前文提到的获取了S3授权的上海兆芯外,国内还有另外一家厂商通过自主研发推出了GPU,虽然性能甚至还还比不上AMD的集成APU,但是至少解决了有无问题,这就是长沙景嘉微电子。

长沙景嘉微电子成立时间是2006年,是一所军民融合深度发展的高新技术企业,旗下主要产品包括GPU、无线通讯、小型雷达和存储记录等。

图7.长沙景嘉微的GPU产品,这是初代的JM5400

景嘉微电子推出过2款GPU产品,其中首款产品JM5400流片于2014年5月,采用65nm工艺制造,支持PCI接口,显存为32bit位宽、1GB容量,像素填充能力为2.2G Pixel/s,其基本性能相当于GeForce 2时代,主要用于机载、舰载和车载环境下的图形生成,用于特殊场景下的国外芯片替代。虽然JM5400性能比较弱,但是在特殊场合下解决了有无问题,还是得到了国内敏感用户的青睐。

在2018年,景嘉微又推出了新的产品JM7000,工艺改用了28nm,像素填充能力达到了6G Pixel/s,相比之前的产品大幅度进步,其像素填充率数据已经和GeFroce 6800这样的产品相当,除了可以在传统的敏感环境下使用外,还有希望在部分台式计算机和笔记本电脑中搭载。

从技术角度来看,长沙景嘉微的产品甚至不如中档手机的GPU性能,但考虑其主要面向的是敏感客户,支持的规范也是OpenGL,因此只能说具有一定的GPU研发能力,距离世界先进水平有大约10~15年的性能差距。

图8.第二代的JM7000在官网也有资料列出

除了GPU本身的图形能力外,目前GPU在通用计算和深度学习加速方面有着不错的效果,其计算优势主要建立在超大规模并行架构之上。

有关超大规模并行架构处理器的研发,国内的优势还是比较明显的,神威太湖之光上的申威26010众核处理器单片包含了260个计算核心,能够以每秒3万亿次的速度实现大规模并行计算,在国际上都居于领先地位。

图9.全自主的神威太湖之光,代表了未来超算的方向,也是全国内自主研发

另外,在AI计算最为关注的深度学习计算能力方面,国内厂商包括寒武纪、深鉴科技、地平线科技、阿里巴巴、百度等企业都纷纷介入其中并推出了相当不错的产品。

并且,从国际技术发展的角度来看,在GPU上同时兼容深度学习计算、通用并行计算和传统图形计算已经不再是主流方向,GPU未来还是会以图形计算、视觉计算为主,而深度学习计算、通用并行计算等则会交由专用的并行架构完成,两者在架构上存在一定关联性,但各自有侧重性。

因此,在GPU可实现的功能方面,国产产品已经基本可以通用计算和AI计算部分的“核心功能的国产化替代”,只有图形计算部分尚需进口产品补充。

除了长沙景嘉微和前面提到的上海兆芯在国内拥有GPU研发能力外,国产GPU的另一束曙光来自于被中资背景收购的imagination旗下的PowerVR系列图形架构。

从历史角度来看,imagination在和ATI以及英伟达的竞争中失败才转向移动市场,但这并不说明其PowerVR架构没有开发潜力,相反,PowerVR架构在技术特性和性能表现尤其是能耗比表现上都非常出色,如果可以顺利引进吸收并完成国产化,将是国产图形加速设备的重大突破。

有关这一点,还需要看未来产品和市场的变化了。

存储芯片:武汉长江、合肥长鑫、福建晋华。

存储芯片主要包括在内存、显存中使用的DRAM架构的DDR、GDDR颗粒和在SSD中使用的NAND Flash颗粒。

之前这类产品主要被三星、英特尔、美光、海力士等国外企业把控,不过目前国内已经在武汉、合肥和福建晋江简历了存储产业基地,希望实现存储技术的全面国产突破。

武汉长江存储是国家集成电路产业投资基金股份有限公司和湖北省地方企业,包括湖北国芯产业投资基金合伙企业(有限合伙)和湖北省科技投资集团有限公司等,共同出资组建的存储芯片生产企业,投资规模在240亿美元左右,2020年会形成月产30万片晶元的规模。

图10.长江存储堪称武汉近年来最大的投资项目,奠定了武汉作为国产重要芯片生产基地的地位

武汉长江存储主要的产品包括DRAM和NAND Flash制造。最新的消息显示,长江存储已经开始试产32层堆叠的NAND颗粒和DDR3 DRAM,未来还将进一步拓展至64层堆叠的NAND颗粒和DDR4 DRAM,这是国产存储芯片中最重要的一支“国家队”,对打破存储芯片的外界垄断有着重大意义。

除了武汉长江存储外,合肥长鑫也是近年来开工的国产存储芯片厂商。合肥长鑫定位生产DRAM芯片,技术来源可能和海力士以及我国台湾省华亚科有关。

合肥长鑫存储已经在2016年开工设计有关12寸晶圆厂的相关项目,总投资为67亿元,随后的2017年5月,合肥市政府宣布支持合肥长鑫,总投资超过72亿美元,主要建设12英寸晶圆厂一座,月达产产能估计为12.5万片。

图11.合肥长鑫的技术来源和资金来源在业内曾引起争议,但这并不影响长鑫存储顺利建设

第三家国内存储芯片厂商福建晋华和我国台湾省的企业台联电有关,厂址位于福建晋江,投资人是福建晋华集成电路公司和台联电,总投资额为53亿美元。台联电是仅次于台积电的台湾第二代晶圆代工企业,不过近年来在技术投入和产业发展上比较缓慢,因此被台积电彻底盖过了风头。

这次台联电转战大陆,和福建企业合资生产DRAM,应该也是看中了大陆广大的市场。福建晋华的晶圆厂已经在2017年11月封顶,预计在2018年下半年就可以开始试生产,初期使用32nm工艺、12寸晶元试产DRAM颗粒,月产能约为6万片。

图12.福建晋华的晶圆厂已基本完工,正在设备调试,年底就可以试生产DRAM颗粒

除了上述DRAM和NAND Flash厂商外,存储控制芯片方面,国内也涌现出多家自主研发设计厂商,包括国科微电子、亿芯科技、瑞耐斯等,其中不乏有跟踪国际最先进水平,推出PCI-E接口、支持NVMe技术、支持服务器级别安全和稳定要求的产品,并且已经成功流片上市。

在存储控制芯片方面,国内目前研发还是小有成就。不过整个存储市场还处于发展波动之中,需要进一步观察。

另外,在HDD方面,由于HDD本身技术已经进入稳定期,整个产业链都被数家国外厂商牢固控制,因此目前国内企业没有涉足,之前国产硬盘厂商诸如长城科技旗下的易拓被外资入股后已经改变了发展战略。

考虑到NAND Flash未来在很大程度上将替代HDD的市场,短期内国产不涉及HDD行业也是可以理解的。

其他芯片:国内厂商有一定建树。

除了上述的几类重要的芯片外,在其他类型的芯片方面,国内厂商只能说有一定建树。其中主板芯片主要是由CPU厂商提供,目前天津海光的具体产品不详,暂无消息,同期上海兆芯则搭配产品推出了相关的芯片组,支持目前最主流的USB 3.0、PCI-E 3.0以及SATA、千兆网卡等功能比较齐全。

其他芯片方面,音频芯片前文已经提及,市场目前基本被台湾瑞昱科技和威盛占据,但实际上国产音频芯片并不差,包括珠海炬力、瑞芯微、凌阳等厂商,都有能力推出完整的国产音频编解码芯片。

网卡芯片方面,在诸如蓝牙、WiFi芯片方面,国产不少厂商推出过相关产品,已经不再是什么难题,高端一些的万兆网卡芯片国产也已经有产品推出。

显示驱动芯片目前基本全部依靠进口,但近期也有消息称国产厂商有一定突破,相信短期内国产厂商就可以介入这个领域,实现国产替代。

3、任重道远:部分核心功能的国产化替代基本可实现

综合本文分析可以看出,国产芯片唯二的亮点在于商用和特殊场合的AI计算和并行计算方面,实际上和国际水平已经非常接近了,但是在面向民用的CPU、部分功能芯片方面还差距较大。

其中差距最大的就是GPU芯片,国产产品落后较多,主流3D游戏几乎不太可能在国产GPU芯片上流畅运行。

另外,存储芯片有望在3年内实现突破,DRAM和NAND芯片都有可能国产化,加上存储控制芯片已有一定基础,因此存储部分也能够实现国产替代。

试想一下,假如有一天无法购买进口PC芯片,那么在国产存储芯片突破后,国产的PC芯片搭建的电脑,还是可以运行Windows、进行诸如网络浏览、音乐播放、视频播放、高清影像等常见操作。

个人电脑的部分核心功能的国产化替代是基本可以实现的,但是玩主流3D游戏、进行3D图形处理等将会受制于GPU技术落后,受到较大制约。

比如国产兆芯八核心处理器产品的CPU性能虽然没那么强大,但是还可以满足基本需求。进一步搭配特殊加速芯片的话,在专业场合深度学习计算和并行计算也能基本满足需求,但是一些大型的生产力软件包括PS、CAD、影音视频编辑软件等可能速度就比较慢了。

最后再说一些题外话。目前本文说到的芯片国产,只是指设计情况,并未提及制造。国内制造企业中比较先进的中芯国际,制程最高只掌握到28nm,更新的14/16nm等还需要等到2020年才能初步掌握,因此芯片制造方面也是一个坎。

其次,本文提及的部分核心功能的国产化替代,其实是一个非常低的要求,一般只考察最基本的功能能够实现,并未考虑性能因素,如果提高性能要求,大量的需求将无法满足,因此国产芯片整体差距和进口品牌还相当巨大。

芯片和软件环境、应用市场发展息息相关,这个市场只有用的人变多,才具有发展的潜力和发展的动力,用得越多、发展的越好,越没人用则根本不知道发展方向在哪里,只有一味跟随。

希望未来有一天,国产芯片能够以合适的方式出现在生活中,第一步先让用户多起来,接下来再看如何优化和提高性能,逐渐走上产业发展的正途。

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