全球CPU发展状况与中国发展前景2002.doc

全球CPU发展状况与中国发展前景作者：邓中翰 文章来源：巨潮资讯网() 时间：2002-12-05【大 中 小】 CPU现状：全球与中国 近两三年来，全球半导体工业年销售额徘徊在1.1至1.6万亿人民币之间。这些金额分布在计算机、通讯、消费类及军用等产品类别中。而CPU在上述四大类别产品中，扮演了一个举足轻重的角色。大大小小，林林总总的CPU被应用到从电子表到航天飞机等各式各样的系统产品中。CPU三大分类 若从功能粗分，CPU可以被分为通用型CPU、嵌入式CPU与专用型CPU三类。 通用型CPU 通用型CPU是指用于PC的X86系列（Intel）等，及最尖端用于工作站、伺服器的UltraSparc（SUN Microsystem），Alpha （DEC），Itanium（HPIntel）系列等。这些CPU通常采用32位或64位指令，由宠大的研发团队（500人至2000人）设计，采用了全球最尖端的微处理器体系结构与电路设计技术，使用最先进的半导体工艺（如0.13微米0.18微米）制成，工作时钟频率可达1GHZ2GHZ。售价在几百美元至几千美元之间。它们有着最流行的操作系统（如Windows，Unix等）作支持，有着最多的程序员为此开发应用程序，也有着全球最多的使用者。 嵌入式CPU 嵌入式CPU是指那些用于非计算机类产品（如通讯产品，消费类产品及军用产品）的CPU。它们以独立集成电路芯片的形式存在，或作为内核被集成到系统级芯片（SOC）中。与通用型CPU相比，它们并非追求最高的性能，而是“够用就行”。它们通常使用主流的半导体工艺（如0.25微米0.5微米）制成。指令在4位到64位之间，工作时钟频率在几KHZ到几百MHZ之间，而售价在几十美分到几百美元之间。这类CPU所含盖的范围非常之广，如广泛用于工业控制家用电路的Z80，8051，6502等；用于手机的ARM等；用于游戏机的MIPS等；都是其典型代表。使用这类CPU的嵌入式系统有可能需要开发自己的操作系统，也可以使用现有的操作系统（如WinCE、Linux、PalmOS、VxWorks等）作移植，或是根本不需要操作系统。这类CPU通常采用传统的指令集。新产品一般是仅在性能，功耗与成本上超越同型旧产品。 专用型CPU 专用型CPU是指那些为了某种特定的应用而设计的并为这些特殊应用而将内部体系结构与指令集作了专门优化的CPU，如用于多媒体应用的媒体CPU（Media Processor）用于路由器等网络通讯产品的网络CPU（Network Processor或称NPU），及用于网络安全保障，数据加密解密的安防CPU（Security CPU）等。这类CPU的特点是历史短，发展快，变化多，受专利保护、操作系统的限制少。其技术层次属于中高档，并非尖端，可用主流半导体工艺制成。售价通常在几百美元。时钟频率为几百MHZ。 CPU已发展成为全球信息产业的支柱及核心中国CPU的发展 尚处于起步阶段 众所周知，中国半导体工业落后国际水平甚远，但随着近几年国家对集成电路产业的进一步推动，国内同仁也取得了可喜可贺的成果。如几家企业与科研机构研制成的32位RISC CPU，时钟频率可达200266MHZ。但与世界先进水平相比，我们的差距仍是非常大的。 CPU技术难关三大堡垒 不少国内与国外的IC设计公司对CPU都有一种“可欲而又不可求”的感觉。确实要进入这个领域，困难重重。在我们面前，有三大堡垒。一是设计技术堡垒；二是工艺技术堡垒；三是专利保护堡垒。 设计技术堡垒 设计技术堡垒有微处理器体系结构与设计方法两方面。体系结构方面是指诸如指令集从CISC（复杂指令集）、RISC（精简指令集）、SIMD（单指令多数据）、VLIW（长指令字）到DVAITA（动态可变指令集），内核管道线从3级到20多级，线程从单线程（Single Issue）、多线程（Multiple Issue）到超线程（HyperThreading），还有快速缓存（Cache），内存管理，指令预测，能耗控制，方方面面，等等等等。在我们面前有许多技术难关，我们始终没有跟上技术潮流的头一拨儿，更谈不上创新突破，领导潮流。 设计方法方面，我们现在使用的多半仍是从硬件描述语言到逻辑综合再到自动布局布线的CAD（计算机辅助设计）方法，而尖端等级的CPU则都是全定制方法，也就是说人工参与占大部分，计算机辅助占小部分。这需要有大量经验丰富的逻辑设计，线路设计和版图设计工程师。例如Intel的每一种型号的奔腾（Pentium）就需要上千人的优秀工程师合作完成。 工艺技术堡垒 第二个堡垒是工艺技术堡垒。最小线宽已经发展到0.13微米批量生产阶段，0.10微米与0.07微米正按著名的摩尔定律指日可待。再加上铜导线技术，SOI技术等等。工艺技术发展是日新月异。更小的线宽意味着更快的时钟频率，更低的功耗与更大的集成度。这为CPU发展提供了三重加速度。而我国工艺水平仍处于0.35m批量生产阶段，与国际水平有近十年的差距。 专利保护堡垒 第三个堡垒是专利保护堡垒。无论在CPU体系结构与实现方法上，都有着成千上万个发明创新受着专利的保护。 从设计技术堡垒、工艺技术堡垒到专利保护堡垒，一个比一个更坚固，更难以攻克，致使许许多多企业、公司望而却步。那么如何才能找到一条发展中国CPU技术的突破口呢？ 中国发展CPU的前景与策略 本文从宏观与微观两方面来论述自己的观点，希望提出一些想法与大家分享，并共同探索一条适合中国国情的发展之路。宏观 宏观方面也就是战略上，我们应从以下两个方面着手。第一，建立一个长远的、持续的培育、扶持、发展计划，并注意全盘布局。第二，遵守市场规律，以产品养活技术，以技术推动产品。 中国发展CPU急待国家大力支持 CPU是一个门槛高、难度大、投入多、见效慢的项目，不是普通中小型企业有能力做的。 但由于它是所有计算机、通讯产品、消费类产品的核心，所以我们应当要下大决心，花大本钱，做大计划。以六十年代美国总统肯尼迪下决心发展阿波罗登月计划为例，此计划耗资巨大，历时数年，取得了前所未有的成果，也对美国集成电路技术起到了至关重要的推动作用。此后许多军用技术转为民用，致使高科技走入百姓，一定程度上改变了人类生活的方式，也使美国半导体技术领先于全世界长达三十年之久。以此为鉴，发展中国CPU技术，要做大格局，组大团队，立大项目。要做长远规划，持续运作。要在指令集、内核体系结构、设计实现方法、编译与汇编系统、操作系统等各方面作全盘布局。要对有潜力的团队、企业做必要的扶持，帮助一条条小鲤鱼跨越龙门，进入市场经济的大海。 中国发展CPU应注重市场因素 违背市场规律，必作茧自缚。在宏观调控的同时，要重视商业运作。要用中国这一巨大市场来培育技术成长。以VCD、DVD为例，VCD是中国市场培育出的优良产品，在中国以及其他国家取得了极大成功，同时孵育出一批优秀企业，使得中国成为DVD的主要生产国。CPU也是一样，我们不能停留在研究、开发、演示、汇报、写论文、做展览的地步，要让其形成产业，产生经济效益，带动系统产品，推进行业成长。 微观 发展自主知识产权的CPU必须攻克三大堡垒 微观方面也就是战术上，我们应该先攻设计技术堡垒，在专用型CPU和嵌入式CPU上找突破口。面对三大堡垒，若一时无法攻破全部，要避难就易，各个击破。 攻克设计技术堡垒，关键在于人才。人才分梯队，要有带兵打仗的元帅、将军，要有冲锋陷阵攻克难关的骁将，要有身怀一技之长坚守各个岗位的兵。中国有人的优势，也要我们多学诸葛亮三顾茅庐，邀请有识之士前往，要组织成一个强有力的团队也并非难事。此堡垒应是最易突破之处。 攻克工艺技术堡垒，关键在于资金。要兴建0.18微米以下之生产线，动辄需投资一、二百亿人民币，耗时两年之长。当然某些关键技术如光刻机等也是瓶颈所在，需要国家大量投资。攻克专利保护堡垒，则在于时间与积累，此堡垒应为最顽固之处，应避而不攻，并建立自己的专利保护防御体系。久围之下，假以时日，不攻自破。 短期应从嵌入式CPU及专用型CPU突破 面对通用型CPU、嵌入式CPU、专用型CPU三个战场，我们应主攻后两个。通用型CPU采用最尖端之设计技术与工艺技术，并且战场上专利地雷密布，竞争对手强大，宜跟踪观望而适机以待。 嵌入式CPU种类繁多，技术参差不齐，中国有巨大市场，适宜于由浅入深，渐入佳境。战术上应倾向将CPU与ASIC（Application Specific Integrated Circuit专用集成电路）集成在一起设计成系统级芯片（SOC），并与中国自己的集成电路生产线和自己的系统产品厂商共结联盟，互相推动。 专用型CPU乃新兴战场，局势未明，方向不定，宜迅速进入，抢占有利地形，参与制定游戏规则，伺机主导局势发展，或制定自己的规范，将战争引入自己可以掌控之方向。其中犹以安防CPU为最佳切入点。此类CPU乃近几年来网络技术带来的产物，它是未来之明星。况且安全保障乃国家行为，在国防、公安、银行、电子商务等领域具有至关重要之意义。其专利陷阱少，技术难度并非尖端，可自定标准，自成食物链，我们行动宜早不宜迟。 有效结合国家支持及市场行为的CPU新领域：安防CPU 举世瞩目的“911”事件发生之前，安防处理器的市场已迅猛地发展。由于相关用户对安防问题解决方案需求的持续增长，网络设备制造商已针对此需求开发了专用的加密CPU技术，它们在加密解密的速度上远远超过了传统的微处理器。 此次恐怖主义袭击事件使得安防问题成为业内人士关注的焦点。那些生产与安防相关的半导体产品制造商们极力向客户阐述其产品是如何有效的防御此类威胁的。安防CPU将在提高安全性及保密性方面起到至关重要的作用，但这种作用究竟能够在多大程度上服务于人类，还是个未知领域。随着美国政府及一些私人组织，以一种全新的视角去评价高度安全性能产品的成本及利益时，安防CPU的应用产品在日新月异的发展。 不容置疑的是，在今后的几年中，所有目前无加密网络将被支持加密的数据所取代。一旦加密硬件设备的成本大幅度降低，所有的企业网络将有可能实现全程加密。此举将导致这些网络在管理及更新方面产生额外的成本，但是，原先那些不够安全的解决方案将轻易地被安全的系统击败。这种现象将首先出现在最易受到严重威胁的企业广域网（WAN），而下一个将是为数更多的局域网（LAN）。 安防CPU也将成为无线通讯网络（Wireless Lan）、存储网（SAN）、拥有大量用于安防的摄像机的数字监控网络（例如机场、校园）、宽带视频点播网络系统等的必需品。 那些安防CPU生产商们，对安全，这一广泛被社会关注的问题做出了极大的贡献。目前具有代表性的安防CP