信创基础硬件之芯片

信创基础硬件之芯片

服务器

服务器的定义

服务器是一种高性能计算机，其中包含向网络用户提供特定服务的软件和硬件，它比普通计算机运行 更快、负载更高、价格更贵。服务器的定义包含了以下两个方面的内容：一方面，服务器可以为网络 提供特定服务，人们通常会以服务器所能提供的服务来命名服务器；另一方面，服务器是软件和硬件的统一体，特定的服务程序需要运行在特定的硬件或一般通用的微机上才能完成服务功能，由服务程序完成服务策略，并通过硬件实现所需的服务。

服务器的功能

服务器可以为网络中的客户机（如PC、智能手机、大型系统设备等终端）提供特定应用服务，主要完 成数据的存储、传输、处理和发布。

服务器的构成

由处理器（CPU）、内存、磁盘、网卡、监视器、电源、机箱系统总线等软硬件构成。其中最重要的部分是CPU和内存，CPU用于实现判断和计算功能，内存用于暂时存放CPU的运算数据，以及与硬盘、外部存储交换数据。

服务器的性能

由于需要提供高可靠的服务，服务器在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面的要求比普通的个人电脑高。同时服务器具有高速的CPU运算能力、长时间的可靠运行、强大的I/O外部数据吞吐能力以及更好的扩展性。

处理器（CPU）

处理器作为服务器的核心组成部分，对于服务器的整体性能发挥有着决定性的作用。中央处理器（CPU），图形处理器（GPU）以及深度学习处理器（DPU）这三大处理器对于现今服务器行业有着长远影响。

CPU

中央处理器（CPU），是电子计算机的主要设备之一，电脑中的核心配件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算 机软件中的数据。CPU主要包括两个部分，即控制器、运算器，其中还包括高速实现缓冲处理器之间联系的数据、控制 的总线。其功效主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。在计算机体系结构中，CPU 是对计算机的所有硬件 资源（如存储器、输入输出单元） 进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。CPU 是计算机的运算和控制核心。计 算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为CPU的操作。

GPU

图形处理器（GPU），又称显示核心、视觉处理器、 显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机 和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上做图 像和图形相关运算工作的微处理器。GPU使显卡减少 了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其 是在3D图形处理时GPU所采用的核心技术有硬件 T&L（几何转换和光照处理）、立方环境材质贴图和 顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像 素256位渲染引擎等。GPU的构成相对简单，有数量 众多的计算单元和超长的流水线，特别适合处理大量 的类型统一的数据。但GPU无法单独工作，必须由 CPU进行控制调用才能工作。

DPU

数据处理器（DPU）最早由国内深鉴科技提出， 基于Xilinx可重构特性的FPGA芯片，设计专用的 深度学习处理单元，且抽象出定制化的指令集和 编译器，从而实现快速的开发与产品迭代。DPU 集三个关键要素于一身，分别为：① 行业标准的、高性能及软件可编程的多核CPU ，通常基于已应用广泛的Arm架构，与其的 SOC组件密切配合。② 高性能网络接口，能以线速或网络中的可用速 度解析、处理数据，并高效地将数据传输到 GPU和CPU。③ 各种灵活和可编程的加速引擎，可以卸载AI、 机器学习、安全、电信和存储等应用，并提升 性能。

CPU的分类

按CPU指令集架构分类

指令集：按照设计思路的不同，CPU可分为复杂指令集（CISC）架构和精简指令集（RISC）架构。

**CISC（Complex Instruction Set Computer）：**一条指令完成一个复杂的基本功能。单条指令集功能强，指令类型丰富完善，编译后指令数量较少，通 用场景下性能具有优势。以x86架构为代表，主要用于桌面PC及服务器领域，配套软硬件丰富完善。

**RISC（Reduced Instruction Set Computer）：**一条指令完成一个基本动作，多条指令组合完成一个复杂的基本功能。指令集架构在不断完善，译码 效率高，偏向低功耗领域优化。以ARM架构为代表，还包括MIPS、Power、Risc-V等，过去主要用于手机、 平板等移动终端，软硬件生态逐步建设完善。

按CPU体系架构分类

CPU产业链

上游——包括晶体代工、设备、封装测试和内核授权四个方面，覆盖面广。上游中相关产业存在超额利润率，CPU产业市场集中，能够对上游纵向垄断，且垄断性强。

中游——包括CPU设计企业、ARM授权及嵌入式处理器三部分。全球龙头包括英特尔（IDM模式）、AMD，国内厂商包括中科曙光、中国长城、华为海思等。

下游——包括PC、服务器、消费电子、物联网等。下游产业在国内外都拥有巨大市场，整体利润率 高，但垄断情况相对较低。

六大国产CPU公司详解

历经数十年的艰辛探索，国产CPU产业已经初具规模。当前阶段，国内主流的CPU厂商有兆芯、飞腾、海光、龙芯、申威、海思六家，从授权的角度看，主要分为交叉授权、架构授权和IP内核授权三类。
国产CPU市场呈现架构多元化发展格局，市场上x86、ARM，alpha、MIPS等架构并行，市场百花齐放。从性能、功耗、应用、生态以及及市场化角度来看，各个架构都有自己的代表产品和应用生态。

海光

海光信息技术股份有限公司成立于2014年，主要从事高端处理器、加速器等计算芯片产品和系统的研究、开发，目标成为世界一流的芯片企业，为数字中国提供核心计算引擎。作为国产先进微处理器产业的推动者，海光信息以务实的态度、创新的理念、先进的技术和可靠的产品，致力于促进我国信息产业核心竞争力的提升。

海光处理器兼容市场主流的x86指令集，具有成熟而丰富的应用生态环境海光处理器内置专用安全硬件，支持多种先进的漏洞防御技术，内置高性能的国密协处理器和密码指令集，支持可信计算的国内、国际标准，支持领先的机密计算技术，能够进行主动安全防御，通过了相关权威机构的安全测试，满足信息安全、数据要素安全流通的发展需求。 面向企业计算、云计算数据中心、大数据分析、人工智能、边缘计算等众多领域，海光信息提供了多种形态的海光处理器芯片，满足互联网、电信、金融、交通、能源、中小企业等行业的广泛应用需求。
基于AMD Zen1架构的优势明显，产品性能起点较高，典型场景下，公司最新一代CPU和DPU相关产品均已接近国际同类高端产品水平。2019年公司被列入美国《出口管制条例》“实体清单”，AMD不再提供相关技术服务，公司自行实现了后续产品和技术的迭代开发。未来，海光信息将根据客户的应用需求进一步优化处理器，采用先进半导体工艺研发更多具有市场竞争力的芯片产品

飞腾

公司由国防科技大学研究团队创造，起步于1999年，由中国电子信息产业集团、天津市滨海新区政府和天津先进技术研究院于2014年联合支持成立。目前，CEC通过中国长城控股公司28.04%股份，是公司最大股东。
飞腾CPU产品具有谱系全、性能高、生态完善、自主化程度高等特点，基于飞腾CPU的产品覆盖多种类型的终端（台式机、一体机、便携机、瘦客户机等）、服务器和工业控制嵌入式产品等，在国内政务办公、云计算、大数据以及金融、能源和轨道交通等行业信息系统领域已实现批量应用。

鲲鹏

鲲鹏芯片基于ARM架构开发，是华为继移动麒麟芯片、AI昇腾芯片后，第三款自研芯片。鲲鹏芯片定位于服务器应用，其产品自研完成了华为具备优势的服务器业务自上而下的基础算力打通。

在通用计算处理器领域，2014年发布鲲鹏 912 处理器， 2016 年发布鲲鹏 916处理器。2019 年 1 月，华为正式发布鲲鹏 920 芯片。根据华为官方介绍，鲲鹏 920 处理器是业界第一颗采用 7nm 工艺的数据中心级的 ARM 架构处理器，集成最多 64*自研核，支持 64 核、48 核、32 核等多种型号。华为将鲲鹏芯片用于自身服务器，并用来搭建自身的数据中心业务。

鲲鹏芯片多向出击，鲲鹏 930 芯片值得期待。华为鲲鹏处理器是华为自主研发的基于 ARM架构的企业级系列处理器产品，包含“算、存、传、管、智”五个产品系统体系。为了保证鲲鹏计算产业的可持续演进，鲲鹏处理器从指令集和微架构两方面进行兼容性设计，确保既可以适应未来的应用和技术发展演进的需求，又能后向兼容。参考华为鲲鹏芯片的发展路径规划，鲲鹏次时代芯片 930 芯片将有望进一步迭代，并在服务器和 PC 两个方向进一步出击。

TaiShan 200 服务器是华为新一代数据中心服务器，基于华为鲲鹏 920 处理器，适合为大数据、分布式存储、原生应用、高性能计算和数据库等应用高效加速，旨在满足数据中心多样性计算、绿色计算的需求。TaiShan 200 服务器仅为华为基于鲲鹏芯片所打造的自有服务器产品，鲲鹏通用计算平台事实上提供基于鲲鹏处理器的TaiShan 服务器、鲲鹏主板及开发套件。

华为针对不同的计算场景，自研打造了一系列芯片矩阵，除了主要应用在服务器领域的鲲鹏，还包括手机SoC芯片麒麟、人工智能 芯片昇腾、5G基站芯片天罡、5G终端芯片巴龙，以及凌霄、NB IoT等一系列其他专用芯片。

兆芯

兆芯是成立于2013年的国资控股公司，总部位于上海，坚持“自主创新、兼容主流、好用不贵”发展理念，掌握自主通用处理器及其系统平台芯片研发设计的核心技术，全面覆盖其微架构与实现技术等关键领域。兆芯已构建了健全的知识产权体系，正式形成开先®、开胜® 两大处理器系列产品及IO扩展芯片。

龙芯

2001年，龙芯起步于中科院计算所，曾得到863、973、核高基等项目的支持，先后成功流片我国首款通用CPU龙芯1号、首款64位通用CPU龙芯2B、首款主频超1GHz的通用CPU龙芯2E、首款 四核CPU龙芯3A等，完成底层核心技术的积累。2010年，中科院、北京市政府共同牵头出资，龙芯中科技术有限公司正式成立，开始产业化运作。

引进消化吸收 MIPS，推出自主研发指令集架构。龙芯中科在指令系统上实现了自主创新。龙芯中科自研发初期即选择基于开放度较高的指令系统并结合自研的模式，在授权体系相对开放的 MIPS 指令系统基础上扩展了数百条自定义指令，形成了 MIPS 兼容指令系统 LoongISA，并在多款 CPU 芯片中得到应用。

2020年，龙芯中科推出了自主指令系统 LoongArch。2021年7月开始，公司信息化业务已经转向基于龙芯自主指令系统 LoongArch 的 3A5000 系列处理器，工控业务开始转向基于龙芯自主指令系统 LoongArch 的系列处理器。

经历20年深耕，龙芯CPU已实现工控类和信息类的全方位覆盖。工控类芯片主要面向嵌入式专用设备、工业控制终端等，赋能通信、能源、交通等领域；信息类芯片面向桌面和服务器等，在政务、 金融、电信、教育等行业广泛应用。

具体而言，龙芯中科研制的芯片包括龙芯 1 号、龙芯 2 号、龙芯 3 号三大系列处理器芯片及桥片等配套芯片：

龙芯 1 号系列：低功耗、低成本专用嵌入式 SoC 或 MCU 处理器，通常集成1 个 32 位低功耗处理器核，应用场景面向嵌入式专用应用领域，如物联终端、仪器设备、数据采集等；

**龙芯 2 号系列：**低功耗通用处理器，采用单芯片 SoC 设计，通常集成 1-4 个64 位低功耗处理器核，应用场景面向工业控制与终端等领域，如网络设备、行业终端、智能制造等。

**龙芯 3 号系列：**高性能通用处理器，通常集成 4 个及以上 64 位高性能处理器核，与桥片配套使用，应用场景面向桌面和服务器等信息化领域；

**配套芯片：**包括桥片、电源芯片、时钟芯片等，其中桥片主要与龙芯3号系列处理器配套使用和销售，电源芯片和时钟芯片主要与龙芯2号、龙芯3号系列处理器配套使用。龙芯1号、2号、3号处理器芯片及配套芯片的主要客户是板卡、整机厂商。

申威

申威研发中心成立于2003年，在国家863计划支持下，于2006年成功研制出第一代国产64位通用处理器——“申威1”；在国家“核高基”专项支持下，于2010年成功研发世界首款16核通用处理器 SW1600，该芯片成功应用于国内首台采用国产处理器的千万亿次计算机系统——神威蓝光超级计 算机系统；2016年，搭载40960颗申威2610处理器的神威·太湖超级计算机荣获世界性能榜首，速 度比第二名“天河二号”快近2倍，效率提升3倍。
2016年，成都申威科技有限责任公司成立，从事对申威处理器的产业化推广，现已形成申威高性能计算处理器、服务器/桌面处理器、嵌入式处理器三个系列的国产处理器产品线，以及申威国产I/O 套片产品线。

国产CPU对比

国产CPU厂商得到了相应指令集的架构授权，发展成为6大主流厂商：龙芯、飞腾、鲲鹏、海光、申威、兆芯。CPU的指令集分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)两大类。复杂指令集以x86架构为代表，精简指令集则包括ARM、MIPS、Alpha、Power 等。

6大主流CPU厂商的技术路线和生态建设各有优势。

从性能角度

• 海光7000系列、鲲鹏920分别是x86、ARM架构下的性能领先

• 飞腾在最新一代S2500发布后性能参数也跻身第一梯队；

• 兆芯、龙芯、申威三家产品相对性能较弱，核心数仅为8/16核，内存 通道、Pcle通道等参数也较弱，影响处理器I/O性能。

从生态角度

• 海光、兆芯基于x86指令系统的天生优势，生态适配度最高，当前x86架构仍占据服务器 市场90%以上份额，替换空间巨大；

• 以飞腾和鲲鹏为代表的ARM架构近年来生态迁移成本逐渐降低，且两家厂商已分别主导构建“PK生态”与“鲲鹏计算产业生态”，正快速发展成为市场另一极；

• 申威、龙芯由于自研指令集系统，虽然在自主可控方面有其必要性和紧迫性，但其生态成熟度还有待完善。

综合考虑各项因素：

• 兆芯成立于2013年，获得x86授权较早，在早期安全可控项目中占据一定份额，但其产品主 要是桌面端，且x86 IP授权来自威盛电子，架构较为落后使其性能产品受到一定影响，IP内核授权的自主性也较低。

• 海光虽然进入市场较晚且只有AMD服务器授权，但凭借其先进的Zen架构和良好的生态起点，于2020年开始在电信、金融等行业信创领域快速放量，伴随行业信创的爆发，预计海光订单有望 持续提升。

• 飞腾老一代产品性能相对落后，在信创前期主要集中在PC端出货，但伴随其新一代产品 S2500发布后，性能已跻身国内先进水平，并且公司主导的PK生态正逐步完善，预计后续渗透率将持续提升。

• 鲲鹏920发布之初表现十分亮眼，凭借国际先进的制程工艺与性能，叠加鲲鹏生态的组建完备，快速取得电信、金融等行业订单。

• 龙芯研发起步最早，在党政市场原始份额较大，其产品集中于桌面PC和工业领域，伴随其新一代产品和全自主的指令集发布，后续在服务器市场的商业应用能力还有待验证。

• 申威主要聚焦军用市场，产品侧重特种超算服务器领域，全可控技术与生态均有独家壁垒，预计后续仍将专注深耕原有领域。