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国产CPU的“飞腾”之路



自去年中兴事件及今年的华为被禁事件以来,自主可控、国产·替代则成为了当下最为热门的话题,同时也成为了国产半导体产业的大势所趋。这也使得一些真正能够实现自主·可控的国产芯片厂商被推上了风口浪尖,国产CPU领军企业天津飞腾信息技术有限公司(以下简称“飞腾”)就是其中一家。

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2019年12月19日,飞腾在北京举办了主题为“同心筑生态,前路共飞腾”的首届生态伙伴大会,吸引了包括两院院士、业内专家、政府主管部门、行业协会、用户单位、软硬件厂商、系统集成商、媒体、金融机构在内的全国各地的参会代表共计2000余人参加,参会单位和企业超过500家,足见产业界对于国产CPU代表厂商飞腾的关注。

与此同时,飞腾还携手数十家厂商还在大会上发布和展示了近百款基于飞腾CPU的终端新品,展示了日益繁荣的飞腾生态。

一、国产CPU自主可控的路线之争

众所周知,在高端CPU市场,一直都是IntelX86架构的天下。目前Intel在服务器市场占比高达90%以上,而且得益于PC时代的Wintel联盟,Intel的X86架构在PC及服务器市场拥有着强大的生态壁垒。

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在此背景之下,一直以来,我国在高端通用芯片高度也是严重依赖进口,尤其是CPU芯片,在PC和服务器领域,国产厂商存在感很小,基本被国际大厂所垄断。在此背景之下,要想实现国产CPU的自主可控,只三条路线。

1、从零开始构建CPU软硬件生态

显然,这是最难的,也是不现实的。且不说能不能做出来,做出来性能到底有多强,因为即使做出了好的CPU内核,没有生态,只有少数中国厂商自己玩,依然还是“废品”。

2、拿到X86架构授权,来设计自己的X86 CPU

这是最省力的方式,毕竟可Intel的X86架构在性能上有着很大的优势,起点高,而且还可以充分共享Intel在服务器和PC市场的生态。

但是,X86架构是Intel的知识产权,国产芯片厂商要做X86架构芯片,首先需要解决的就是X86技术授权的问题。对于Intel来说,显然是不会愿意向中国大陆芯片厂商授权X86架构的,所幸的是AMD和台湾威盛都有着X86技术的授权。不过,根据Intel当初与AMD、威盛的X86技术授权协议,他们均无权向第三方授权X86技术。因此,国产CPU厂商选择与其成立合资公司来获得授权。

比如2013年成立的上海兆芯(上海国资委下属上海联和投资有限公司与台湾威盛合资公司)就通过威盛获得了X86架构的授权(威盛很早就有X86架构授权)。此外,2016年成立的天津海光(AMD与中国天津海光先进技术投资有限公司的合资公司),通过AMD获得了X86架构和SoC IP,用于芯片开发。为此,AMD还获得了价值2.93亿美元的现金,包括特许权使用费 。

但是,这种通过合资公司获得X86架构授权的形式,虽然见效快,但是依然存在这一些“不可控”的因素,因为其技术来源始终是受制于合资的外资公司,而且技术的后续升级也可能存在一定的难度。比如,今年6月,AMD就宣布其不再向中国公司(天津海光)授权其新的X86 IP产品。这也意味着天津海光后续的X86 CPU的重大升级可能会遇到瓶颈。

3、选择开放的CPU架构

目前,全球知名的开源的或者对外开放授权的芯片架构主要有ARM、MIPS、ALPHA、SPARC、POWER、RISC-V等。选择已有的开源的或者可授权的架构,则意味着无需从头做起,可以利用已有的开放的生态,可以说这也是国产CPU的一个很好的选择。

需要指出的是,目前除了X86和ARM之外,其他的MIPS、ALPHA、SPARC、POWER、RISC-V架构在生态系统上都非常的孱弱。

那么如果选择开放的CPU架构,到底该选哪一种架构呢?

我们可以看到,国产CPU厂商龙芯选择的是MIPS架构,目前也做的不错,但是MIPS生态主要覆盖的还是嵌入式市场,虽然龙芯也有PC和服务器产品,也进入了政府服务器采购目录,但是目前在国内PC和服务器市场的影响依然非常有限。

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2018-2019年政府采购关于国产芯片服务器的具体参数要求

另一家国产CPU厂商申威则选择的是ALPHA架构,目前在超算领域成绩斐然。此前夺得全球超算第一的“神威·太湖之光”超级计算机搭载的就是“申威26010”众核处理器。虽然申威也有推服务器产品,也进入了政府服务器采购目录,但是由于ALPHA架构生态薄弱,目前申威的服务器产品在国内市场中的影响也相当有限。

飞腾一开始的时候,考察了SPARC、MIPS、ALPHA架构,这三种指令集架构都可以以极其低廉的价格(据说SPARC的授权价只有99美元,ALPHA不要钱)获得授权,最后飞腾选择了SPARC架构进行了CPU的研发。

2006年,飞腾团队就研制成功了两代国产CPU,在关键领域实现了规模化应用。“十一五”期间,在国家 “核高基”科技重大专项的支持下,以FT-1000/FT-1000A和FT1500为代表的第三代飞腾CPU走向商业应用。但SPARC孱弱的生态系统却使得飞腾CPU在大规模商用上进展缓慢。

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▲飞腾总经理窦强

飞腾总经理窦强告诉芯智讯:“在ARM之前,我们基于Sparc架构做过一代超算,也做过几代处理器,当时在做国产化推广的时候难度非常大。一个是芯片本身性能比较低,第二软件生态也比较差,所以当时推起来用户体验也非常的差,推动起来非常难。但是当时我们也没有其他的可选,X86我们没有路子,目前也还没有一个明确的商业模式。ARM当时也只有32位的指令集。中国体量大,必须迎头对抗,竞争,想躲避是躲避不了的。如果一定要有自己的IT产业,话语权更多,能够的选择肯定不多。”

不过,这个情况在2012年出现了改变。2012年,ARM正式推出了自己的第一个64位指令集处理器架构ARMv8,希望进入服务器等新的领域。此后,飞腾很果断的放弃了SPARC,拿了ARMv8指令集架构的授权,全面转向了ARM阵营。

此外,还有一家选择ARM指令集架构的国产CPU厂商——华为。华为很早也开始基于ARM体系打造从芯片到服务器的系列产品线。当前华为ARM架构服务器相关产业产品三类主线:Hi16 系 列 CPU、鲲鹏系列ARM CPU 和泰山服务器。不过,华为首款基于ARMv8指令集架构自主设计的服务器芯片——鲲鹏920,直到今年才正式发布。

二、ARM服务器的生态之战

得益于ARM在智能手机市场的强大的生态的积累,使得选择ARM架构来做服务器,在生态上要比X86以外的架构要更好一些。但是基于ARM架构的服务器CPU发展也不是一帆风顺,想要突破X86的封锁,困难重重。

从一片看衰到百花齐放

首先,由于ARM芯片在服务器领域性能的劣势,使得其很难与中高端的X86服务器芯片竞争。虽然在手机市场,低功耗、高能效是ARM成功的一个关键优势,但是在服务器芯片领域,ARM的这个优势已不再明显。

飞腾总经理窦强也表示,在服务器领域,对于性能的要求更高。而在一样的计算能力的前提下,ARM功耗不一定比X86低。当然,从成本角度来看,ARM相比X86依然有着较大的优势。

其次,在生态的建设上,相比经过多年深耕一片繁荣的X86生态来说,ARM生态的发展可谓是举步维艰。

虽然像Applied Micro、三星、英伟达、博通、Marvell、高通、AMD、华芯通等等厂商此前都曾大力投入,但结果却并不理想。去年,高通更是放弃了投入数年的ARM服务器芯片业务,而高通与贵州合资的ARM服务器芯片公司华芯通也于今年4月底关闭。一时间,对于ARM服务器唱衰之声不绝于耳。

不过,正如硬币都有两面一样,在一些厂商退出ARM服务器市场的同时,也有很多新生的力量加入了进来。

2018年初,Intel前总裁Rene James也创立了ARM服务器CPU公司Ampere,加入到与x86服务器的竞争中来。2018年11月底,亚马逊正式推出ARM架构服务器芯片Graviton,用以降低对Intel的依赖。今年1月,华为发布了旗下首款基于ARMv8架构体自主设计的服务器芯片鲲鹏920。今年3月,富士通也从SPARC 架构体系转向了ARMv8 架构体系并推出全新的A64FX芯片,还在ARM架构中实现了新的可扩展矢量扩展。今年11月,Marvell的新一代ARM服务器CPU路线图被曝光,据称下一代性能将比现在的ThunderX2高两倍。今年12月初,亚马逊在“AWS re:invent”大会上又推出自主第二代基于ARM架构的服务器芯片Graviton2,其单核性能超过了Intel至强铂金版。

ARM服务器生态,从一片看衰,到突然间的百花齐放,这一切看似都来的那么的突然,其实这其中有着很多的必然。

云端计算架构拐点已至

首先,ARM在去年发布了全新的针对服务器市场Neoverse架构处理器IP路线图,大幅的提升其在性能上的表现,并且后续每一代的平台性能都将会比上一代提升30%,此举提高ARM架构在服务器和基础设施领域的竞争力,也凸显了ARM对于服务器的重视程度,提振了ARM服务器阵营厂商的信心。

其次,随着ARM移动端的繁荣,以及云边协同的趋势,支持ARM相关生态的底层系统和上层应用也逐渐增加,三大 Linux 发行版(Ubuntu、Suse 和 Redhat)都已经直接有支持ARM Server 的版本。

第三,也是最为关键的是,在云端市场,随着人工智能计算的发展,一个新的趋势和拐点已经出现。

随着近年来数据的爆发式增长以及人工智能的兴起,云端市场对于计算的需求也开始发生了巨大的变化,使得计算架构也开始发生了变化。由于CPU并不是AI计算的最佳载体,因此在云端的计算也开始逐渐由原先的X86架构一统天下,转向了异构计算。

比如在云端AI训练方面,此前比较多的会采用CPU+GPU的架构,现在也开始出现CPU+专用的AI芯片集群;而在AI推理方面,更多的会选择CPU+FPGA或者CPU+专用的云端AI芯片。随着云端对于AI计算能力要求的不断提升,彻底打破了原有的云端计算单纯依靠CPU的局面。

我们可以看到,除了众多的AI芯片厂商纷纷推出了针对云端的AI芯片之外,一些云服务厂商也在纷纷推出针对云端的AI芯片。比如去年7月,百度就发布了首款云端全功能AI芯片“昆仑”;去年11月,亚马逊公布了首款云AI芯片Inferentia;今年9月,华为推出了针对云端的AI训练集群Atlas900;今年9月,阿里也发布了针对云端的号称全球最强的AI推理芯片的“含光800”。因为对于这些云服务厂商来说,他们更了解自己对于AI能力以及AI应用领域的需求。在此背景之下,也使得云端对于原有的Intel的服务器CPU的依赖进一步弱化,ARM服务器CPU迎来了巨大的机会。

另一方面,对于云服务厂商来说,在纷纷推出自己的云端AI芯片的同时,也在积极的谋求降低对于IntelCPU的依赖。华为、亚马逊推出自己的ARM服务器芯片就是例证。

“只有头部的大的云服务厂商有能力也有资金来做自己的ARM服务器芯片,因为他们本身有着巨大的需求。另一方面,这也是他们用来制衡供应商的一个重要筹码。”在窦强看来:“云服务大厂开始推自己的ARM服务器芯片是好事,这有利于加速ARM服务器生态的繁荣。而且,对于更多的中小型云服务提供商及服务器厂商来说,他们并不具备自己做服务器芯片的研发能力和资金实力,这也成为了我们这些ARM服务器芯片厂商的机会。”

三、5年坚守,飞腾生态已初具规模

虽然前面提到了很多的ARM服务器芯片厂商,但是其中有退出者,也有新入局者,但是多年来一直坚持做ARM服务器芯片的“坚守者”却并不多,而飞腾就是其中最为坚定的一家。自2014年推出首款ARM服务器芯片以来,至今5年多时间过去了,飞腾的生态也已经初具规模。

全面转向ARM指令集架构

2014年4月,中国电子集团和天津滨海新区人民政府签署合作协议,将中国电子集团旗下飞腾CPU项目落户滨海新区。随后,2014年8月,天津飞腾信息技术有限公司正式成立,注册资本6亿元。而在天津飞腾成立之时,飞腾第一款兼容ARM指令集的CPU,FT-1500A就已经准备就绪。

2014年10月,飞腾FT-1500A正式发布,各项性能指标都非常的出色,引起了业内的极大关注。而从2012年ARMv8指令集正式推出,到FT-1500A的正式发布,飞腾只用大约三年的时间,更何况飞腾还是刚从SPARC架构转向了ARM。这也引发了当时外界的质疑,认为FT-1500A是直接用了ARM的IP核。

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“其实在2011年的时候,飞腾就已经开始了针对ARM架构的研究,当2012年ARM 64位指令集正式推出之后,我们就找到了ARM,希望做基于ARM架构的服务器CPU。因为ARM的生态非常的丰富,授权模式也很清晰,不仅有IP核授权,也有指令集架构授权。当时ARM也希望能够有芯片厂商能够帮助他们进入服务器市场,于是双方一拍即合,我们也顺利的拿到了ARMv8指令集授权来开发自己的CPU。”窦强解释到。

在转向ARM架构之后,飞腾的发展也开始了加速。在FT-1500A推出仅一年多之后,2016年5月,飞腾推出了首款64核处理器FT-2000,在性能指标上,达到了与Intel的E5服务器芯片相近的水平。几个月之后,飞腾又推出了面向桌面及嵌入式领域的双核CPU FT-2000A/2。另外,FT-2000虽然达到了能够媲美国际主流CPU的性能,但一个CPU加八块存储扩展卡的整机构建成本非常高,导致FT-2000的产业化之路并不顺畅。为了进一步地降低成本,2017年3月,飞腾流片了优化升级的FT-2000+。

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时隔两年多之后,今年9月飞腾推出了新一代的桌面级四核处理器FT-2000/4,集成4个飞腾自研处理器内核FTC663,采用16nm工艺流片,主频最高3.0GHz,支持双通道DDR4-3000内存,典型功耗10W。芯片性能相比飞腾上一代桌面CPU提升了1倍,访存带宽提升了3倍,功耗降低三分之一。

可以是说,FT-2000/4在 CPU 核心技术上实现了新突破,进一步缩小了与国际主流桌面 CPU 的性能差距,并在内置安全性方面拥有独到创新。

全新的安全架构标准

需要指出的是,虽然现在自主可控已经成为了一个大趋势,但是,并不意味着只要是国产处理器就一定“安全”。中国工程院院士沈昌祥也指出,可信计算技术是一个系统和整体,需要各个环节进行支撑。当然,整个信息系统里,CPU处理器是其中最核心最基础的部件,因此更需要强化在安全方面的能力。

在12月19日的飞腾生态合作伙伴大会上,飞腾公司副总经理郭御风博士正式发布了PSPA 1.0标准,并发布该标准技术白皮书和相关技术规范。据介绍,PSPA是由飞腾定义的处理器安全架构标准,从CPU层面实现国产计算机系统的本质安全。

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郭御风表示,“过去因为我们芯片和核心基础软件都是来自于国外,内部机制不透明的,我们只能站在旁观者的角度来看它有没有干坏事,今天我们已经从最基础的芯片做起了,如何运作如何工作的原理我们都很清楚。自主CPU的研制对我们内生安全提供了可能性。我们的FT-2000/4进一步强化了在安全方面的能力,已全面支持PSPA 1.0安全架构。目前我国可信计算系统的建设已走在世界前列,随着PSPA标准的发布,飞腾将联手生态伙伴打造安全可信的国产信息系统。”

繁荣的飞腾生态

在12月19日的飞腾生态伙伴大会上,飞腾公布了其目前国内生态伙伴的数量情况。与去年相比,今年飞腾在国内的生态伙伴增长非常的大,比如OEM厂商就从去年的9家增加到了今年的33家,ODM厂商有7家增加到了37家,嵌入式厂商由15家增加到了62家,网络通信和安全厂商由10家增加到了26家,存储厂商由4家增加到了8家。也就是说,一年的时间,飞腾硬件生态的合作伙伴就增加了120多家。此外,新增整机设计410案,新增软件兼容认证客户数也达到了157家。足见飞腾生态发展之迅猛。

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值得注意的是,在此次的飞腾生态伙伴大会上,数十家企业多家企业布上百款基于飞腾CPU的全新产品和系统。

比如,长城、联想、浪潮、航天科工、同方、曙光、紫光恒越、超越、攀升、电子六所等10家国内整机企业发布了基于FT-2000/4的计算机产品,长城、浪潮、中电金融发布了基于FT-2000/4的金融设备,紫光恒越、迈普、迪普、风云、奇安信、天冠、深信服、网御星云、绿盟科技等9家企业发布了基于飞腾芯片的网络安全产品。

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国产CPU的“飞腾”之路:振奋!

飞腾还同华迪、浪潮、华宇、东软、东华软件、万达信息、中电系统和中国软件8家国内领军集成商签署战略合作协议,共同推动飞腾CPU在国内更多领域的应用。

特别值得一提的是,在本次大会上,腾讯云宣布推出基于飞腾的全栈云平台体系,同时百度也宣布将其云端AI芯片“昆仑”正在与飞腾CPU进行适配。中兴也公布了基于飞腾CPU的全产品适配方案。

国产CPU的“飞腾”之路:振奋!

国产CPU的“飞腾”之路:振奋!

国产CPU的“飞腾”之路:振奋!

另外,在大会同期的产品展示区域,更有多达120多家国内企业展示了基于飞腾CPU的成熟产品和解决方案,产品形态之丰富,应用领域之广泛,让人目不暇接。

国产CPU的“飞腾”之路:振奋!

“从现在飞腾的发展来看,当时选择ARM,确实是最好的选择。虽然现在像MIPS、POWER都开放了,但是现在才开放有点像是生态衰落时的一种补救,能起到的作用有限。相比之下,ARM一直是开放的,生态也越来越繁荣,而且如果拿的是指令集架构授权,则更是能够把发展的主动权掌握在自己手里。”窦强说到。

四、未来五年规划:累计投入150亿,年营收突破100亿

对于未来的发展规划,飞腾也公布了2020-2024年的五年总统规划:

1、在公司管理层面:

飞腾正在进行企业混改和股份制改革,并计划打通跟资本市场股权融资的渠道,让更多的资本能够顺利的进入飞腾体系,帮助飞腾更好的发展。

今年6月,中国电子信息产业集团有限公司宣布将旗下中国振华电子集团有限公司持有的天津飞腾的21.46%股权以协议方式转让给中国长城,此外华大半导体有限公司也将其持有的13.54%的飞腾的股权转让给了中国长城。这也使得中国长城成为了飞腾的大股东,持股35%。

不过,据飞腾总经理窦强向芯智讯透露,目前飞腾已经完成了团队持股的改革,团队将会持有10%的股份,明年我们还会引入其他的一些战略投资、财务投资,进一步优化股权结构。各大股东也支持飞腾未来独立上市,因为做芯片对资金的需求量比较大,要加速发展,更是需要大量资金的支持。

国产CPU的“飞腾”之路:振奋!

2、在研发投入上:

为了加速公司的发展,飞腾计划在未来5年内持续投入150亿以上用于芯片的研发、生态建设和区域客户的保障。

3、在人才方面:

企业的发展离不开人才,特别是在芯片领域。为此,飞腾计划在2024年将团队的规模扩大到3000人以上。

4、在技术和产品创新方面:

飞腾将继续以国际领先水平为标杆,加快技术创新,同时以行业特色为牵引建立“按需定制”的流程。以生态伙伴需求为导向,推动技术产品迭代。未来会以百万片供货为目标,提升产品交付能力,服务好的客户。

5、在市场方面:

飞腾希望在持续巩固政务、行业办公市场,稳步提升市占率,同时进一步开拓金融、通信、能源、交通等行业业务市场,并且希望通过“一带一路”开拓国际市场。此外,窦强还表示,“2019年以及未来我们遇到一个IT产业发展的前所未有的重大的机遇,希望抓住机遇实现快速发展,从小众市场到大众市场未来进入到更广阔公众市场。”

根据飞腾公布的营收目标,计划到2024年,公司营收将超过100亿元。相比外界预期的飞腾今年10亿元的营收,增长了10倍。足见飞腾对于未来增长的信心。

6、在生态建设方面:

飞腾将坚持开放、合作、共赢的策略。

对于这一点,飞腾总经理窦强强调,“现在AI芯片很火爆,飞腾也有预研团队在跟踪最新的技术,我们未来也会在CPU指令集上对各种AI算法更加的友好,但是我们可能不会自己去做AI芯片。我们还是会倾向于和百度、云天励飞等AI芯片的合作伙伴进行合作。当然这个合作形式,可以是芯片与芯片的对接,也可以是芯片和芯片做在一个芯片封装里,也可以是在芯片内部进行整合。我们是非常开放的,我们会专注于把我们自己的CPU做好,其他的会与合作伙伴来一起合作共赢。”

五、如何看待华为的竞争?

前面提到,今年华为也开始推出了基于ARMv8指令集自主设计的服务器芯片——鲲鹏920,进军服务器市场。那么对于飞腾来说,是如何看待华为杀入呢?在会后的专访环节,芯智讯将这个问题抛给了飞腾总经理窦强。

窦强表示,华为对于国产芯片产业的贡献确实很大,在今年美国将华为列入黑名单之后,他还特意买了一些华为的产品以示支持。

“华为进入ARM服务器芯片市场是好事,不仅可以对整个生态带来很大的贡献,同时对于客户来说,也有了更多的选择。毕竟现在的市场大部分还是被Intel所占据,多一些企业来共同繁荣ARM服务器生态,肯定是好事。”

不过,窦强也坦言,华为进入这个市场,也确实对飞腾等其他国产CPU厂商会带来了不小的压力,毕竟华为自身的研发实力很强,在产品端和市场端的推动力也非常的强,未来大家在市场上一定会有市场竞争。但有竞争并不是坏事,更加能促进国产CPU的发展。

“飞腾与华为是各有优势,各有特点,各自面临的难题也是不一样的。飞腾做的时间比较久,在服务器芯片、安全技术的积累上,飞腾有着更深的积累。另外,在商业策略上,我们是非常开放的,会有更多合作伙伴愿意与我们合作,今天的大会就说明了这一点。相比之下,华为垂直整合力度比较大,自上而下各个环节自己都会介入,对其他整机厂商来说会形成一定的壁垒。在产品上,我们也在一直加大研发投入,很快也会推出更有竞争力的产品。比如华为的鲲鹏920,性能确实要比飞腾的目前产品要强,不过他们是今年的7nm工艺,我们的是2017年的16nm工艺。我们目前也在进行新品的研发,明年会有新一代的服务器CPU出来,性能更加强大。在竞争中提升国产CPU的水平和实力,这正是广大用户希望看到的,我们也敢于直面这种竞争。”窦强很有信心地说到。