半導體産業鍊第十篇
作者:松松
排版:松松
各位讀者,從今天開始我們聊聊CPU這個賽道。
CPU是一個古老又新鮮的玩意,說它古老,是因為1971年,Intel就推出了世界上第一款微處理器4004,它是一個包含了2300個晶體管的4位CPU,距今已經超過了40年;
說它新鮮,是因為國産CPU雖然早已規劃,但在近幾年才逐漸成型。今年6月,國産CPU第一股-龍芯登陸資本市場,引發了人們對CPU的關注,帶動了CPU創業的熱潮。
CPU到底是什麼?和海外巨頭相比,中國差距在哪裡?破局之路又在何方?
别着急,我們打開一瓶酒,放上喜歡的音樂,慢慢聊。本文為CPU系列第一篇。按照公衆号老規矩,本文分為如下幾個部分:
01CPU是什麼
02CPU發展的關鍵要素
01CPU是什麼
CPU在計算中的作用,類似人類的大腦,功能非常的簡單:
第一步讀取指令,即找到内存裡事先設計好的指令;
第二步是翻譯(解碼),把外部信息翻譯成CPU看得懂的計算機語言(指令);
第三步是執行,要麼加載,要麼計算,要麼保存。
從功能上看,CPU的内部結構可分為:控制單元、運算單元、存儲單元(包括内部總線和緩沖器)三大部分。
其中控制單元完成數據處理整個過程中的調配工作(分配),邏輯單元則完成各個指令以便得到程序最終想要的結果(計算),存儲單元就負責存儲原始數據以及運算結果(存儲)。
CPU組成部分
按照指令集架構劃分,CPU被分為CISC(複雜指令集)和RISC(精簡指令集)兩大類。指令集類似一種語法,程序員根據指令集編寫各式各樣的代碼供CPU理解并執行。
CISC陣營主要是大名鼎鼎的X86架構,而RISC陣營比較豐富,有知名的Arm架構,還有不太知名的MIPS、POWER PC和近期小有名氣的RISC-V。
CISC和RISC這兩種指令集并沒有優劣之分,隻是風格不同。我從網上看到了某位大神的趣味理解,雖然不完全正确,但是“話粗理不粗”。
以“給老哥泡壺茶”這個命令為例,X86會把語言寫成“去泡茶”,結果響應是“哥,茶泡好了”,CISC會給出一個較“綜合”的指令;
面對同樣的場景,RISC則會寫成“1、去;2、拿杯子;3、放茶葉;4、泡茶;5、拿來。”這些分散、可分步執行的指令,當然最後輸出的結果是相同的。顯然複雜指令的效率高。
不過,如果命令是“給老哥泡50壺茶”這個命令,CISC會把“去泡茶”寫50遍;
而RISC則會寫成“1、去;2、拿杯子*50;3、放茶葉*50;4、泡茶*50;5、拿來。”這些指令。
可以看出,RISC雖然性能差點,但由于隻需要一步一步去做就行,反而能耗低,特别省電。
綜上,CISC優點是性能強大,缺點是能耗高,需要更多的電才能運行,比較适合服務器、計算機等場景;
RISC優點是更精簡,容易組織,省電,缺點是處理能力差些,更适合移動端(手機/AIOT)的場景。
不過,經過長期發展,兩種指令集取長補短,逐漸趨同,例如屬于精簡指令集的ARM也可以擁有高性能(如APPLE的M2芯片);而複雜指令集,也在慢慢降功耗。
這兩類指令集的劃分非常重要,在這劃重點,之後分析國内CPU廠商時會被頻繁提到。
02CPU發展的關鍵要素
……
一家CPU公司能不能最終成就“偉大”,其因素是非常多樣的,可以是接地氣的技術、團隊,也可以是相對“務虛”的企業文化、風口、時代。
但我認為最重要的兩點,一是技術,二是生态。
每個行業的護城河都不同,例如彩妝的護城河是品牌和渠道,漂亮的妹子們會因為某明星使用某産品而産生消費欲望,會因為某産品易于購買而激情消費,很少會有妹子是因為這個彩妝“用的最新技術”而下單。
白酒的護城河和彩妝類似,茅台的溢價主要來自于其“最高端白酒”的品牌認知,因為“茅台比其他白酒好喝”而買單的消費者屈指可數。
而芯片是個典型的技術驅動型行業,CPU這種大芯片尤其是這樣(一些模拟芯片可能還依賴于渠道),性能不能達到一流,說什麼都沒用。
評價一個CPU技術水平咋樣,其實也非常容易,三個字:看參數。
CPU性能判斷标準公式是:CPU性能=IPC*主頻/指令數量。這個公式最初由英特爾提出,後來被業界廣泛認可。
其中,主頻也叫時鐘頻率,單位MHz/GHz,用來表示CPU運算和處理數據的速度。
主頻既然是處理速度,當然越快(大)越好,打開咱們的筆記本電腦,選擇“我的電腦”,右鍵後單擊“屬性”都可以看到,例如我的電腦CPU主頻是2.9GHZ。
主頻參數
IPC是CPU每一時鐘周期内所執行的指令多少,是一種量的概念,當然也是數值越大越好。影響IPC的要素有很多,例如微架構、主頻、内核/線程、緩存大小、制程、功耗等。
如果對影響CPU性能的所有指标排個序,按照中信證券的分析,應該是微架構、制程>核數/線程>互聯>主頻>緩存>其他。我們倒着來盤盤。
緩存是指可以進行高速數據交換的存儲器,它先于内存與CPU交換數據。
換言之,緩存越大,CPU運行越快,而且不需要頻繁地訪問内存,但成本越高。緩存分為一級(L1)、二級(L2)、三級(L3),其中L1讀取速度最快,但是容量最少。
主頻上文解釋了不再贅述。
互聯指的是CPU内部各組成部分,以及與其它芯片(DPU、SSD等)的通訊與交互,這個和CPU的微架構設計有關,微架構那裡再講。
核數和線程是一個非常容易搞混的概念。核數指的是内核的數量,一般買電腦都會聽到銷售小哥說這個CPU是雙核或者四核的,現在的CPU有2/4/6/16/32/128等多個核心。
内核可以理解成CPU這個大腦中的“小大腦”,是個物理層面的事兒,多核心的處理器能夠有效進步CPU的多任務功能,或者說減少CPU的占用率,提高計算功率。
線程是另一個概念,是軟件層的事兒。很早之前,一個核心對應一個線程,但英特爾開發出了超線程技術,1個核心能夠做到2個線程。
換言之,雖然小大腦的數量給定了(例如4個),但是通過軟件的設計,一個小大腦可以幹兩件事兒(8個線程),速度當然也會更快。
舉個例子,CPU可以想象成是一個銀行,CPU核心就相當于櫃員,而線程數就相當于開通了幾個窗口,櫃員和窗口越多,那麼同時辦理的業務就越多,速度也就越快。
通常情況下,一個櫃員對應的是一個窗口,通過超線程技術相當于一個櫃員管理着兩個窗口,使用左右手同時辦理兩個窗口的業務,大大提高了核心的使用效率,增加了辦理業務的速度。【1】
制程指的是集成電路的密集度,同樣數量的晶體管,更小的制程意味着更低的功耗和發熱。對于CPU來說當然制程越小越先進,現在CPU主流的制程是7nm,也有3nm的産品。
微架構指的是CPU的硬件電路設計構造方式,說白了就是設計的方法。指令集是一定的,但是由于微架構的不同,産生的效果會相差甚遠。微架構設計能力是各大CPU廠商最核心的競争力。
因為咱也不是學芯片設計的,說不出個所以然來,但是可以感覺到,業内龍頭英特爾和AMD的微架構已達到爐火純青的地步,并且在不斷的進化。
例如AMD最先進的ZEN3架構,升級了更快的分支預測,“Zen 3”架構可以從每MHz頻率中平均提高19%的性能。
在分支預測出現錯誤之後,更優化的前端能夠加快回到正确路徑的速度,從而提高了分支預測的精度和CPU整體的性能。【2】
ZEN架構
在公開的測評數據中,采用Zen 3架構的AMD銳龍芯片性能居于榜首。
英特爾的微架構儲備就更多了,還起了不少好聽的名字,有興趣的讀者可以嘗試翻譯翻譯。
英特爾曆年微架構
值得說明的是,國外的龍頭們圍繞着上述這些要素不斷提升着CPU産品的技術壁壘,例如英特爾就提出了業界知名的Tick-Tock戰略,即每兩年升級一次工藝,每兩年升級一次架構。
英特爾可怕地堅持了近十年。這十年,英特爾每年都有新一代處理器問世,從45nm的Penryn(Core架構第一代産品)一直持續到了14nm工藝的Broadwell,後來陷入工藝制程的瓶頸,才被AMD實現反超。
那麼國産CPU和海外龍頭CPU相比,技術差距大嗎?話不多說,直接上參數(數據來源于申萬宏源研報及各公司官網),我相信讀者現在應該都能看得懂了。
服務器CPU對比
筆記本CPU對比
一言以蔽之,國産CPU在性能上存在明顯劣勢。
CPU第二大壁壘,叫做生态。
芯片這種産品和其它産品有很大的不同,它再高科技,也隻是一個單純的硬件,要想真正地被客戶使用,給用戶帶來價值(比如支撐很快很好的電腦),是需要無數人為它寫軟件、編程序、做方案的。
因此,生态的建立就非常的重要,它要能吸引全球優秀的程序員共同參與各類軟件的開發,而且需要有合理的制度安排,比如開發者能夠盈利,能夠享受知識産權的分享紅利。
也就是說,CPU廠商要想崛起,除了“打鐵還需自身硬”之外,還需要優質的合作夥伴一起發力。
一個典型的合作夥伴是軟件開發商。當年英特爾CPU的崛起依靠的是強大的Window系統支持,這種緊密的“Wintel聯盟”攻陷并牢牢把握了PC及服務器市場。
再例如ARM之所以能成為移動端的主流,是依靠着Android系統的支持,這種“AA”聯盟形成了難以逾越的生态壁壘。
很顯然,國産CPU在生态建設上有很長的路要走,而且從某種意義上而言,生态上的差距遠比性能差距更加難以彌補。
目前國内CPU玩家的生态主要有兩種,一是想積極參與海外玩家已建立好的生态,企圖分一杯羹,在現在逆全球化的大背景下,這條路顯然不容易。
就不說是企圖替代CPU這樣看似核心的部件了,就連CPU周邊的一些芯片的替代(如電源IC),即使國内産品能夠做到和海外産品性能一模一樣,國外培養的終端商/供應商幾乎不會給國内廠商哪怕“試一試”的機會。
二是獨立自主地建設新生态,想想都知道,那就更難了。目前圍繞龍芯已有百餘家國産軟件企業共同構築産業生态系統,但這些企業多數起步晚、規模不大、客戶渠道單一,與國際領先水平存在明顯差距,短時間難以帶來較大的市場競争力。【3】
綜上,CPU的國産化是一條非常艱難的道路。
但是艱難并不意味着沒有機會,國外英特爾、AMD也是競争出來的,并非鐵闆一塊,不可撼動,同時國内CPU的發展經過數十年的積累,正在處于量變到質變的關鍵階段。
那麼國内CPU廠商的發展狀态到底如何呢,怎麼才能突圍呢?誰更有機會突圍呢?
咱們下篇再聊!敬請期待!
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參考文獻:
【1】裝機之家.CPU核數與線程有什麼用?
【2】中信證券.CPU研究框架
【3】申萬宏源.芯辰大海,各顯神通
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