CPU出現(xiàn)于大規(guī)模集成電路時(shí)代，52年來(lái)CPU芯片發(fā)生了什么？

中央處理器(central processing unit，簡(jiǎn)稱CPU)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，是信息處理、程序運(yùn)行的最終執(zhí)行單元。CPU自產(chǎn)生以來(lái)，在邏輯結(jié)構(gòu)、運(yùn)行效率以及功能外延上取得了巨大發(fā)展。

CPU出現(xiàn)于大規(guī)模集成電路時(shí)代，處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)的迭代更新以及集成電路工藝的不斷提升促使其不斷發(fā)展完善。從最初專用于數(shù)學(xué)計(jì)算到廣泛應(yīng)用于通用計(jì)算，從4位到8位、16位、32位處理器，最后到64位處理器，從各廠商互不兼容到不同指令集架構(gòu)規(guī)范的出現(xiàn)，CPU 自誕生以來(lái)一直在飛速發(fā)展。 [1] CPU發(fā)展已經(jīng)有40多年的歷史了。

我們通常將其分成六個(gè)階段。 (1)第一階段(1971年-1973年)。這是4位和8位低檔微處理器時(shí)代，代表產(chǎn)品是Intel 4004處理器。

1971年，Intel生產(chǎn)的4004微處理器將運(yùn)算器和控制器集成在一個(gè)芯片上，標(biāo)志著CPU的誕生; 1978年，8086處理器的出現(xiàn)奠定了X86指令集架構(gòu)， 隨后8086系列處理器被廣泛應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)終端、高性能服務(wù)器以及云服務(wù)器中。 [1] (2)第二階段(1974年-1977年)。這是8位中高檔微處理器時(shí)代，代表產(chǎn)品是Intel 8080。此時(shí)指令系統(tǒng)已經(jīng)比較完善了。 (3)第三階段(1978年-1984年)。這是16位微處理器的時(shí)代，代表產(chǎn)品是Intel 8086。相對(duì)而言已經(jīng)比較成熟了。

(4)第四階段(1985年-1992年)。這是32位微處理器時(shí)代，代表產(chǎn)品是Intel 80386。已經(jīng)可以勝任多任務(wù)、多用戶的作業(yè)。 [3] 1989 年發(fā)布的80486處理器實(shí)現(xiàn)了5級(jí)標(biāo)量流水線，標(biāo)志著CPU的初步成熟，也標(biāo)志著傳統(tǒng)處理器發(fā)展階段的結(jié)束。 [1] (5)第五階段(1993年-2005年)。這是奔騰系列微處理器的時(shí)代。

1995 年11 月，Intel發(fā)布了Pentium處理器，該處理器首次采用超標(biāo)量指令流水結(jié)構(gòu)，引入了指令的亂序執(zhí)行和分支預(yù)測(cè)技術(shù)，大大提高了處理器的性能， 因此，超標(biāo)量指令流水線結(jié)構(gòu)一直被后續(xù)出現(xiàn)的現(xiàn)代處理器，如AMD(Advanced Micro devices)的銳龍、Intel的酷睿系列等所采用。

(6)第六階段(2005年至2021年)。處理器逐漸向更多核心，更高并行度發(fā)展。典型的代表有英特爾的酷睿系列處理器和AMD的銳龍系列處理器。 [3] 為了滿足操作系統(tǒng)的上層工作需求，現(xiàn)代處理器進(jìn)一步引入了諸如并行化、多核化、虛擬化以及遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)等功能，不斷推動(dòng)著上層信息系統(tǒng)向前發(fā)展。

在半導(dǎo)體行業(yè)，Intel聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律被公認(rèn)為金科玉律，每2年晶體管翻倍的說(shuō)法指導(dǎo)者半導(dǎo)體芯片的發(fā)展，盡管最近十幾年來(lái)也有說(shuō)法認(rèn)為已經(jīng)過(guò)時(shí)了，但是它實(shí)際上執(zhí)行得還不錯(cuò)。

比利時(shí)微電子中心IMEC公布了一張很有趣的路線圖，對(duì)比了1970年到現(xiàn)在2022年的52年間中，處理器芯片的晶體管密度變化，當(dāng)年的水平只有1000個(gè)晶體管，要知道Intel在1971年推出人類首個(gè)微處理器4004時(shí)也不過(guò)2300個(gè)晶體管。

現(xiàn)在到了2022年，晶體管規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了1000億個(gè)，蘋果的M1 Ultra芯片做到了1140億晶體管，是52年前的1億倍了。

1000億晶體管的芯片也不會(huì)是終點(diǎn)，實(shí)際上蘋果M1 Ultra也不是唯一的千億芯片怪物了，Intel的加速卡Ponte Vecchio也實(shí)現(xiàn)1000億+晶體管了，不過(guò)Ponte Vecchio是由多個(gè)芯片組成的，M1 Ultra其實(shí)也不是單一芯片，也是2個(gè)M1 Max芯片組成的。

在近年來(lái)中美交鋒引發(fā)的歷史性機(jī)遇下，國(guó)產(chǎn)CPU行業(yè)被由上而下牽引著，面臨著一個(gè)全新的發(fā)展環(huán)境：大門打開的政府采購(gòu)市場(chǎng)，聞風(fēng)而來(lái)的ODM工廠，逐漸統(tǒng)一的OS操作系統(tǒng)。

發(fā)展環(huán)境向好演變，國(guó)產(chǎn)CPU捷報(bào)頻傳：龍芯和海光相繼通過(guò)科創(chuàng)板注冊(cè)，飛騰引入多家戰(zhàn)投加速向資本市場(chǎng)邁進(jìn)。

遠(yuǎn)川科技評(píng)論一直緊密追蹤著國(guó)產(chǎn)CPU行業(yè)的動(dòng)態(tài)：

2020年11月發(fā)布的《誰(shuí)主沉?。簢?guó)產(chǎn)CPU的三大路線之戰(zhàn)》一文，將龍芯、海光和飛騰分別歸類為自主派、引進(jìn)派和生態(tài)派;當(dāng)年年底，我們應(yīng)邀參與了飛騰在天津舉辦的生態(tài)大會(huì)，親身見證了國(guó)產(chǎn)CPU茁壯成長(zhǎng)的IT生態(tài)。

2021年3月發(fā)布的《死磕：一顆國(guó)產(chǎn)CPU的浮沉樣本》一文，以胡偉武的創(chuàng)業(yè)之旅為軸，著重回顧了以龍芯為代表的自主派如何一步步邁過(guò)荊棘、走向成功之路;當(dāng)年5月底，我們對(duì)龍芯創(chuàng)辦人胡偉武做了兩個(gè)小時(shí)的訪談，對(duì)國(guó)產(chǎn)CPU創(chuàng)業(yè)做了全面系統(tǒng)的方法論復(fù)盤。

時(shí)值國(guó)產(chǎn)CPU上市潮，遠(yuǎn)川科技評(píng)論根據(jù)招股書、實(shí)地走訪、過(guò)往訪談等資料，試圖對(duì)國(guó)產(chǎn)CPU行業(yè)做一個(gè)全面的總結(jié)。

本文主要分為三個(gè)部分：

1.產(chǎn)品應(yīng)用、財(cái)務(wù)業(yè)績(jī)與原因分析;

2.技術(shù)基座的重要性;

3.產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建、生態(tài)與市場(chǎng)拓展。

據(jù)悉，2021 年 11 月，龍芯中科技術(shù)股份有限公司完成了基于自主 LoongArch 指令系統(tǒng)的龍芯 3C5000 服務(wù)器 CPU 的研制。

該處理器內(nèi)部集成 16 個(gè)高性能的龍芯 LA464 處理器核、32MB 的共享片上高速緩存和 4 個(gè) 64 位 DDR4-3200 內(nèi)存控制器，主頻 2.1-2.3GHz，單芯片雙精度浮點(diǎn)峰值運(yùn)算速度超過(guò) 0.5TFLOPS，綜合性能接近市場(chǎng)主流服務(wù)器 CPU 產(chǎn)品的水平，可全面滿足云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心的性能需求。

龍芯架構(gòu)(LoongArch)包括基礎(chǔ)架構(gòu)部分和向量指令、虛擬化、二進(jìn)制翻譯等擴(kuò)展部分，近 2000 條指令，不包含 MIPS 指令系統(tǒng)。龍芯中科表示，龍芯架構(gòu)具有完全自主、技術(shù)先進(jìn)、兼容生態(tài)三方面特點(diǎn)。龍芯架構(gòu)從整個(gè)架構(gòu)的頂層規(guī)劃，到各部分的功能定義，再到細(xì)節(jié)上每條指令的編碼、名稱、含義，在架構(gòu)上進(jìn)行自主重新設(shè)計(jì)，具有充分的自主性。