近年来,我国半导体产业呈现了高速增长的态势,设计业、制造业、封测业销售额同比均有 2 位数的增长。

在市场需求、《国家集成电路产业发展推进纲要》、大基金以及各地投资基金等利好因素和政策支持下,半导体设计业或将是我国半导体产业快速发展的一大领域,一方面,相比制造业、封测业,设计业的限制因素较少,我国半导体设计业水平达到了 14nm 工艺级别,销售额、盈利企业数量呈现增长态势。另一方面,以 AI、无人机、机器人制造为代表的新型技术应用也为芯片设计业提供了极大的发展契机。

为了不断完善兆芯在桌面办公、服务器、工控领域的整体布局,2017 年 12 月 28 日,兆芯在先进、安全、自主可控 CPU 发展论坛上正式发布了新一代开先 KX-5000 系列芯片。

据了解,这是兆芯第一款采用 SoC 设计的高端通用 CPU,更是国内首款支持 DDR4,且支持双通道 DDR4 内存的国产通用 CPU,其里程碑意义格外的显著。

国家核高基专项技术总师、清华大学微电子所所长魏少军教授在发布会上表示 CPU 是 01 专项的重中之重,如果无法实现突破,就意味着核高基专项大打折扣。“在我们取得成绩的同时也应当时刻保持警觉。因为目前我们还有很大一部分需要从国外进口,其中 CPU 占到 500-600 亿美元。所以说,对于 CPU 无论多么重视都不过分。”

 

国家核高基专项技术总师、清华大学微电子所所长魏少军教授


据了解,比如说,未来太湖之光将会 100%采用自主的 CPU 芯片。

魏少军教授表示,取得现在的成绩,一方面与课题承担单位的不懈努力密切相关,也与专家、领导的关系离不开关系。经过实战的检验,证明自主设计的 CPU 经得起考验。

“围绕 CPU 打造完整的产业链,通过应用牵引、整机带动、软硬结合的战略,找到一条具有中国特色的发展之路至关重要。”魏少军教授在谈到如何发展中国自主可控的 CPU 时表示。
 


中国科学技术协会副主席、中国科学院院士、中国科学院上海高等研究院院长王曦院士

上海联合投资有限公司副总经理、上海兆芯集成电路有限公司董事长兼总经理叶峻

第五代国产自主可控通用 CPU

 

据介绍,兆芯开先 KX-5000 系列国产 x86 处理器将提供 4 核和 8 核两种版本,基于 28nm 制造工艺,单芯片集成 CPU、GPU、高清视频解码器、内存控制器、PCIE 及其他高速数据接口,拥有高集成度、高性能等特点。

“兆芯这一代处理器针对不同市场需求作了很多设计优化,涉及到主频;核心;功耗;系统等方面。启用新的命名是为了更好的体现产品规格,提升产品辨识度。”上海兆芯集成电路有限公司董事长兼总经理叶峻表示。

KX 是“开先”品牌的英文缩写,5 代表了兆芯的第五代国产自主可控通用 CPU,后面的三位数字对应的是 CPU 的主频、核心数量,以及面向的市场等信息,并且在实际实施的情况下,还会相应的加入英文字母,比如 U 特指顶级 8 核心系列;M 特指低功耗系列。

“开先 KX-5000 系列处理器是兆芯第一款采用 SOC 设计的通用 CPU,同时也是国内第一款支持双通道 DDR4 内存的国产通用 CPU,从各项成绩、体验环节上看,我们有信心认为在国产桌面通用处理器领域,开先 KX-5000 是绝对的第一梯队,甚至说 Top 1 也不为过。”

 


相比于之前的 ZX-C, KX-5000 的内核做了如下改进:

处理器核心架构升级

全新设计的核心的微架构及流水线,达到了 1%面积增长, 对应 1%性能增长;

重新设计 / 重排 / 优化了流水线资源,流水线级数较上一代产品减少了 5 级;

全新设计的循环预测算法,并优化原有预测器算法;

全新设计的乱续执行引擎,大幅减少投机执行错误及对应的性能损失;

重新设计的访存单元使得一级缓存访存性能翻倍。


处理器核心互联架构升级

全新的 SOC 访存接口,内存带宽访存性能翻倍;

全新设计的多节点缓存一致性协议,大幅优化多节点访存性能;

全新设计的桥片 - 处理器高速接口,有效提高设备对处理器 / 内存的访问性能;

总的来说,ZX-C 到 KX-5000,采用了全新的微架构、全新的系统结构(从 CPU+Chipset 到 SOC+IO 扩展),全面支持国际领先规范,如 DDR4、PCIE 3.0、SATA3.2、USB 3.1 Gen2(Type-C)等,整体性能提升达到 140%以上,性能进一步优化办公应用体验,满足 4K 播放需求,应用体验持续得到优化。

“我们有理由相信这三款产品将会拥有足够的市场竞争力,与国际厂商竞争。也将会为兆芯在更广阔的市场取得发展奠定基础。”叶峻强调。


兆芯独立自主的研发能力
产品技术上,兆芯是国内高端通用 CPU 技术积累相对扎实的公司,兆芯拥有完整的、本土员工组成 CPU 研发团队,更具备独立自主的 IP 开发能力。

比如说,此次推出的 KX-5000 使用 28nm 可以做到 2.2G 主频,睿频可以到 2.4,相比之下,国内一些公司 28nm 工艺只能做到 2G 以内。

在兆芯看来,这就是兆芯强大的设计研发实力的体现。

芯片的设计研发过程是由几个大的阶段和若干个具体的环节组成的,任何一个环节的不足都可能会对频率造成影响。

兆芯在每一个环节,都是采用业界最高标准、最领先的规范来实施的,同时兆芯自主研发的微架构、自主设计 IP 的能力、自主开发的模拟、仿真测试环境等,这种自主的,没有第三方参与的设计研发过程,给了兆芯很大的配合、调整优化空间,这是很多国内其他 CPU 设计研发厂商不具备的条件。

此外,在制造工艺方面,代工厂为兆芯芯片的量产良率也做出的很大的努力。

比如,兆芯和华力微联合打造的 28nm 通用处理器生产线,预计 2018 年能够完成工艺通线和试流片,2019 年能够量产。

“相对于台积电的 28nm 工艺线,兆芯和华力微在设计和工艺上进行了全面融合与创新,预计最终产品的主频会提升 10%以上,除此之外也有很多工艺模型以及功耗控制和工艺相结合的其他创新点。”

至于下一代的产品,兆芯表示,由于采用的是 tick-tock 的开发模式,KX-6000 主要是采用 16nm 工艺,同时探索高频下的设计流程,包括从 pcb/substrate/power plan,看 PI/SI 的问题,高频时序收敛的问题,KX-7000 将采用新架构,希望可以达到 AMD 同期水平。

发展和进步必须要一步一个脚印
今年兆芯在国产化市场增长,以及其他多元领域布局逐渐坐收成效,包括 Thin-Client、AI 监控后台、中低阶工控机市场与云端储存服务器,兆芯发挥出国产 CPU 自主可控的优势,2017 年 CPU 出货将达 10 万套,实现销售成长 1 倍,同时也看好 2018 年出货再度翻番。

借助国家的政策支持,并且由于全球网络安全环境、局势的影响,兆芯认为国产自主可控市场发展的空间将不断扩大。

同时兆芯也在积极推动合作整机厂商能够基于现有的芯片,能够推出面向普通消费市场的整机,这方面,需要产业链各个环节的合作和努力。

从市场方面上讲,兆芯主要耕耘的是桌面办公领域,走兼容 x86 的国产自主可控路线。在这一领域内,国际巨头的挤占是兆芯不得不面对的问题,兆芯在联合商业伙伴积极进行地区推广活动的同时,也需要政策上的一定支持。

从运营的角度来看,兆芯希望进一步加快产品的研发和测试,实现对国际主流水准的快速追赶。在这里,资金的支持、人才的储备,以及芯片制造工艺的发展都是需要考虑在内的因素。

目前,兆芯的国产化产品技术领先,软硬件兼容性优秀,生态系统和产业链日趋完备,已可以满足绝大多数国家自主可控领域的办公应用。

未来,兆芯将继续致力于研发中国自主知识产权的核心处理器芯片,推动中国信息产业的整体发展。