2019-2020年国产芯片及操作系统专题报告

2019-2020年国产芯片及操作系统专题报告导语我们认为，统信软件操作系统凭借友好的产品性能，并深度绑定华为，还作为UOS的代言人，未来在信创领域将会扮演非常重要的角色。我们非常看好UOS在未来信创领域的领军地位。疫情之下的信创产业：蓄势待发什么是信创产业？所谓信创产业，即信息技术应用创新产业。信创产业推进的背景在于，过去我们IT底层标准、架构、产品、生态大多数都由美国IT巨头来制定，由此存在诸多的安全、被“卡脖子”的风险。全球IT生态格局将由过去的“一极”向未来的“两级”演变，我们要逐步建立基于自己的IT底层架构和标准，形成自有开放生态。基于自有IT底层架构和标准建立起来的IT产业生态便是信创产业的主要内涵。信创产业全景图信创产业包含了从IT底层的基础软硬件到上层的应用软件全产业链的安全、可控。以“云”和“端”角度为例：1）基于国产平台的终端全栈架构：包括国产CPU、整机设备、固件（BIOS）、操作系统及驱动层和应用层（办公软件、应用软件）等。终端设备包括单独部署的个人桌面电脑、笔记本电脑、接入云平台的瘦客户端等。2）基于国产平台的云计算全栈架构：随着云计算的发展，政府、金融、电信等各个行业都在逐步从传统信息系统“烟囱式”的建设方式向私有云、公有云环境进行迁移。云计算的核心就是利用以虚拟化为代表的技术进行计算、存储、网络等资源的配置管理和弹性扩展。云计算整体架构包括：基于国产CPU的基础设施层，如整机、网络、存储等；IaaS层--包括操作系统和云管理平台；PaaS层--主要是通过使用容器环境对应用软件进行微服务化定制封装，使用DevOps理念对云原生应用进行持续部署和集成，使用容器编排工具对容器进行统一集群管理；SaaS层包括政府、金融、电信等各行业业务软件。此外，还包括整个平台的安全管理、运维管理及相应的标准制定遵循。根据上述信创产业架构，我们按照自下而上的架构顺序，对参与其中的主要国产厂商进行了梳理（不完全统计），绘制出如下信创产业全景图。我们相信，随着信创产业范围的不断扩大，将会有越来越多的国内厂商参与其中，从而构建起庞大而丰富的信创产业应用生态。核心环节之国产CPU：性能仍待提升，生态构建是关键国产CPU主要参与者CPU（CentralProcessingUnit）中央处理器，是计算机的运算和控制核心（ControlUnit），它的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。中央处理器内部主要包括运算器（ALU，ArithmeticLogicUnit）和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线。CPU指令集分类CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统，从大类划分上可分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两种。1）以X86系列为代表的CISC指令集。CISC指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。复杂指令集系统的优点是控制简单，处理高级语言和特定任务能力强，缺点是结构过于复杂、指令集利用效率不高、执行速度慢。2）以ARM架构为代表的RISC指令集，小众的MIPS、Alpha采用也是RISC指令系统。相对于复杂指令系统，精简指令系统（RISC）保留使用频率高的指令，对不常用的指令功能通过组合指令来完成，以此提高程序处理速度，同时RISC架构CPU采用超标量和超流水线结构，大大提升了并行处理能力。中高档服务器中普遍采用RISC架构的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC架构的CPU。如PowerPC处理器、SPARC处理器、PA-RISC处理器、MIPS处理器、Alpha处理器等。智能手机处理器需要高效率低功耗，主流的ARM处理器采用的也是RISC架构。指令集是一套软硬件之间的语言规范，国际上曾经有不下十种指令集，经过残酷的市场竞争，目前通用领域得到广泛使用的指令集只有Intel的X86和英国Acorn公司的ARM。由于知识产权的限制，早期国产CPU在公开领域一直没有途径使用这两种指令集，早期国产CPU的三驾马车，飞腾、龙芯、申威，不得已分别选择了SPARC指令集、MIPS指令集、ALPHA指令集。这三种指令集之所以可以以极其低廉的价格（比如SPARC给飞腾的授权价只有99美元，ALPHA不要钱）授权，是因为它们的生态环境很弱，需要吸引合作伙伴来共同打造生态才能生存。然而，十余年过去，受到Intel和ARM的双重碾压，SPARC、MIPS、ALPHA的生态系统越来越凋零，导致使用上述指令集的国产CPU的生态环境建设十分艰难。自主研发CPU需要得到指令集授权，指令集授权方式主要有两种：指令集架构授权、IP核授权：（1）指令集架构授权：指可以对ARM架构进行大幅度改造，甚至可以对ARM指令集进行扩展或缩减。譬如，苹果A6处理器使用的是ARMv7-A指令集，由于得到了ARM公司架构层级授权所以苹果公司可以对ARM架构进行大幅度改造，甚至可以对ARM指令集进行扩展或缩减，从而出现了苹果公司自己的“Swift架构”。（2）IP核授权：指可以以一个内核为基础然后在加上自己的外设，由此设计自主MCU（Soc芯片）。例如TI公司的STM32系列单片机是以ARMCortex-M3内核为基础然后在加上自己的外设，最后形成了自己的MCU。但TI公司并没有权限去对Cortex-M3内核进行改造，所以TI公司获得的应该是内核层级授权。由于IP软核源代码的分析与解读需要耗费较大的人力，而硬核授权并不包含源代码的开放，因此，我们认为，这种方式的安全可靠性并不高。其中，X86指令集架构掌握在Intel和AMD手中，不对外开放；ARM公司向全球知名CPU设计厂商开放指令集架构授权和IP核授权。在国产芯片厂商中，华为鲲鹏和飞腾获得了ARM公司64位ARMV8指令集的架构授权，有权设计、生产、销售ARMv8兼容处理器产品。龙芯、申威分别获得MIPS架构和ALPHA架构的授权，自主研发处理器内核，并在此基础上，对相关架构指令集进行了扩展。基于两种指令集授权模式，加上国内一些厂商自建指令集系统，CPU国产化的方式主要有三种：国产CPU主要参与者2002年中科院计算所研制出我国第一款商品化通用高性能CPU“龙芯”1号。此后，我国科研技术人员大力攻关，相继有多款国产处理器芯片陆续面世。目前我国国产处理器芯片的主要参与者有：龙芯、兆芯、飞腾、海光、申威和华为等。龙芯：国产化程度最高的MIPS架构芯片（略）1、龙芯CPU是我国最早的国产CPU厂商，在专用类、工控、嵌入式终端CPU等领域拥有较强优势，后拓展至桌面端和服务器CPU领域，优势在于单核性能较高，但多核能力较弱。目前龙芯桌面端CPU在政府办公国产化试点领域占有较高市场份额，但其服务器CPU相比其他国产服务器CPU如华为、海光、飞腾服务器CPU性能较低。2、龙芯的服务器CPU之所以落后，主因是龙芯此前主攻方向是嵌入式和PC芯片，用嵌入式养活自己，并提升CPU的单核性能（因桌面CPU对单核性能要求高），但在CPU核心数量上相比友商有所差距，因而导致服务器CPU性能较差。目前龙芯在完成单核性能提升后，下一代产品3A5000正着手于提升主频和核数，弥补弱项。3、龙芯的另一个短板即是生态问题。龙芯是唯一的基于MIPS架构的国产CPU，在目前国产CPU中ARM架构占优的格局下，如何构建生态是公司未来面临的更大挑战。飞腾:基于ARM指令集授权的国产CPU（略）1、飞腾CPU是基于ARMv8架构自主研发的国产化芯片，已获得ARMv8架构指令集永久授权。2、在整体性能上，飞腾CPU处于国产化芯片的中间位置，尤其在党政特殊部门领域具备优势。3、在生态建设上，飞腾背靠CEC，致力于打造PK体系，且同为ARM架构，因此在生态上具有一定优势。华为鲲鹏：性能最好的ARM架构CPU，致力于打造鲲鹏产业生态2019年1月，华为向业界发布基于ARMv8指令集研发的高性能服务器处理器鲲鹏920。鲲鹏920具有高性能、高带宽、高集成度、高效能的特点。架构方面，Kunpeng处理器基于Armv8架构永久授权。华为研发团队对其进行SoC集成设计，其处理器核、微架构和芯片均由华为自主研发设计。鲲鹏计算产业兼容全球Arm生态，二者共享生态资源，互相促进、共同发展。性能方面，华为鲲鹏920是业界性能最高的ARM架构服务器芯片。据2019年华为连接大会上展示数据显示，鲲鹏920处理器最多64核，频率2.6GHz，支持8通道DDR4内存，支持PCIe4.0及CCIX，集成100Gbe网络，SPEC整数性能高达930分，比业界标准水平高25%。在内存带宽、IO带宽及网络吞吐量方面，鲲鹏920处理器同样高于其他ARM产品，内存带宽提升46%，IO带宽提升66%，网络吞吐量是业界标准4倍。华为基于kunpeng处理器处理器打造了“算、存、传、管、智”五个子系统的芯片族。历经10多年，目前已累计投入超过2万名工程师。华为全力打造鲲鹏计算产业生态鲲鹏计算产业是基于Kunpeng处理器构建的全栈IT基础设施、行业应用及服务。包括PC、服务器、存储、操作系统、中间件、虚拟化、数据库、云服务、行业应用以及咨询管理服务等。在生态建设上，华为重点投入了操作系统、编译器、工具链、算法优化库等的开发和维护，同时针对数据中心大数据、分布式存储、云原生应用等场景，开发基于Kunpeng处理器的解决方案产品和参考设计。鲲鹏计算产业发展规划华为的目标是构建全行业、全场景鲲鹏计算产业体系，实现鲲鹏计算产业从关键行业试点到全行业、全场景产业链建设。总体来讲，鲲鹏计算产业发展规划分为三个阶段来实现：1）试点阶段：通过在政务、电信、金融和互联网等行业选取典型场景进行产业赋能、孵化和试点，通过试点建立产业界上下游厂家和用户的信心。2）推广阶段：面向政务、电信、互联网、广电、金融证券、电力、能源、交通等行业全面打通产业体系，为行业数字化业务创新提供基础。3）深化阶段：面向全行业、全场景，打通产业链，构筑基于Kunpeng处理器的产业体系。鲲鹏生态带来国产IT行业的升级华为鲲鹏的合作伙伴大致可以分为三类：一是基于鲲鹏芯片及主板的服务器和PC生产商。如上市公司中神州数码、拓维信息、东华软件、广电运通就分别公告打造华为鲲鹏生态基地，进行基于鲲鹏的服务器和PC生产；二是基础软件厂商，包括操作系统、数据库、中间件、办公软件等；三是应用解决方案厂商，包括通用软件供应商和行业应用解决方案提供商两类。因为华为秉承“上不碰应用，下不碰数据”的原则，因此需要应用软件厂商基于华为鲲鹏底层软硬件架构为行业客户提供相应的行业解决方案，以满足客户的业务需求。打造鲲鹏生态有望带来国产IT行业的升级：对于硬件厂商，依托原有硬件产能，基于鲲鹏芯片和主板生产整机，未来可提升其业务量；对于软件厂商，依托原有行业Know-how，适配鲲鹏体系，融入鲲鹏生态，未来可扩大其市场份额；对于集成商，依托原有客户资源、服务能力，承接上云咨询、迁移、运维，未来有望升级为云MSP。海光：获得AMDX86IP核授权，受美国实体名单影响较大（略）1、海光芯片本质是X86芯片，是通过获得AMDX86Zen1架构的IP核授权研发生产出来的芯片，因此在性能上具有领先优势，也得到了如工行等部分银行客户的青睐，在商用上具备批量应用的基础。2、由于海光芯片是IP核授权，相比龙芯、鲲鹏、飞腾等其他国产芯片，在安全可控性上劣势比较明显，也容易被美国“卡脖子”，被列入实体名单对海光的影响是全方位的。3、展望未来，在美国继续维持25%的技术比例限制情况下，海光可能还需要花费大量的时间和研发投入把Zen1架构进行消化吸收再创新，任重道远。兆芯:通过外资控股获得部分X86专利授权（略）1、兆芯本质就是X86架构芯片，因此在性能和应用生态上具有较强的优势；2、兆芯只是通过股权关系实现了CPU品牌国产化，是否属于真正意义上的自主可控有待商榷；3、兆芯目前在信创领域份额较小，主要在上海地区具有