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2020网信自主创新调研报告-芯片

发布时间:2021-06-07文章来源: 浏览次数:



2020网信自主创新调研报告

专家委员





主   任:倪光南

副主任:严 明、霍 炜、胡伟武、窦 强 

委   员(按拼音排序):曹 冬、陈晓桦、邓小四、杜 胜、杜跃进、冯燕春、 冯裕才、郭守祥、韩乃平、胡红升、黄志刚、姜海舟、 李 斌、李璐瑶、梁育刚、刘龙庚、刘闻欢、刘 毅、 陆宝华、罗东平、潘凤岩、唐 彬、汤学军、田俊峰、 肖新光、杨纪文、翟起滨、张焕国、张 强、张 彦、 张宇翔、张岳公、赵 波、赵战生、郑静清、祝国邦



    “十三五”期间中国芯片技术高速发展,性能已接近国际先进水平,满足电子政务等应用领域需求;实现“自主研发”和“安全可信”的深度融合;基于自研芯片的服务器、桌面电脑、嵌入式设备、交换路由网络设备已经在关键基础设施领域完成百万套量级的批量应用;形成了包含 2000 家以上单位的自主生态体系,应用软件配套逐步补齐。总体上看,在体验上已迈过“从无到有”的阶段,正在经历“从可用到好用”的发展过程。





01 国产芯片从无到有

从可用到好用




    (1)过去五年取得的成果 

    龙芯中科十三五期间 CPU 单核性能提升 10 倍,多核性能提升 50 倍。2020 年面向市场全面推广完全自主研发的四核 3A4000 桌面 CPU、四核 3B4000 服务器 CPU,主频达到 2.0GHz,使用 SPEC CPU 2006 测试单核 peak 分值超过 20 分,base 分值超过 16 分。内置安全可信模块和国密算法模块,通过国家商密二级认证,实现“自主研发”和“安全可信”的深度融合。2020 年完成研发的四核 3A5000 及 16 核 3C5000L 进一步提升工艺和主频,SPEC CPU 2006 测试单核 peak 分值超过 30 分,base 分值超过 25 分,3C5000L支持2-4路服务器,全面满足云计算、大数据等商用服务器性能要求。2020 年龙芯 CPU 芯片销售超过 100 万片。 

    申威实现体制机制的创新突破,成立无锡先进技术研究院和中电科申泰信息科技有限公司,加强了申威处理器研制和产业的推广力量。在技术上,坚持“SW-64”微架构和自主指令集发展道路,融入“基因安全、内建安全、内生安全、系统安全”的层次化安全机制。在“十三五”期间迭代升级嵌入式、桌面、服务器处理器等产品。2020 年推出 32 核心、2.5GHz 主频、支持 4 路互连的服务器处理器 -- 申威 3231,规划中的下一代服务器处理器申威 6432 已开展设计,更高性能的桌面处理器 -- 申威 831 将于近期完成研制。 

    飞腾形成了高性能服务器 CPU、高效能桌面 CPU 和高端嵌入式 CPU 三大系列产品。在服务器CPU领域,新推出FT-2000+/64和腾云S2500两款产品,集成 64 个自主处理器核心,支持构建单路 64 核到八路 512 核的高性能服务器,性能相比 FT-1500A/16 服务器整机有最高 25 倍的提升。在桌面 CPU 领域,新推出 FT-2000/4 和腾锐 D2000 产品,分别集成 4 个和 8 个自主处理器核心,性能和能效均比 FT-1500A/4 有 2-4 倍提升,同时实现飞腾安全可信处理器架构规范 PSPA1.0,年度销量超过百万片。在嵌入式 CPU 领域,推出 FT-2000A/2 处理器,集成 2 个自主处理器核心,适用于工业控制、网络设备、 安全设备等。 

    华为形成了以“鲲鹏 + 昇腾”为核心的基础芯片族。鲲鹏处理器分为服务器和 PC 两类,从 2017 年开始,华为陆续发布了鲲鹏 916、鲲鹏 920 处理器,以及 TaiShan100、200 系列服务器。其中鲲鹏 920 是当前业界最高性能的数据中心处理器,CPU、南桥、网卡、SAS 控制器 4-in-1,内置硬件加速引擎,大幅提升性能及内存带宽。从 2017 年开始,华为陆续发布了昇腾芯片、AI 服务以及 Atlas 硬件平台在内的昇腾产业 AI 整体解决方案,通过基于华为达芬奇架构的昇腾系列处理器提供更强的算力。 

     (2)后续发展面临的问题 

     国产 CPU 推广的主要矛盾,已经逐渐由性能差距转变为产业链及生态成熟度的完善程度。在性能方面,虽然国产 CPU 与国外产品尚有 3-5 年的差距,但已经能够基本满足国内大部分应用领域对通用处理器的性能需求。反观市场方面,国产 CPU 虽然取得了数百万片规模的应用,但总体市场份额偏低,国外 CPU 厂商在国内市场占统治地位的现状仍然没有改变。












    (1)过去五年取得的成果 

     交换路由网络设备的核心能力主要依赖于网络芯片,主要包括转发芯片、交换网芯片、NP 芯片、密码处理芯片,网络芯片的能力主要取决于交换容量,交换容量越大往往越需要先进工艺。目前高端网络芯片海外供应商主要是美国的博通公司,中低端主要是美国的 Marvell 公司,而像思科、Juniper 等大公司都有自研的网络芯片,以具备差异化竞争力。国内华为海思、盛科、中兴均有转发芯片的系列化研发能力,华为芯片交换容量从 100G-10T 完成系列化布局,可用于运营商网络、数据中心网络、企业园区网络。

     北京网迅在 2018 年成功研制了具有自主知识产权的“网迅万兆以太网控制器”(WX1820),2019 年又推出千兆芯片(WX1860),硬件上可支持协议探测、可信计算和 SM2/3/4 国密算法等功能。网讯系列芯片均通过三方检测,并与芯片、整机厂商适配,取得产品兼容性互认证。芯片支持 PCIE 接口、光口和电口,在超多 DMA 队列的实现和报文分片传输方法上采用专利技术,可节省 CPU 资源 50% 以上和平均时延降低 30%-50%。采用网络控制器配置的不透明安全模式和虚拟机热迁移的网络无缝切换技术,显著增强了网络系统的安全性,大幅度提高了应用的稳定性。

      沐创集成电路将密码和网络进行深度融合,采用清华大学的可重构技术,自主研发高性能的智能网络安全芯片和智能安全网卡芯片,既实现了通用网卡功能,又可以承担全链路数据安全加解密、网络协议数据预处理等相关工作,同时能够更好地支持网络虚拟化,大幅降低网络投资和运营成本。沐创的高速密码处理器芯片面向国内双模加密场景,可提供实时、高速的双模 TLS/SSL 硬件加速服务,应对 25Gbps 的网络场景,在 HTTPS 的握手次数和 SSL 小包吞吐率等关键指标上可提高 10 倍以上性能。

    (2)后续发展面临的问题

     网络控制器芯片在体系化和高端智能产品方面与国外主流存在一定差距。

     一是国内网络芯片设计基于兼容性的考虑,基本上均要符合国际 IEEE  802.3 以太网的协议族标准。由谷歌、微软、Broadcom 和 Mellanox 等公司发 起的 25G 以太网联盟,在 2016 年形成了 25G 以太网 802.3by 标准,其规范了 MAC\PHY 层及管理参数等,有望成为下一代高速标准的基础。以 IEEE 批准的 200G/400G 的 802.3bs 标准为例,我国参与的国际标准制定工作较少。网络控制器芯片涉及的 PHY 接口的 IP 核,也存在被国外垄断的现象。

     二是国内自研的网络芯片产品还相对单一,且研制和生产成本无法与国外相比。当前,以太网芯片产品体系正在经历 1G/10G/25G/100G/200G 的演进过程,目前主流 PC 和服务器多使用 1G/10G 芯片,25G 以上速率主要在高性能的中心服务器里应用。Mellanox 最新的高端智能网络控制器 ConnectX-6 系列芯片已能够支持 200G。华为近年来研制了 Hi182X 系 列 100G/25G 芯片,但仅供自己的产品使用。低端芯片领域,Realtek 的 RTL8111 千兆系列,因功能简单,有报价已到了十几元人民币左右。目前国产主流产品已有 1G/10G 网络控制器芯片和智能安全网卡芯片,主要用在政府和企业等领域。


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02 国产芯片的发展着眼于

  提升性能和做强生态

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      在十四五期间,自研处理器在单核、整机性能方面的目标应达到或超过同时期国外处理器水平,同时基本达到国外高端处理器整机性能的80%以上。桌面电脑、服务器领域使用的网络和安全密码芯片,基本可以满足芯片市场的巨大需求。自研芯片能够满足云计算技术的发展,全面应用于政府、金融、 电信、教育等各行业的自主信息化转型。




     进一步完善自研 CPU 产品线,在高性能计算机 CPU、服务器 CPU、桌面 CPU、嵌入式 CPU、配套外围芯片等应用领域推出新产品。推出物联网、 边缘计算和人工智能等领域产品。积极布局下一代 CPU 在 5G 通讯、人工智能、边缘计算以及物联网等场景所需要的新型算力产品研发。目前自研 CPU 已经基本满足国内桌面电脑的性能需求,需要发展的主要是服务器 CPU。研发多路多核处理器,在实现较好性能的基础上,获得更为均衡的设计、访存、 I/O 性能。 

     在生态建设方面,要推进从指令集到基础软件到应用软件的全面适配。研发各类编译器、高级语言虚拟机、核心运行时库、调试调优工具与集成开发环境,支持主流语言、主流标准及开发框架,形成开放兼容、稳定高效的生态支撑能力。基于自研芯片建设线上社区、云适配中心、线下适配基地,建立完善的技术服务、产品认证与培训体系。建立我国自主的可信计算标准体系,根据实际应用需求,重点制定可信计算标准体系中的核心标准,在推出高性能的可信计算密码模块基础上,把可信计算技术融入到自主的处理器之中。










     大数据和 5G 的发展会再次加快网络数据流量的增长,满足民用低端芯片市场的巨大需求是国内网络芯片产业的重要任务,赶超企业高端芯片的功能性能是技术发展目标。服务器市场以网卡适配为主,PC 市场以在板芯片植入为主。

      民用级别的低端网络控制器芯片市场主要被国外厂商控制。Realtek 网卡芯片因为价格便宜和性能稳定,很多 PC 主板都集成在板,主要部署是 10M/100M/1000M 的 RTL8111 等系列,其接口类型有 PCI、PCI-E、USB 等。Intel 自 2005 年始,先后推出 82571 和 82579、WGI210 等低端芯片,支持 PCIe 2.0 标准、1000Base-T、SGMII 等接口。对于巨大的千兆民品市场,由于芯片开发和流片成本较大,国内厂家一直无人问津。虽然网迅的 WX1860 系列芯片通过降额使用可满足以上需求,但也是一种资源性能浪费。开发推广低成本的百兆、千兆和万兆的芯片是下一步的主要任务。100M 和 USB、 PCI 接口的芯片,一般在特殊装备领域上用,也因产品替换存在定装周期长、批量少和老技术支持匮乏而无人研发。

     25G 以 上 高 端 网 卡 芯 片 几 乎 被 国 外 统 领。2019 年,Mellanox 推出 ConnectX-6 Dx SmartNIC 以太网卡,支持 PCIe 4.0、两个 25、50 或 100Gb/s 端口或者单个 200Gb/s 端口,具有创新的硬件卸载引擎。2019 年 4 月,Intel 发布面向数据中心、支持 100Gbps 速率的 800 系列新品。Broadcom 公司,NetXtreme®-E 系列 NIC 网络控制器,基于可扩展的 10 /25 /50 /100 /200G 以太网控制器架构,大量部署在企业云和存储服务器中。以上产品系列带动着高端智能网络控制器的前行,引领着高度可扩展的网络解决方案的发展。因此,在大型计算服务器、存储服务器等云平台及数据中心市场,25G\50G\100G 网络芯片的自研化需求,是网络控制器领域未来的技术发展方向。








03 未来五年芯片产业的

创新发展路径

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     2020 年芯片企业已参加了《CPU 发展水平综合评估指标体系》、《服务器操作系统产品质量测试大纲》、《桌面操作系统产品质量测试大纲》等标准的制定。标准对技术水平、兼容性、生态、产品质量等方面提出了更高要求,对于推动芯片企业创新发展具有积极作用。

     随着全国集成电路标准化技术委员会的成立,芯片企业应参与自研芯片及上下游生态涉及的国家标准的制订,深入参与各项标准的制定过程;同时,企业之间应加强联合,共同制定芯片和产品行业标准,如芯片封装、总线接口、桌面产品、服务器产品等,为生态软件提供良好的技术和兼容性支撑。

     十四五期间,芯片企业应重点关注和参与以下几个方面的标准研究和制定工作:一是针对移动互联网、云计算、物联网、大数据等新技术领域的标准,对其中配套量大、应用范围广的关键集成电路,如微处理器、系统级电路(SoC 及与之相关的 IP 核)等,结合芯片的性能、可靠性及安全性等方面的要求,开展研究和标准制定;二是开展参数指标体系和质量保证要素研究,为集成电路产品详细规范的编制提供依据,完善测试方法、机械和环境试验方法标准体系,确保各项参数指标的测试、试验均有标准可依;三是分析集成电路设计、软件开发、系统集成、内容与服务等各环节协同创新的标准化需求,加强设计过程质量控制要求、设计验证要求等设计保证标准的制定,与产业链各环节协力发展。











    在过去的几十年,计算领域主要围绕提升主频、优化微架构提升指令并行能力来提升芯片性能。目前,这两个方法都触到了天花板。在提升主频方面, 当主频突破 3GHz 之后会进入拐点,如果继续提升主频,芯片功耗将会以主 频的 3 次方的比例快速提升 , 散热问题超出了当前的工程极限,可靠性无法保障。在微架构创新上,芯片架构通过多发射、乱序执行、分支预测等手段来增加指令级并行能力。随着指令并行能力的进一步提升,边际效应将会越来越低,性能提升的代价也会越来越大。

     相比 CPU,GPU 和 FPGA 拥有很多优势。GPU 有更高的并行度、更高的单机计算峰值、更高的计算效率。FPGA 的优势主要体现在它拥有更高的每瓦性能、更高的非规整数据计算性能、更高的硬件加速性能,以及更低的设备互联延迟。因此,“CPU+GPU”和“CPU+ FPGA”成为热门的异构计算平台,能够很好的满足人工智能、高性能数据分析等计算密集型领域的需求,而这一技术会逐渐取代原来通用计算不擅长的部分。但是,GPU 板卡、 FPGA 板卡采购成本高、交付周期长,反过来又会制约应用的发展。

     在新计算时代,需要架构创新来延续摩尔定律。在主频提升遇阻,微架构创新乏力等情况下 , 面向特定领域的异构计算成为了性能持续提升的新引擎。“通 - 专” 结合的架构创新模式,既集成了通用的编程模型,又满足了专用性能的扩展,随 Chiplet 等技术的发展, “CPU + GPU”、 “CPU + AI”、“CPU + NPU”、“CPU + 网络交换”、“CPU + 密码”、“CPU + FPGA”等片上异构将进一步向成本更优的片间异构发展。


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     在网络控制器芯片领域,一是深耕网络领域的市场应用,加强国产网络芯片应用的深入推进,拓宽使用领域的覆盖面;二是积极推动密码与网络产品和系统的深度融合,加强内生国密安全技术的网络芯片产品;三是加大高端智能网络控制器芯片的研发投入,达到甚至超越国际先进技术水平;四是坚持自主可控,推进网络控制器的国产化行业标准和规范的建设,完成网络控制器的国产化替代。







END
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