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30多年的CPU竞争,给中国带来什么启示?

2018-1-2 15:30| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 23631| 评论: 0|来自: 申万宏源

摘要: 经历多年长期亏损的处理器芯片公司 AMD 在今年第三季度终于实现扭亏为盈,录得净利润 7100 万美元。AMD Q3 季度能有这样的表现,主要功劳应该还是 Ryzen 处理器的。此外 AMD Epyc 服务器处理器争抢 Intel 盘踞多年龙 ...

服务器 架构 操作系统 GPU 芯片

经历多年长期亏损的处理器芯片公司 AMD 在今年第三季度终于实现扭亏为盈,录得净利润 7100 万美元。AMD Q3 季度能有这样的表现,主要功劳应该还是 Ryzen 处理器的。此外 AMD Epyc 服务器处理器争抢 Intel 盘踞多年龙头独占地位的服务器处理器市场竞争态势将逐步升温。 Epyc 产品线为 AMD 带来了庞大的成长潜能,并正对英特尔形成新的挑战。


2017Q3 AMD 扭亏为盈(单位:百万美元)

回顾历史, AMD 和 Intel 两家公司的发展史其实就是整个 CPU 发展的历史。 Intel 成
立于 1968 年,一年之后 AMD 成立。两家公司的创始人均出自仙童半导体, Intel 的创始
人诺伊斯和摩尔分别是集成电路的发明人和“摩尔定律”的提出者, 而 AMD 创始人桑德
斯是仙童半导体的销售员。

Intel 和 AMD 的发展就是 CPU 的发展历史

1968-1984: 同根同源, IBM 促使 Intel 和 AMD 的发展
Intel 在 1970 年推出世界上第一块 DRAM, 1971 年 Intel 成功上市并发布了世界上第
一块个人微型处理器 4004,虽然处理能力有限,但在 IT 界具有里程碑的意义;次年发布
的 8008 处理器,性能得到了翻倍的提升, 最重要的是获得了处理器的指令技术,这套指
令集奠定了今天 Intel X86 系列微处理器指令集的基础。


1971-1978 年间 Intel 产品

指令集之争的关键不是靠技术,而是依靠市场选择——兼容性胜出。 指令集分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)两种,指令集的重要性在于计算机的程序最终转化为指令才能在处理器上运行,所以在处理器设计时就需要考虑采用的指令集。在当时, Intel的 8086 是基于复杂指令集研制的,然而以摩托罗拉为首的大型工作站公司相继开发基于精简指令集的处理器, Intel 的后期产品为了保持兼容性继续使用了复杂指令集。 长久以来积累了能够在此处理器上运行的软件,减小客户的更换成本,使得客户追随 Intel 的产品。 最终经过长达 10 年的鏖战, Intel 的复杂指令集最终占据了市场。

AMD 无资金和技术优势,以优质低价的产品策略力争各类产品的第二供应商。 1982年-1985 年期间, 由于 IBM 的采购原则是必须两家以上的公司参与竞标, Intel 开放技术,全面授权 AMD 生产 x86 系列处理器, AMD 成为 8086 和 8088 处理器的第二供应商。这是历史上两家公司合作同时打上双方 logo 的时期。


在 IBM 的要求下 Intel 和 AMD 合作生产 80286 处理器
1982 年 Intel 发布的 80286 处理器,市场反应强烈, 该处理器发布后的 6 年内,全世
界基于 286 处理器的个人计算机便达到了大约 1500 万台。

1985-1996: Intel 统领 CPU 市场, AMD 由合作到模仿顽强生存
Intel 停止合作, AMD 失去了 CPU 发展的黄金时期。 AMD 在获得 286 处理器的授权后便开始生产自己的 286 芯片,制造了克隆体“Am286”。 Intel 在意识到威胁后于 1985年单方面中止了合作协议,生产 386 处理器。 AMD 于 1989 年自主研发了性能与 386 相似的 AM386 处理器,通过不断生产兼容 Intel 的处理器,以低廉的价格打入市场,使得
AMD 顽强的生存着。

1982-1993 年间 Intel 产品

Intel 推出 Pentium 处理器后达到工作站水平。 其实在 20 世纪 80 年代之前,几乎所有如 IBM 的计算机公司都会自己研制处理器,他们的产品代表了高端市场的水平, Intel的产品只是补充低端市场。 8086 和 80286 的大热也是因为众多 PC 厂商为了满足 IBM 的兼容性而采用 Intel 的产品。 Intel 在 1993 年推出的 Pentium 产品则达到了工作站的水平,所以最早生产工作站的 SUN 公司、 IBM、以及苹果都开始使用 Intel 的产品。

1982-1993 年间 AMD 产品

1997- 2006: Intel 策略失误, AMD 反超崛起
Intel 放弃兼容性接口统一市场, 却给了 AMD 反超机会。 AMD 一直以兼容 Intel 的处理器来获取市场,硬件的兼容性是基于开放的 Socket 接口。在 1997 年 Intel 推出Pentium MMX 后,退出 Socket7 市场,转向使用 Slot1,彻底断开兼容性,借此大举统一市场。而 AMD 迅速反应, 坚决地在 Socket7 架构上推出 K6,并提出 Super Socket7架构(向下兼容 Socket7),获得了众多厂商的支持。最关键的是, AMD 基于 Socket 接口先于 Intel 提出了 100MHz 外频的产品,性能上也更优异(综合性能比在 66MHz 下要高出 6.8%~15%左右, Slot1 架构却只有 2%~5%的提升,数据来源于太平洋电脑网)。

Intel 放弃兼容性接口 Socket7 改用 Slot1

1999 年 AMD 抢先发布了 1GHz 的处理器,进一步提升了竞争力。从 1999-2003 年间,Intel 发布了多款 Pentium III,并向 Pentium 4 过渡, AMD 也不甘落后,发布 Athlon、Athlon XP 等多款总量级 K7 产品。这个阶段双方的产品在性能上旗鼓相当,是竞争最激烈的一段时间, AMD 还具有廉价的特点,积累了大量用户。

1993-2000 年间 Intel 产品

2003 年 AMD 发布 K8 的 Athlon 64,在历史上首次领先对手。 在高端处理器上,AMD 相继发布 Athlon 64 FX(FX-53、 FX-55、 FX-57、 FX-60)多款产品,同期 Intel第三代 P4 设计失败,性能没进步、发热量大, 使得 AMD 取得领先优势。 2005 年 AMD发布双核 Athlon 64 X2,挑战 Intel 的“假”双核 Pentium D(由两颗 Pentium 4 共享FSB 组成)。 2003-2006 年是 AMD 最辉煌的时候, 这也是 Intel 最难熬的几年。


Intel 和 AMD 的“真假双核”之争

1995-2006 年间 AMD 产品

从市场份额和股价来看 AMD 的巅峰期。 从市场份额来看, Intel 一直霸占 CPU 市场,但在 2003-2006 年间出现市场份额下滑,甚至到 2006 年, AMD 已占据一半的市场份额。同时我们从公司股价来看 2006 年也是公司历史上市值的另一个巅峰期(除去互联网泡沫时期)。


2006 年 AMD 市占率达到 50%,为历史较高


2006 年 AMD 股价也达到辉煌期(单位: 美元)

2006-2016: Intel 霸主地位无人撼动
Intel 提出 Tick-Tock 战略,即 2 年一次的工艺制程进步,正式基于这个策略 2006年后 Intel 逆转了局面。 Intel 在 2006 年发布 Core 2, 采用的是 65nm 工艺,使得效能增长 40%,同时功耗减少 40%。这让 AMD 的 Athlon 优势全无, 性能上的竞争力重新回到Intel(直到今天),高端双核市场由 Intel 重新主导。虽然 AMD 发布了四核 Phenom,但是因为性能不足,敌不过 Intel。同时,在 2006 年 AMD 以 54 亿美元收购显卡巨头 ATI,CPU 和显卡双双不给力使得 AMD 在 2007 年进入低迷。

Core 2 在高端市场无人能敌, AMD 主打异构运算向平台发力。 GPU 的市场被 intel、ATI、 NVIDIA 瓜分,收购 ATI 后 AMD 拥有 CPU+芯片组+集显的产品线,可以和 Intel抗争。但是, 原本 NVIDIA 为 AMD CPU 提整合芯片组,因为 GPU 的竞争关系而成为敌人不再合作。原本 ATI 为 Intel 提供整合芯片组,也因为 CPU 的竞争关系而成为敌人。

AMD终于走过磨难时期,进入 45nm 时代,发布了新一代的 Phenom II 和 Athlon II,开始走多核路线。虽然 Phenom II 和 Athlon II 性能不足以打败 Intel 的产品,但具有多核心、性价比、整合平台等优势。 2011 年, AMD 发布“推土机”,核显部分异常强大,正是 Intel的软肋。自此, AMD 把重点放在 GPU 部分,强调异构运算,与 Intel 走上截然不同的道路。 AMD 认为 GPU 拥有优异的计算能力,异构能大力提升 CPU 的性能。

AMD 提出异构运算


AMD 提出异构运算

2017: Intel 和 AMD 的新征程、新合作
Intel 发布第八代 Core 处理器和 i9。Intel 之前的低中高端产品型号分别为 i3、i5、i7,而在 2017 年发布了 i9, i9 将较高的核心线程数推至 18 核 36 线程。第八代 Core 处理器
仍采用 14nm,但性能相比于前一代提高了 30%。

2017 年 AMD 发布 Ryzen 处理器,性能出色,价格大幅低于 Intel。 Ryzen 处理器实际提升幅度高达 52%,Ryzen 在游戏行业和新兴的加密货币市场上均出现了稳定的需求,Intel 全线降价应对。正是借助于 Ryzen, AMD 在 CPU 的市场份额从 2006 年以来首次出现连续几个季度增长,股价也开始上扬。 同时 AMD 将在 2018 年第一季度末发布 Ryzen 2代,采用 12nm 工艺,具体规格将在 18 年 1 月的 CES 上公布, Ryzen 2 代将直接挑战 Intel
9 代酷睿。


Intel 和 AMD 的竞争愈加激烈

2017 重磅事件之一莫过于 Intel 和 AMD 再次合作,不过这次合作不是授权代工,而是采用 CPU+GPU 打造最强移动平台处理器。 Intel 在 2017 年 11 月 7 日发布第八代酷睿。高性能处理器 Kaby Lake-G,其中 G 代表“Graphics” , Intel 的 CPU 将和 AMD 的 GPU集成在同一基板上。 Intel 第一次采用 EMIB(EmbeddedMulti-die Interconnect Bridge)技术将 CPU 和 GPU 封装在同一基板上,利用 PCI-E 3.0 高速总线连接,可以使不同工艺的模板高速互通。

基于 Intel 之前的产品,笔记本的厚度最薄为 26mm,本次合作产品可以将厚度减小到 11-16mm。本次合作正是顺应笔记本发展的趋势,用户对笔记本的偏爱趋于超薄,显卡性能已经不是最重要的关注指标,所以笔记本独显、 CPU 的分离已经不再是趋势。 AMD 可能通过此次合作有望重返高端笔记本领域,如果本次合作顺利,两家公司可能会继续推出新的合作产品。

Intel 和 AMD 合作开发 CPU+GPU 移动给平台处理器

给国产芯片的启示

(一)指令集是国产处理器发展的一大掣肘
国产处理器基于不同的指令集。 目前已经有一些国产处理器取得了不错的成绩,但是这不是完全“自主”,因为在处理器的生态里,国产还缺乏指令集这一关键因素。目前国产处理器研发单位主要有龙芯、申威、兆芯、飞腾、宏芯以及海思、展讯等,他们所用的架构包括 X86、 ARM、 MIPS、 Power、 SPARC、 Alpha 等。自主研发指令集的一大问题是“别人不用”,可以通过 Intel 的发展史看出,市面上的计算机厂商都会寻找“兼容性”。

指令集的复杂程度决定了芯片架构的适用范围。 指令集架构包含一系列的 opcode 即操作码(机器语言),以及由特定处理器执行的基本命令,指令集按复杂程度主要分为两类:

1)ARM/MIPS/PowerPC 均是基于精简指令集;

2)X86 则是基于复杂指令集。

复杂指令集适用于高性能复杂环境,精简指令集更适合于移动端。复杂指令集架构,具有大量的机器指令,只为了高效地完成一项专门任务(比如 MMX, SSE 中的指令)。这就使得硬件的逻辑很复杂,晶体管数量庞大。为了高效地进行运算, x86 架构有较长的流水线以达到指令级并行(ILP)。 X86 兼容型微处理器经历了 40 余年的开发,已经形成了完善的产业和生态环境,从各类配套芯片、操作系统、数据库、中间件到大量丰富的应用软件应有尽有,是整个产业中最庞大、最完善、应用最广泛的处理器架构。

国产处理器架构/指令集及其技术来源

X86 架构在操作系统和应用软件生态优势无法动摇,基于其他指令集自建生态相当困难。 X86 兼容型微处理器经历了 40 余年的开发,已经形成了完善的产业和生态环境,从各类配套芯片、操作系统、数据库、中间件到大量丰富的应用软件应有尽有,是整个产业中最庞大、最完善、应用最广泛的处理器架构。 在操作系统领域, 支持 Windows、 Linux、Solaris 几乎所有操作系统, VMware 的 vSphere 也是依靠 X86 服务器平台而发展起来的。 

对于科研院所而言自主建设软件生态系统是极其困难的,所以龙芯采用的是 MIPS 的指令集。申威和飞腾是军工背景企业(申威是总参谋部第五十六研究所研发,飞腾是国防科大旗下),申威采用的是专利已经过期的 DEC ALPHA架构(AMD的 K7部分基于 Alpha)。中晟宏芯采用的是基于 IBM 的开放架构 Power。 根据与非网报道, 龙芯中科技术有限公司总裁兼龙芯总设计师胡伟武曾表示,“目前新一代龙芯在 CPU 最核心的技术微结构方面,跟国外的主要厂商终于已经基本持平了,差距方面仅差 5%、 10%左右。我们可以做世界第一 CPU,而且有,但关键就是没法用,用户不用你” (来源: 中国集成电路设计业 2016年会暨长沙集成电路产业创新发展高峰论坛,胡伟武做此发言。来源为 2016-10-16 与非网。 ) 。 目前, 国产 CPU 产业配套滞后于产品技术需求、生态环境薄弱且成熟缓慢,成为制约国产芯片大规模商业化的较大难题。

(二)参照 Intel 和 AMD,合作是第一步
参照处理器的发展历史, AMD 第一次腾飞始于和 Intel 的合作,先是合作再有了自主研发的赶超, AMD 和中科曙光的合作值得期待。 2016 年 AMD 和天津海光设立合资公司共同生产 x86 处理器, AMD 将提供 x86 芯片技术许可和必要的技术支持。作为回报, AMD未来几年预计可获得 2.93 亿美元许可费和版税收入。 而根据美国媒体报道, AMD 发言人称,中国的协议不违反交叉许可协议,因为合资公司所有权结构不同,而且转让给中国的所有信息都符合美国出口法规。 目前 X86 由 Intel 拥有,和 AMD 和 VIA 有交叉授权,考虑到AMD无法授权X86指令集技术,此次授权的应该是 AMD自主设计的X86 CPU架构。

AMD 与天津海光合资企业股权结构

处理器的每一段竞争都是技术引领,中科曙光的核心人才领军到位,龙芯经验积累,是全国先进微处理器国家实验室。 根据产业调研, 中科曙光在人才储备和研发平台搭建方面已经有实质性动作,证明对 AMD 芯片技术具备承接能力。人才队伍方面,曙光董事长李国杰为国内计算机领域泰斗, 1999 年至 2011 年曾任中国科学院计算技术研究所所长, 1995 年当选中国工程院院士。曾领导计算所研制成功龙芯高性能通用 CPU,对结构及产业生态理解深入。 2017 年初公司获批筹建先进微处理器技术国家工程实验室,成为事实上举国之力突破 X86 芯片领军。

去 IOE 实现基础硬件自主可控,最难点在于实现核心芯片的自主可控。 2017H1 英特尔数据中心部门营收达到 86.04 亿美元,整体毛利率高达 61.72%。而由于服务器芯片占服务器成本较高,国产服务器核心芯片技术受制于人,拖累整体毛利率,公司 2017H1 整体毛利率仅为 20%,其中服务器产品毛利率仅为 13%。

牵手 AMD, X86 服务器自主可控加速。 AMD 在 FY2017Q1 季报中披露,与公司参股子公司天津海光成立合资子公司将高性能服务器核心处理器技术和 SoC 技术授予合资子公司。英特尔的 Skylake 芯片在高端服务器芯片市场占据了决定领先地位,但是 2017Q1AMD 新推出的 Zen 服务器芯片在性能上不逊于 Skylake。过去三个季度, Zen 服务器销售表现靓丽。近期曙光开始在昆山建厂,计划 100 万台的安全可控服务器,推测 X86 国产化将大概率成功。

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