国产芯片现状与发展趋势

作者 | 中国网安

1、引言

 “数字化”是当今社会最先进和最具穿透力的生产力，芯片是一个国家科技的心脏。在十四五规划中，提出“加快数字化发展建设数字中国”战略，明确加强关键数字技术创新应用，聚焦高端芯片领域，加快推进基础理论、基础算法、装备材料等研发突破与迭代应用。

当前芯片对外依存度高，2019年，工信部对全国30多家大型企业130多种关键基础材料调研结果显示，绝大多数计算机和服务器通用处理器95%的高端专用芯片、70%以上智能终端处理器以及绝大多数存储芯片依赖进口。在集成电路设计环节，我国已经拥有华为海思、龙芯等一批达到世界先进水平的龙头企业，但在14nm及以下节点的芯片制程，设备、材料、EDA/IP、制造等上游核心环节与国外领先领头差距巨大，目前仍采用“外循环为主+内循环为辅”的模式，急需补齐短板。

2、中国芯片头部企业逐步形成

目前我国国产芯片技术研发已进入多技术路线同步推进的高速发展阶段，主要参与者包括龙芯、兆芯、飞腾、海光、申威和华为,形成了以X86、MIPS、ARM、ALPHA等架构为代表的系列化处理器产品。

( 一 ) 龙芯

龙芯在我国最早开始研制高性能通用处理器，于2001年在中科院计算所开始研发，得到了中科院、863、973、核高基等项目大力支持，完成了十年的核心技术积累。

龙芯采用自主的核心IP，包括CPU核、内存控制器、DDR2/3/4的PHY、互连网络、HT控制器、HT PHY等，只有少量的外围IP使用商用IP。

龙芯CPU已经在各领域的取得了不错的发展，除了在党政办公为代表的行业信息化中得到应用，在网络安全通信领域，龙芯用于防火墙、交换机、网闸、路由器、各类数据通讯终端等产品，在工控互联网领域，龙芯也用在PLC、DTU、FSU、交通灯、工控终端等产品中。龙芯在关键工业领域可以替代ARM、PowerPC和Intel的处理器。

主要产品包括面向行业应用的“龙芯1号”小CPU、面向工控和终端类应用的“龙芯2号”中CPU、以及面向桌面与服务器类应用的“龙芯3号”大CPU。龙芯3号64位多核系列处理器, 主要面向桌面和服务器等领域，从2009年底推出我国首款商用四核处理器龙芯3A1000，到2019第三代处理器产品3A4000/3B4000成功推出，产品持续更新。

( 二 ) 申威

申威是目前Alpha阵营中仅存的硕果，拥有自主扩展指令和发展路线的自主权。申威从2003年启动研发，2006年第一代申威处理器研发成功，至此我国成为世界上第三个可以做超算处理器的国家。其中搭载40960块申威26010的“神威·太湖之光”超级计算机系统，成为世界上首台运算速度超过十亿亿次的超级计算机。申威拥有自主的知识产权和技术，现已形成申威高性能计算处理器、服务器/桌面处理器、嵌入式处理器三个系列的国产处理器产品线，以及申威国产I/O套片产品线。

( 三 ) 飞腾

飞腾CPU产品具有谱系全、性能高、生态完善、自主化程度高等特点，目前主要包括高性能服务器CPU（腾云S系列）、高效能桌面CPU（腾锐D系列）和高端嵌入式CPU（腾珑E系列）三大系列，为从端到云的各型设备提供核心算力支撑。基于飞腾CPU的产品覆盖多种类型的终端（台式机、一体机、便携机、瘦客户机等）、服务器和工业控制嵌入式产品等，在国内政务办公、云计算、大数据以及金融、能源和轨道交通等行业信息系统领域已实现批量应用。同时，飞腾与国内伙伴单位展开合作，形成了基于飞腾平台的云计算全栈、边缘计算全栈、终端全栈、嵌入式全栈生态。

( 四 ) 兆芯

兆芯同时掌握中央处理器、图形处理器、芯片组三大核心技术，具备相关IP自主设计研发的能力，已成功研发并量产多款通用处理器产品，并形成PC/嵌入式处理器“开先”、服务器处理器“开胜”两大系列，作为国内率先实现主频3.0GHz关键突破的国产通用处理器，产品性能不断提升，达到国际主流同等水平。

( 五 ) 华为

华为麒麟芯片见证华为手机的发展史，最新的芯片为麒麟9000和麒麟990系列芯片。麒麟9000 5G SoC芯片，拥有业界最领先的5nm制程工艺和架构设计，最高集成150多亿晶体管，是手机工艺最先进、晶体管数最多、集成度最高和性能最全面的5G SoC。麒麟990 5G 采用7nm+ EUV工艺制程，首次将5G Modem集成到SoC上，板级面积相比业界其他方案小36%。这是世界上第一款晶体管数量超过100亿的移动终端芯片，达到103亿个晶体管。但在美国技术制裁的大环境下，面临着无芯片可用的情况。

3、外部环境持续恶化

近年来，美国屡次通过商务部实体清单制度对中国企业施压，实施制裁或者禁运，遏制中国科技的发展，其中对中国芯片相关厂商的制裁尤其明显。

2019年5月，将华为及其70家下属研究机构及关联企业列入其所谓的“实体清单”。并表示今后如果没有美国政府的批准，华为将无法向美国企业购买元器件。一年之后，2020年5月15日，美国进一步提高限制规则，即使芯片本身不是美国开发设计，但只要使用了美国芯片制造设备，就必须获得美国政府的许可，才能向华为或其附属公司提供芯片。华为继续获取某些芯片或使用某些美国软件或技术相关的半导体设计，也需获得美国的许可。半导体代工企业巨头台积电董事长刘德音表示，5月15日后未再接华为的新订单，9月14日后将不会向华为供货。除台积电外，三星、英特尔、联发科、高通、中芯、海力士等全球主要芯片生产企业，都陆续宣布9月15日之后将不再为华为提供芯片服务。华为高端芯片面临无法生产的情况。

美国对国产芯片厂商的制裁不仅仅是华为一家，2019年6月，美国将中科曙光、海光（Higon）、成都海光集成电路、成都海光微电子技术列入“实体清单”，禁止在未经美国官方批准的情况下购买美国零部件，之后，AMD表示最新的架构不再进行授权。前不久，2021年4月8日，天津飞腾也被美国商务部列入“实体清单”，台积电第一时间启动盘点机制，清点出飞腾等公司通过IC设计企业下单的产能，全面停止有疑虑客户的订单，以符合所谓的美国法规。

更为严重的是，芯片制造企业也在“实体清单”之中，在2020年12月，美国商务部正式宣布将中芯国际及其子公司列入实体清单，美国出口商必须向美国政府申请许可证才能继续向中芯国际供货。针对生产先进工艺节点（10纳米及以下芯片）半导体产品所需物品的出口，美国政府将优先采取“推定拒绝”政策，即原则上不批准出口许可。中芯国际在先进技术节点（10纳米或以下）生产半导体面临全面封禁，这无疑对中芯国际未来开发7nm工艺，乃至更为先进的5nm工艺设置了绝大的障碍。

可以预见的是，美国对我们芯片行业的制裁不会停手，会向全方面和高强度方向发展。这就需要我国芯片从业者，保持清醒的认识，沉下心来研究，突破美国的科技封锁。

4、积极应对技术封锁

面对美国对我国芯片行业的全面技术封锁，为了不再“卡脖子”、“受制于人”，国家及省市陆续出台政策推动国产芯片技术攻关和产业发展。2020年9月，多部委联合发布《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》，提出加快关键芯片技术攻关，大力推动重点工程和重大项目建设。2020年6月，福建省发布《2020年数字福建工作要点的通知》，实施数字技术攻关专项。重点推进高端芯片、核心器件等核心关键共性技术攻关，推动一批优秀科技成功转换与产业化。2020年2月，广东省发布《关于印发广东省加快半导体集成电路产业发展若干意见的通知》，提出到2025年，高端通用芯片设计能力明显提升，芯片设计水平整体进入国际先进行列。

国内芯片相关厂商应紧紧抓住国家支持信创产业，推进高端芯片技术攻关的机遇，敢于“亮剑”，大力发展半导体产业，全面突破包括EDA的设计，材料、生产制造、工艺、设计能力、制造、封装封测等环节，使芯片制造不再受制于人。同时也要“耐着性子”，沉下心来持续攻关。芯片产业门槛高，研发投入大、周期长，芯片产业的发展也不会一蹴而就，对此，龙芯总设计师胡伟武在近日接受新华社采访时，告诫业界人士：发展核心技术不要幻想“弯道超车”，像芯片这样的高复杂系统能力建设需要以30年为周期。我们必须沉下心来致力于科学探索，实施好关键核心技术攻关工程，以“十年磨一剑”的精神在芯片领域实现重大突破。最后，发展芯片产业不能急功近利，我国产业和企业层面对芯片领域的推进眼光更长远、更有规划性。各城市应在国家统筹协调下，发挥各自特色优势，在设计、制造、封测、设备、材料、应用等芯片各环节形成协调发展的格局，避免一窝蜂扎堆上项目而形成投资效率低下、低端产能过剩的风险。

值得一提的是，在芯片领域，好消息接踵而至，着实令人振奋，4月6日，国内半导体企业中微宣布中微研发的离子体刻蚀设备，已经被国际一线客户应用在65nm至5nm等芯片生产环节中，其中，中微研发的12英寸刻蚀设备，更是被合作客户纳入5nm及以下芯片核心部件的加工工序中。近日，天数智芯官方公布信息，旗下自研的7nm芯片BI以及产品卡都取得了重大技术突破，让国内GPU芯片也可以达到7nm工艺制程的高性能水准，这也是国内第一款能够达到7nm工艺水准的高性能GPU芯片，目前这款芯片已经正式进入到了批量量产、商用交付阶段，该芯片内部集成了32GBHBM2内存，存储带宽为1.2TB，每秒的算力突破147万亿次，GPU芯片算力达到了全球最顶尖水准。

5、加大国产芯片应用，安全厂商先人一步

当前随着工业信息化建设不断发展及“两化”进程不断深入，工业控制系统面临的安全威胁正在急剧增加，为工业控制系统保驾护航的安全产品需要首先确保自身的安全，不能被“卡脖子”而“受制于人”，因此采用国产芯片成为必行的措施。

值得欣慰的是，国内安全厂商早已认识采用国产芯片的重要性，并已开展国产芯片的适配工作，研制出了相关的产品。如神州慧安，从2014年开始基于龙芯的自主可控产品移植工作，当前已经建立基于龙芯的安全可靠+自主可控的工业安全体系，并完成飞腾和申威平台论证工作。奇安信网神防火墙，就是基于飞腾、兆芯等高性能处理器，搭载银河麒麟、中标麒麟等高可靠操作系统的具有信创特色的防火墙。绿盟科技基于在兆芯、飞腾、申威等硬件平台及中标麒麟、银河麒麟、统信操作系统基础构筑绿盟NF防火墙。中国电子科技网安信息安全有限公司在2018年完成基于龙芯的工业防火墙研制，并已发布相关产品。

6、结语

面对国外针对国产芯片行业的技术封锁，我们不抱任何幻想，从政府政策引导、芯片企业技术攻关，到产品适配应用，集全社会全行业的力量，全面突破芯片设计、芯片制造和封装测试等环节，构建国产芯片全自主可控产业链。让我们“撸起袖子加油干”不惧威胁，“耐着性子坚持干”沉着应战，引来国产芯片打破封锁的那一天。

原文来源：网络安全应急技术国家工程实验室

本文始发于微信公众号（关键基础设施安全应急响应中心）：国产芯片现状与发展趋势