國運之爭：萬字深剖國產PC晶元到底差在哪？

摘要：部分核心功能的國產化替代基本可實現，國產晶元整體差距和進口品牌還相當巨大

撰文|李實（槓桿遊戲的朋友重磅來稿）

前言：近期，中興公司被美國禁運的消息傳得沸沸揚揚。雖然這起事件本質上還是國與國之間的外交爭奪、技術爭奪以及由中興公司在美國的商務行為中的一些不當之處所引發。但是中興公司被禁運後可能面臨的破產倒閉等問題，卻給國內不少企業敲響了警鐘。

高科技產業始終是一個國家綜合國力和技術實力最好的證明，尤其是集萬千寵愛於一身的晶元行業，更是重中之重。

藉由中興禁運事件，我們不禁展開了聯想：在大家日常使用的PC晶元上，國產化做得如何？有哪些可以國產、哪些不可以國產？假如面對全面禁運，國產的晶元、系統能夠頂替外國產品嗎？

貿易是人類社會最重要的組成部分之一，現代社會幾乎一切事物都和貿易有關。本次中興禁運案後，國內無論是媒體還是產業界、投資界，都對國產晶元充滿了憂慮，認為部分國產無法生產的設備和產品，有可能成為國家對決的籌碼，甚至使得國內的產業發展受阻。

從理論上來說，由於貿易的雙向性，貿易禁運和貿易制裁是否能有效的阻礙技術的流動或者產業的發展（或者起反作用，尤其是對大國），一直以來都存在一些爭議，甚至不同行業都存在不同的做法。

但毫無疑問的是，作為普通的消費者，貿易禁運和貿易制裁帶來的短期效應，是非常明顯的。

當然，這個「短期」，是指在國際競爭數十年乃至上百年周期中的「短期」，具體到每個人或每個產業，可能有數年或者數十年的時間。即便如此，已經足夠改變個人職業選擇或者產業的發展形態了。

藉由中興禁運案，本文不得不思索一種可能：如果在某種情況下，目前對全球產業都至關重要的個人電腦產品，爆發了針對我國的禁運案，我國是否有能力以任何手段尋找到替代產品，從實現個人電腦的全面國產化替代？下面試分析一下這種情況。

1、個人電腦產品使用進口晶元的情況

個人電腦產品大家已經很熟悉了。一台完整的PC（無論是台式機還是筆記本電腦），一般常見的配件和其中重要的功能晶元包括下列產品：

圖1.典型的處理器晶元照片 圖片來源|網路

1.中央處理器：CPU晶元

2.內存：DRAM晶元

3.主板：南橋晶元、音頻晶元、網路晶元（包含無線網路晶元）、電源管理晶元、USB晶元、SATA晶元、其它功能晶元等

4.顯卡：GPU晶元、DRAM晶元、視頻晶元、電源管理晶元等

5.硬碟或SSD：硬碟控制晶元、硬碟碟片、NAND FLASH晶元、DRAM晶元、電源管理晶元等

6.機箱或外殼：部分數據傳輸介面控制晶元、風扇或者燈具控制晶元

7.顯示器：屏幕、屏幕驅動晶元、電源管理晶元等

8.外設：滑鼠和鍵盤控制晶元等

上面列出的八大類產品，是PC中比較重要的晶元類產品。其中最昂貴的包括CPU、GPU等、便宜的也有諸如音頻晶元和網路晶元等。

另外還有一些體積較小，不太被人關注的產品諸如MOSFET、陶瓷電容、小尺寸電感、電阻等，本文暫不討論（雖然這些產品有一部分也主要依靠進口），只關注和晶元類相關產品。

由於整個PC市場的情況很複雜，廠商、品牌和產品型號都很多，因此本文無法提供具體到精確數據的進口比例，只能進行一些有限的估計。

因此，本文用不同的進口等級來區分描述進口情況：

1.全進口或絕大部分進口：指超過90%甚至100%採用進口產品

2.大部分進口：指部分產品可能使用國產晶元，當然不同領域情況不同，可看做超過75%進口，國產晶元佔據部分市場份額

3.可國產：國產晶元佔據了超過30%市場份額甚至更高

從現有情況來看，目前國內市場的上述八類產品需要進口的情況包括（我國台灣省研發製造的晶元也暫計算入進口產品中）：

圖2.很多人不熟悉GPU（也就是顯卡的晶元），認為是玩遊戲的，實際上它和目前最熱門的人工智慧、大規模並行計算等息息相關

全進口或絕大部分進口：

1.中央處理器：以英特爾和AMD為主，全進口

2.內存：目前市場上以三星、海力士、美光、南亞等品牌為主，全進口

3.主板：主板晶元由AMD和英特爾壟斷，全進口。主板和其餘設備的電源管理晶元、USB控制器晶元、SATA晶元等絕大部分進口

4.顯卡：被AMD和英偉達壟斷，全進口。DRAM情況和內存相同

5.HDD或SSD：HDD的碟片和控制晶元部分被WD和ST、HGST等廠商壟斷，全進口。SSD的NAND顆粒被三星、英特爾、美光等廠商壟斷，全進口

6.顯示器：驅動晶元幾乎全進口

大部分進口：

SSD控制晶元小部分可國產，但是大部分進口。另外還有一些不太引人注意的晶元，比如電源PWM晶元，偶有使用國產品牌的；藍牙、WiFi等通訊控制晶元也有國產品牌介入。

可國產：

滑鼠的控制晶元可國產，但進口佔據高端。

顯示器面板國產已經非常成熟，且佔領了超過30%市場份額。

音頻晶元方面實際國產已經比較成熟，但是在主板上由於主流的瑞昱等廠商價格低廉且成熟，因此國產晶元沒有將重點放在這個市場上，在這裡也算作可國產。

2、不用進口行不行？PC晶元的國產化替代情況研究

經過上文的分析，我們可以看到，一款個人電腦中絕大部分產品都使用了進口晶元，甚至諸如CPU、GPU這樣的產品更是獨此二家別無分店。

那麼，這些產品就真的一點國產化替代的可能都沒有嗎？是不是離開進口晶元，我們就無法上網、無法用電腦辦公、無法玩遊戲了？

在解答這個問題之前，需要先定義「國產化替代」本身的含義。可能有的讀者認為，國產化替代就是國內出現第三家或者第四家廠商，代替英特爾、AMD、三星這類核心廠商的市場地位，採用與其類似的產品研發發布方式來推出新品，實現和英特爾、AMD這類世界級廠商的全面競爭。

從目前我國的情況來看，出現這類核心晶元廠商的可能性微乎其微，無論是技術儲備還是產業鏈情況以及市場接受度、知識產權等都幾乎不具備實現條件。

鑒於這樣的情況，「國產化替代」不太可能利用國產化晶元對進口產品實現對進口產品的全面競爭、全面替代，反而是更偏向於 「核心功能的國產化替代」，也就是先解決關鍵的有無、是否能用的問題，再伺機解決市場化問題。

那麼，什麼是「核心功能的國產化替代」呢？舉個例子，我們每天使用電腦，都是打開Windows後，根據需要選擇合適的應用程序。

實際上這些應用大部分在手機或者平板電腦上都存在，除了大型3D遊戲、需要高性能硬體支持的軟體暫時還無法出現在移動端外，其餘的大部分功能，移動平台都對PC平台實現了「功能性替代」——也就是說不管實現路徑如何、性能是否足夠強悍，在最終的使用結果上，只要能夠滿足類似的功能需求就可以了。

因此，對PC而言，實現「核心功能的國產化替代」要更現實一些，當然PC上使用的X86架構等基本的內容國產化產品考慮到兼容性問題只有全盤繼承，這一點上暫時沒有什麼更好的方法了。

那麼，目前「核心功能的國產化替代」又發展的如何呢？我們一項一項來看：

中央處理器：天津海光和上海兆芯正在努力。

中央處理器部分可能是國產最接近全面替代的產品了。國內目前有兩家廠商在基於X86架構，通過引進技術和授權，希望實現國產X86處理器的設計和生產。這兩家廠商分別是天津海光和上海兆芯。

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圖3.AMD將自己的X86架構的部分內容賣給了天津海光，但是具體情況不詳

先來看天津海光。天津海光全稱是天津海光先進技術投資有限公司，簡稱THATIC，隸屬於中科院旗下的中科曙光。

天津海光通過和AMD合作，以2.93億美元的代價獲得了AMD有關X86的架構授權。AMD預計將和海光成立合資公司，專門研發和生產面向中國市場的伺服器處理器。

根據相關消息披露，AMD在本次合作中不實際出資，而是以知識產權占股，並且未來產品實際生產出貨後，AMD將會以版稅的方式，向每一顆處理器收取相應的授權金。

在技術方面，目前雙方公布的消息不是很多，但是有傳言稱AMD向天津海光授權了最新的Zen架構，天津海光將以Zen架構為基礎，打造國產伺服器用的X86處理器。

從天津海光的情況來看，雖然花費巨資和AMD的合作獲得了全新的Zen架構，但實際上國內科研人員的研發技術實力有限。

圖4.說實話，AMD現在雖然市值萎縮，比各大房地產公司遠遠不如，但是其技術還是很牛逼的，Zen架構在全球都是獨一無二的，除了英特爾，也沒誰能和AMD正面杠了

面對Zen架構這種全球頂尖的CPU架構，即使全部拿到源代碼和相關原始數據，是否能夠全部解讀並且消化吸收、需要花費多久時間才能轉化應用是值得考量的一個重要因素。

另外，由於合作內容沒有披露，AMD是否允許天津海光接觸最核心的微架構部分，是否允許天津海光基於AMD自己的知識產權進行二次開發，是否允許天津海光未來向民用市場銷售給予AMD知識產權的相關產品，都還不是很清楚。

不過根據目前的協議來看，天津海光的產品將主要面向伺服器市場，依託中科曙光以及曙光在伺服器市場上的優勢，實現部分關鍵伺服器產品國產化。

說完了天津海光，再來看看上海兆芯。和天津海光X86技術獲取和AMD合作不同的是，兆芯的技術來源是我國台灣省的廠商威盛。

圖5.兆芯的處理器，是目前最接近民用的國產X86處理器產品

威盛早年間和英特爾以交叉授權的方式獲得了X86架構授權，一度也自己推出過數款處理器產品，但後期由於運營和技術開發難度等問題，威盛目前基本上退出了X86處理器的市場，但是依舊手持知識產權。

國內早在十一五、和十二五「核高基」相關規劃中，就提出要有自己自主可控的處理器產品，但是一直以來沒有很大的突破，主要原因就是知識產權無法獲得。

在這種情況下，2013年，上海聯和投資也就是上海國資委下屬投資企業通過和威盛接觸，決定出資2億美元占股80%，威盛出資4975萬美元占股20%，雙方共同成立上海兆芯，實現國產X86處理器的研發。

上海兆芯目前已經推出了數代產品，外界可以看到實際運行的產品包括ZX-A、ZX-C系列、ZX-D系列等，以及最新發布的KH-2000系列和KX-5000系列等。

根據兆芯的內部文件顯示，兆芯內部迭代已經有五代之多，經過數次迭代和快速推進，最新的28nm工藝的KX-5000系列的四核心產品已經可以和英特爾雙核心Core i3處理器性能相提並論，並且集成了DirectX11.1的顯示核心，支持虛擬化技術、支持雙通道DDR4內存、支持4K顯示輸出、支持數據保護技術和加密演算法、支持SSE4.2和AVX等新技術。

圖6.無論再怎麼樣，兆芯可以支持Windows，這就使得其具有了市場化的基礎

晶元組方面也有相關產品搭配，能夠實現對PCI-E 3.0、USB 3.0、SATA等主流介面的支持，在發布會上正常安裝Windows和相關應用軟體，全程運行沒有任何異常。

另外，除了處理器本身之外，兆芯在和VIA合作的時候，還獲得了來自S3 Grapic的相關圖形技術，這才有了兆芯的高集成度和對圖形技術的支持。

雖然從產品性能本身來看，即使是兆芯最新的八核心系列產品和英特爾普通的四物理核心的Core i3還存在差距，但是兆芯出現的意義在於，國內廠商有希望在國內全產業鏈支持下，實現對國外處理器產品的「核心功能的國產化替代」。

尤其是對軍隊、政府、國家安全等機密部門而言，國產處理器知根知底，不存在後門，即使性能稍差，但是滿足基本辦公和文字需求也已經足夠，畢竟國產處理器目前的應用範圍沒有高性能計算、大型3D遊戲的需求，辦公和信息處理才是兆芯的主戰場。

圖形處理器：長沙景嘉微剛起步。

在中央處理器之外，圖形處理器也就是GPU是另外一個技術難點。如果說CPU還有幾家廠商有授權或者有廠商願意合作，在GPU方面則是舉步維艱。

目前全球大型GPU的技術掌握在AMD和英偉達兩家廠商手中，從多年發展來看，AMD和英偉達不但自己研發產品，還形成了對視覺計算和AI計算產業的標準的制定和發展方向的引領，已經形成了絕對優勢和全面控制的態勢。

在這種情況下，除了前文提到的獲取了S3授權的上海兆芯外，國內還有另外一家廠商通過自主研發推出了GPU，雖然性能甚至還還比不上AMD的集成APU，但是至少解決了有無問題，這就是長沙景嘉微電子。

長沙景嘉微電子成立時間是2006年，是一所軍民融合深度發展的高新技術企業，旗下主要產品包括GPU、無線通訊、小型雷達和存儲記錄等。

圖7.長沙景嘉微的GPU產品，這是初代的JM5400

景嘉微電子推出過2款GPU產品，其中首款產品JM5400流片於2014年5月，採用65nm工藝製造，支持PCI介面，顯存為32bit位寬、1GB容量，像素填充能力為2.2G Pixel/s，其基本性能相當於GeForce 2時代，主要用於機載、艦載和車載環境下的圖形生成，用於特殊場景下的國外晶元替代。雖然JM5400性能比較弱，但是在特殊場合下解決了有無問題，還是得到了國內敏感用戶的青睞。

在2018年，景嘉微又推出了新的產品JM7000，工藝改用了28nm，像素填充能力達到了6G Pixel/s，相比之前的產品大幅度進步，其像素填充率數據已經和GeFroce 6800這樣的產品相當，除了可以在傳統的敏感環境下使用外，還有希望在部分台式計算機和筆記本電腦中搭載。

從技術角度來看，長沙景嘉微的產品甚至不如中檔手機的GPU性能，但考慮其主要面向的是敏感客戶，支持的規範也是OpenGL，因此只能說具有一定的GPU研發能力，距離世界先進水平有大約10~15年的性能差距。

圖8.第二代的JM7000在官網也有資料列出

除了GPU本身的圖形能力外，目前GPU在通用計算和深度學習加速方面有著不錯的效果，其計算優勢主要建立在超大規模並行架構之上。

有關超大規模並行架構處理器的研發，國內的優勢還是比較明顯的，神威太湖之光上的申威26010眾核處理器單片包含了260個計算核心，能夠以每秒3萬億次的速度實現大規模並行計算，在國際上都居於領先地位。

圖9.全自主的神威太湖之光，代表了未來超算的方向，也是全國內自主研發

另外，在AI計算最為關注的深度學習計算能力方面，國內廠商包括寒武紀、深鑒科技、地平線科技、阿里巴巴、百度等企業都紛紛介入其中並推出了相當不錯的產品。

並且，從國際技術發展的角度來看，在GPU上同時兼容深度學習計算、通用並行計算和傳統圖形計算已經不再是主流方向，GPU未來還是會以圖形計算、視覺計算為主，而深度學習計算、通用並行計算等則會交由專用的並行架構完成，兩者在架構上存在一定關聯性，但各自有側重性。

因此，在GPU可實現的功能方面，國產產品已經基本可以通用計算和AI計算部分的「核心功能的國產化替代」，只有圖形計算部分尚需進口產品補充。

除了長沙景嘉微和前面提到的上海兆芯在國內擁有GPU研發能力外，國產GPU的另一束曙光來自於被中資背景收購的imagination旗下的PowerVR系列圖形架構。

從歷史角度來看，imagination在和ATI以及英偉達的競爭中失敗才轉向移動市場，但這並不說明其PowerVR架構沒有開發潛力，相反，PowerVR架構在技術特性和性能表現尤其是能耗比表現上都非常出色，如果可以順利引進吸收並完成國產化，將是國產圖形加速設備的重大突破。

有關這一點，還需要看未來產品和市場的變化了。

存儲晶元：武漢長江、合肥長鑫、福建晉華。

存儲晶元主要包括在內存、顯存中使用的DRAM架構的DDR、GDDR顆粒和在SSD中使用的NAND Flash顆粒。

之前這類產品主要被三星、英特爾、美光、海力士等國外企業把控，不過目前國內已經在武漢、合肥和福建晉江簡歷了存儲產業基地，希望實現存儲技術的全面國產突破。

武漢長江存儲是國家集成電路產業投資基金股份有限公司和湖北省地方企業，包括湖北國芯產業投資基金合夥企業（有限合夥）和湖北省科技投資集團有限公司等，共同出資組建的存儲晶元生產企業，投資規模在240億美元左右，2020年會形成月產30萬片晶元的規模。

圖10.長江存儲堪稱武漢近年來最大的投資項目，奠定了武漢作為國產重要晶元生產基地的地位

武漢長江存儲主要的產品包括DRAM和NAND Flash製造。最新的消息顯示，長江存儲已經開始試產32層堆疊的NAND顆粒和DDR3 DRAM，未來還將進一步拓展至64層堆疊的NAND顆粒和DDR4 DRAM，這是國產存儲晶元中最重要的一支「國家隊」，對打破存儲晶元的外界壟斷有著重大意義。

除了武漢長江存儲外，合肥長鑫也是近年來開工的國產存儲晶元廠商。合肥長鑫定位生產DRAM晶元，技術來源可能和海力士以及我國台灣省華亞科有關。

合肥長鑫存儲已經在2016年開工設計有關12寸晶圓廠的相關項目，總投資為67億元，隨後的2017年5月，合肥市政府宣布支持合肥長鑫，總投資超過72億美元，主要建設12英寸晶圓廠一座，月達產產能估計為12.5萬片。

圖11.合肥長鑫的技術來源和資金來源在業內曾引起爭議，但這並不影響長鑫存儲順利建設

第三家國內存儲晶元廠商福建晉華和我國台灣省的企業台聯電有關，廠址位於福建晉江，投資人是福建晉華集成電路公司和台聯電，總投資額為53億美元。台聯電是僅次於台積電的台灣第二代晶圓代工企業，不過近年來在技術投入和產業發展上比較緩慢，因此被台積電徹底蓋過了風頭。

這次台聯電轉戰大陸，和福建企業合資生產DRAM，應該也是看中了大陸廣大的市場。福建晉華的晶圓廠已經在2017年11月封頂，預計在2018年下半年就可以開始試生產，初期使用32nm工藝、12寸晶元試產DRAM顆粒，月產能約為6萬片。

圖12.福建晉華的晶圓廠已基本完工，正在設備調試，年底就可以試生產DRAM顆粒

除了上述DRAM和NAND Flash廠商外，存儲控制晶元方面，國內也湧現出多家自主研發設計廠商，包括國科微電子、億芯科技、瑞耐斯等，其中不乏有跟蹤國際最先進水平，推出PCI-E介面、支持NVMe技術、支持伺服器級別安全和穩定要求的產品，並且已經成功流片上市。

在存儲控制晶元方面，國內目前研發還是小有成就。不過整個存儲市場還處於發展波動之中，需要進一步觀察。

另外，在HDD方面，由於HDD本身技術已經進入穩定期，整個產業鏈都被數家國外廠商牢固控制，因此目前國內企業沒有涉足，之前國產硬碟廠商諸如長城科技旗下的易拓被外資入股後已經改變了發展戰略。

考慮到NAND Flash未來在很大程度上將替代HDD的市場，短期內國產不涉及HDD行業也是可以理解的。

其他晶元：國內廠商有一定建樹。

除了上述的幾類重要的晶元外，在其他類型的晶元方面，國內廠商只能說有一定建樹。其中主板晶元主要是由CPU廠商提供，目前天津海光的具體產品不詳，暫無消息，同期上海兆芯則搭配產品推出了相關的晶元組，支持目前最主流的USB 3.0、PCI-E 3.0以及SATA、千兆網卡等功能比較齊全。

其他晶元方面，音頻晶元前文已經提及，市場目前基本被台灣瑞昱科技和威盛佔據，但實際上國產音頻晶元並不差，包括珠海炬力、瑞芯微、凌陽等廠商，都有能力推出完整的國產音頻編解碼晶元。

網卡晶元方面，在諸如藍牙、WiFi晶元方面，國產不少廠商推出過相關產品，已經不再是什麼難題，高端一些的萬兆網卡晶元國產也已經有產品推出。

顯示驅動晶元目前基本全部依靠進口，但近期也有消息稱國產廠商有一定突破，相信短期內國產廠商就可以介入這個領域，實現國產替代。

3、任重道遠：部分核心功能的國產化替代基本可實現

綜合本文分析可以看出，國產晶元唯二的亮點在於商用和特殊場合的AI計算和並行計算方面，實際上和國際水平已經非常接近了，但是在面向民用的CPU、部分功能晶元方面還差距較大。

其中差距最大的就是GPU晶元，國產產品落後較多，主流3D遊戲幾乎不太可能在國產GPU晶元上流暢運行。

另外，存儲晶元有望在3年內實現突破，DRAM和NAND晶元都有可能國產化，加上存儲控制晶元已有一定基礎，因此存儲部分也能夠實現國產替代。

試想一下，假如有一天無法購買進口PC晶元，那麼在國產存儲晶元突破後，國產的PC晶元搭建的電腦，還是可以運行Windows、進行諸如網路瀏覽、音樂播放、視頻播放、高清影像等常見操作。

個人電腦的部分核心功能的國產化替代是基本可以實現的，但是玩主流3D遊戲、進行3D圖形處理等將會受制於GPU技術落後，受到較大制約。

比如國產兆芯八核心處理器產品的CPU性能雖然沒那麼強大，但是還可以滿足基本需求。進一步搭配特殊加速晶元的話，在專業場合深度學習計算和並行計算也能基本滿足需求，但是一些大型的生產力軟體包括PS、CAD、影音視頻編輯軟體等可能速度就比較慢了。

最後再說一些題外話。目前本文說到的晶元國產，只是指設計情況，並未提及製造。國內製造企業中比較先進的中芯國際，製程最高只掌握到28nm，更新的14/16nm等還需要等到2020年才能初步掌握，因此晶元製造方面也是一個坎。

其次，本文提及的部分核心功能的國產化替代，其實是一個非常低的要求，一般只考察最基本的功能能夠實現，並未考慮性能因素，如果提高性能要求，大量的需求將無法滿足，因此國產晶元整體差距和進口品牌還相當巨大。

晶元和軟體環境、應用市場發展息息相關，這個市場只有用的人變多，才具有發展的潛力和發展的動力，用得越多、發展的越好，越沒人用則根本不知道發展方向在哪裡，只有一味跟隨。

希望未來有一天，國產晶元能夠以合適的方式出現在生活中，第一步先讓用戶多起來，接下來再看如何優化和提高性能，逐漸走上產業發展的正途。

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