CPU con procesador de uso general con chip digital
En la actualidad, hay fabricantes de IDM en el campo IGBT y los circuitos diseñados para los chips incluyen chips analógicos, pero los chips digitales rara vez cubren toda la cadena industrial. Cada uno se centra en sus propios aspectos y coopera entre sí.
Esto se debe a que los IGBT y los chips analógicos tienen altas barreras técnicas y financieras pero ciclos de vida largos. Sin embargo, el desarrollo de chips digitales sigue la Ley de Moore. La investigación y desarrollo no solo requiere mucho capital, sino que la fundición de obleas también requiere mucho capital para comprar equipos, y las iteraciones son muy rápidas.
Después de haber configurado todos los productos de esta generación y de que salga la siguiente generación de productos, hay que seguir poniéndose al día. Esta es la parte más difícil de los chips digitales.
En pocas palabras, el principio de funcionamiento de los chips digitales es representar el "1" y el "0" de la información de datos o el "" del juicio lógico" controlando el "encendido" y el "apagado". de la corriente que fluye a través del transistor. "Sí" y "No", por lo que los circuitos digitales también se denominan circuitos de conmutación o circuitos lógicos.
Está compuesto principalmente por transistores que funcionan en estado de conmutación, por lo que el tamaño del chip digital está determinado por el número de transistores que contiene. La Ley de Moore también dice que la cantidad de transistores se duplica cada 18 meses, por lo que la cantidad de transistores juega un papel decisivo en el rendimiento de los chips digitales.
Los chips digitales incluyen siete categorías principales, a saber, circuitos lógicos, procesadores de uso general, memorias, sistemas SoC de un solo chip, microcontroladores MCU, circuitos personalizados ASIC y dispositivos lógicos programables. Analizaremos las categorías principales una por una en el futuro.
Los circuitos lógicos simples suelen consistir en circuitos de puertas, que se componen básicamente de puertas AND, puertas OR y puertas NAND. Estas series de circuitos también se conocen como circuitos lógicos combinacionales.
En teoría, una gran cantidad de chips de circuitos lógicos pueden manejar problemas de control e informática muy complejos a través de diferentes disposiciones y combinaciones.
Pero los chips actuales están altamente integrados y muchos circuitos lógicos incorporados se pueden integrar en el chip. Un chip puede implementar funciones complejas, por lo que nadie quiere utilizar una gran cantidad de chips pequeños para implementar un sistema grande.
Por lo tanto, actualmente los chips de circuitos lógicos solo se utilizan en productos electrónicos pequeños y en circuitos de conexión entre chips grandes generales en sistemas grandes.
Los procesadores de uso general generalmente se refieren a chips de CPU utilizados para servidores y computadoras de escritorio, incluidos GPU, DSP, APU, etc.
Es el chip de circuito digital más grande y complejo. Consiste en circuitos lógicos a gran escala, que incluyen sistemas completos de procesamiento de datos e información como control, almacenamiento, operación, entrada y salida. Esta vez analizaremos primero el desglose de la CPU.
01 Qué es la CPU
La CPU, también llamada unidad central de procesamiento, es el centro de operación y control de la computadora. Su función principal es completar la ejecución de las instrucciones de la computadora y el procesamiento de datos. . Por lo tanto, la CPU, la memoria y los dispositivos de entrada y salida se consideran los tres componentes principales de la computadora.
La unidad de control es el centro de control del procesador central. Cuando se emite una instrucción, la unidad de control es responsable de enviar los datos de la memoria a la unidad informática y almacenar los resultados del cálculo nuevamente en la memoria.
La unidad aritmética es la encargada de ejecutar los comandos de la unidad de control y realizar operaciones aritméticas y lógicas.
La unidad de almacenamiento es la ubicación de almacenamiento temporal de datos en la CPU, donde se almacenan los datos a procesar o completar. En comparación con la memoria, los registros pueden reducir el tiempo que le toma a la CPU acceder a los datos y también pueden reducir la cantidad de veces que la CPU accede a la memoria, lo que ayuda a aumentar la velocidad de trabajo de la CPU.
Según la longitud de las palabras de la información procesada, la CPU se puede dividir en microprocesadores de cuatro bits, microprocesadores de ocho bits, microprocesadores de 16 bits, microprocesadores de 32 bits y microprocesadores de 64 bits, etc. , el seguimiento aún se está ampliando.
Gracias al desarrollo de 5G, dispositivos portátiles, servicios en la nube y otras aplicaciones, la CPU, como parte de los circuitos integrados, sigue creciendo de manera constante en el mercado global de circuitos integrados.
China es el mercado de circuitos integrados más grande del mundo y su tasa de crecimiento es también la más rápida del mundo.
En los nueve años transcurridos entre 2012 y 2020, la tasa de crecimiento compuesta del tamaño del mercado de la industria de circuitos integrados alcanzó 16,81.
En el mercado de importación y exportación de circuitos integrados, mi país tiene un gran déficit, que sigue aumentando y hay un amplio margen para la sustitución interna.
El mercado descendente de CPU cubre servidores, computadoras de escritorio, PC móviles, teléfonos inteligentes y campos de aplicaciones emergentes como Internet de las cosas, inteligencia artificial, electrónica automotriz y dispositivos portátiles inteligentes.
En la actualidad, el desarrollo de las PC de escritorio y móviles es mediocre, los servidores se benefician de la tendencia de la nube y los teléfonos inteligentes se benefician de la ola de actualización 5G y marcan el comienzo de una ola de oportunidades cíclicas. El desarrollo a mediano y largo plazo de la industria depende de esos campos emergentes, pero los campos emergentes no son mercados totalmente incrementales para CPU, como los vehículos de nueva energía.
Actualmente, las ventas mundiales de vehículos de nuevas energías siguen creciendo y los tres grandes aspectos del automóvil (electrificación, inteligencia y electricidad) son imparables. La proporción de los costos electrónicos en los costos totales está aumentando gradualmente y hay un enorme margen de desarrollo. En 2021, se espera que el mercado mundial de chips para automóviles alcance los 44.000 millones de dólares.
Según los escenarios de aplicación, los chips informáticos de los vehículos se pueden dividir en chips de cabina inteligente, chips de conducción autónoma y chips de control de la carrocería.
Dado que una sola CPU ya no puede satisfacer las necesidades de potencia informática de los automóviles inteligentes, las soluciones SoC que integran CPU heterogéneas con chips de propósito general o especial como GPU, FPGA y ASIC se han convertido en la principal competencia entre principales fabricantes de chips de IA para potencia informática.
No sólo en los coches inteligentes, sino también en campos como el Internet de las cosas y la inteligencia artificial, las CPU tradicionales no pueden cumplir con los requisitos del mercado.
A medida que los requisitos de flexibilidad de los dispositivos IoT siguen aumentando, los chips se están desarrollando hacia un bajo consumo de energía y un alto rendimiento, destacando los MCU y los SoC.
Los chips AI comúnmente utilizados en inteligencia artificial suelen ser chips especialmente acelerados para algoritmos de inteligencia artificial, como GPU, FPGA, ASIC, chips neuromórficos, etc.
Aunque las CPU no son tan buenas como los chips de IA en algoritmos de aprendizaje profundo, tienen ventajas en el razonamiento a gran escala. Además, las áreas ventajosas de la CPU tienen un amplio espacio de mercado y escenarios de aplicación ricos. Sigue siendo imperativo que las empresas de tecnología nacionales continúen desarrollando CPU nacionales.
En la actualidad, la principal cuota de mercado de CPU todavía está en manos de empresas extranjeras. Con el avance de la tecnología nacional, las CPU nacionales son cada vez mejores, las políticas continúan aumentando y la sustitución nacional es muy segura.
02 Arquitectura del chip de la CPU
La arquitectura del chip también se denomina arquitectura del conjunto de instrucciones. En pocas palabras, es el proceso de ejecución del chip. Los chips con diferentes arquitecturas de conjuntos de instrucciones tienen diferentes pasos de ejecución.
La arquitectura actual del conjunto de instrucciones de la CPU se divide principalmente en dos categorías: conjunto de instrucciones complejo (CISC) y conjunto de instrucciones reducido (RISC).
El complejo conjunto de instrucciones admite más instrucciones y cada operación tiene sus propias instrucciones completas. Debido a que sólo se reutilizan unas pocas instrucciones, el conjunto de instrucciones se reduce por simplicidad, no es necesario tener una instrucción completa para cada operación;
Los conjuntos de instrucciones complejos son más adecuados para CPU de computadora con operaciones complejas, mientras que los conjuntos de instrucciones simplificados son más adecuados para CPU de teléfonos móviles con bajos requisitos informáticos y bajo consumo de energía.
Se generan diferentes arquitecturas en base a estos dos conjuntos de instrucciones, es decir, se realizan una serie de diseños y disposiciones completos de unidades de control, unidades de computación, unidades de almacenamiento y otros componentes en la CPU en base a los conjuntos de instrucciones. .
03 Arquitectura X86
La arquitectura de CISC es principalmente arquitectura X86. Actualmente, Intel y AMD son las dos empresas dominantes.
Intel y Windows formaron la alianza "Wintel", derrotando a la poderosa alianza de Apple, IBM y Motorola, y monopolizando el mercado de las computadoras de escritorio durante más de 20 años. Hasta ahora, los procesadores de arquitectura X86 se utilizan principalmente en servidores, computadoras de escritorio y PC móviles, e Intel todavía ocupa la mayor parte del mercado.
Más tarde, con la llegada del procesador Epyc de segunda generación "Rome" de AMD, la cuota de mercado de CPU para servidores de AMD aumentó de 1 a 8 en sólo dos años. Posteriormente, se lanzó el procesador Epyc de tercera generación "Milan" y se espera que su participación en el mercado de servidores alcance el 15.
Debido al alto costo y rendimiento de los chips de servidor AMD y la incorporación de la tecnología de proceso de 7 nm de TSMC, cada vez más centros de datos han comenzado a comprar productos AMD.
La razón por la que la arquitectura X86 cubre una gama tan amplia no es solo su inicio temprano, alto rendimiento y buena compatibilidad, sino también su ecosistema completo. Actualmente, más de 65 desarrolladores de software en todo el mundo brindan servicios para X86. Tienes que diseñar una arquitectura tú mismo. Sin un ecosistema, nadie la utilizará.
En la actualidad, la arquitectura X86 todavía tiene un amplio mercado en China, especialmente en el campo de los servidores, y representa casi todas las ventas de servidores. Otros servidores de arquitectura que no son X86 representan una pequeña proporción y se basan principalmente en la arquitectura ARM.
Además del duopolio de Intel y AMD, China también cuenta con varios fabricantes de chips X86, como Zhaoxin, Guanghai y MPRC. En la actualidad, el reemplazo nacional de la arquitectura X86 no es obvio. En 2019, la participación de mercado de Megacore era solo del 0,1.
04 Arquitectura ARM
La arquitectura RISC incluye ARM, MIPS, Power PC, Alpha, RISC–v, etc.
Más del 90 % de los teléfonos inteligentes utilizan ahora la arquitectura ARM, MIPS se utiliza ampliamente en dispositivos integrados y, con la mejora del rendimiento y la integración de la tecnología, la arquitectura RISC también está penetrando constantemente en los campos de aplicación X86.
Debido a su bajo costo, bajo consumo de energía, tamaño pequeño y alto rendimiento, la arquitectura ARM es muy adecuada para el campo de las comunicaciones móviles y ocupa una posición absolutamente dominante en los campos de teléfonos inteligentes, módems y vehículos. equipos de información, dispositivos portátiles y otros campos.
Actualmente, la arquitectura ARM es la arquitectura más utilizada y madura entre las arquitecturas no X86, con una cuota de mercado del 43,2.
La línea completa de productos de ARM incluye microcontroladores, microprocesadores, procesadores en anillo, software de implementación, bibliotecas de unidades, memorias integradas, productos de conexión de alta velocidad, periféricos y herramientas de desarrollo.
En la actualidad, los principales fabricantes de ARM nacionales y extranjeros incluyen ARM, MediaTek, Qualcomm, Apple, Samsung Electronics, Ascendas, Huawei Kunpeng y TRUM.
Los principales fabricantes de semiconductores del mundo compran sus propios núcleos de microprocesador ARM de ARM y agregan circuitos periféricos apropiados de acuerdo con sus diferentes campos de aplicación, formando así sus propios chips de microprocesador ARM para ingresar al mercado.
MediaTek es el mayor proveedor mundial de chips para teléfonos móviles ARM. En los últimos años, gigantes de la industria como Apple, Samsung y Qualcomm han utilizado la arquitectura ARM para realizar gradualmente una cadena ecológica completa basada en ARM.
A partir del primer trimestre de 2021, MediaTek y Qualcomm son los principales proveedores de CPU para teléfonos móviles, con cuotas de mercado de 35 y 29 respectivamente, un aumento interanual de 11 y -2 respectivamente.
La cuota de mercado de Apple es de 65.438 07, mientras que la cuota de mercado de Samsung cayó al 9. Debido a la escalada de sanciones estadounidenses, la cuota de mercado de Huawei HiSilicon cayó rápidamente a 5.
En el lado del servidor, los reproductores actuales que no son X86 incluyen Huawei, Ascendas, Qualcomm y Amazon.
El servidor Huawei Kunpeng es un jugador importante en los servidores ARM. Huawei dijo que los envíos de Kunpeng representaron el 50% de la participación de mercado. En el futuro, se espera que aproveche sus ventajas en el mercado móvil y utilice la colaboración en la nube para hacerse con una mayor participación en el mercado de servidores.
En el mercado de las PC de escritorio, ARM está siendo utilizado gradualmente por más empresas. En 2011, Microsoft comenzó a adoptar el sistema Windows de ARM y ARM comenzó a ingresar a las áreas de ventaja tradicionales de X86. Ahora MacOS de Apple y las nuevas versiones de Windows utilizan la arquitectura ARM.
Además, ARM tiene un enorme potencial de desarrollo en Internet de las cosas, automóviles y otros campos. ARM ofrece soluciones en los campos de servicios públicos, ciudades inteligentes y gestión de activos.
05 MIPS y otras arquitecturas
MIPS, Alpha, Power y otras arquitecturas no son aplicaciones convencionales en el mercado, pero todavía se utilizan en campos específicos.
La arquitectura MIPS es una arquitectura RISC simple, optimizada y altamente escalable que proporciona el mayor rendimiento por milímetro cuadrado y el menor consumo de energía en los diseños de SoC actuales.
Ha estado vendiendo en las industrias móviles e integradas durante casi 30 años y actualmente tiene una participación de mercado de 9.
La CPU multiproceso MIPS se ha utilizado ampliamente en módems LTE en diferentes campos y en muchos dispositivos móviles.
Los principales fabricantes de chips MIPS nacionales y extranjeros incluyen MIPS Corporation, Ikanos, Loongson Zhongke y Beijing Zhengjun. Sin embargo, después de que MIPS cambiara de manos dos veces, la nueva empresa recurrió a RISC-V.
Loongson y Sunway han obtenido licencias permanentes de MIPS y Alpha respectivamente, y pueden desarrollar conjuntos de instrucciones independientes. Las empresas chinas se han convertido en una fuerza única en el desarrollo de productos de aplicación y la construcción ecológica global de esta arquitectura, y su aplicación es también un área donde el país concede gran importancia a la seguridad.
La arquitectura Power tiene solo aproximadamente una participación en el mercado relevante, pero siempre ha jugado un papel muy importante en el campo de la informática de alto rendimiento. Algunas de sus características técnicas pueden incluso competir con Intel. Los participantes en el mercado son básicamente IBM.
06 Arquitectura RISC-V
RISC-V es actualmente la nueva arquitectura más prometedora de la industria y tiene las mejores posibilidades de adelantar en las curvas. Tiene las características de código completamente abierto, arquitectura simple, fácil de trasplantar, adecuado para varios dispositivos, cadena de herramientas completa y alta eficiencia operativa.
En la actualidad, la aceptación de esta arquitectura está aumentando gradualmente y se espera que se convierta en la tercera arquitectura de conjunto de instrucciones principal después de la arquitectura X86 y ARM.
Dado que la Fundación RISC-V es una organización de membresía sin fines de lucro, RISC-V en sí es gratuito. Desde el establecimiento de la Fundación RISC-V en 2015, el ecosistema RISC-V ha mostrado un crecimiento explosivo, con una tasa de crecimiento de miembros que alcanzó 133 en 2020.
El auge del Internet de las cosas ha proporcionado un nuevo potencial de crecimiento para la cadena industrial upstream. Como RISC-V es de código abierto, cumple con los requisitos más flexibles y diversos del Internet de las cosas.
Además, desde la guerra comercial entre China y Estados Unidos, existe el riesgo de que las empresas chinas no puedan mejorar sus estructuras debido a las restricciones estadounidenses. Con la aceptación gradual de RISC-V, es factible que los fabricantes de chips chinos logren la independencia a través de la arquitectura RISC-V.
Semico Research predice que para 2025, el mercado consumirá 62,4 mil millones de núcleos de CPU RISC-V, con una tasa de crecimiento anual compuesta de 65,438 08-2025. Entre ellos, el sector industrial estará muy por delante con más de 654.38067 millones de núcleos.
La empresa de investigación de mercado Tractica también predice que el mercado de herramientas de software y IP RISC-V fue de 52 millones de dólares en 2018 y crecerá a 1,1 billones de dólares en 2025.
En la actualidad, RISC-V no se ha desarrollado durante mucho tiempo y aún no ha formado un monopolio. La ecología relacionada aún se está desarrollando.
A corto plazo, la arquitectura ARM seguirá ocupando el mercado de gama media a alta, y RISC-V se utiliza principalmente en algunos mercados emergentes fragmentados, como el escenario de terminales ligeros de Internet. de las Cosas.
Estos escenarios requieren un bajo consumo de energía y un bajo costo, pero a menudo el programa no requiere cambios importantes, no depende en gran medida del ecosistema de software y tiene un gran volumen de envío, lo que está en línea con la fase objetivos de desarrollo de RISC-V.
RISC-V permite a cualquier fabricante diseñar, fabricar y vender chips y software RISC-V, atrayendo así a un gran número de empresas tecnológicas a entrar en el mercado.
Green Wave, IBM, NXP, Western Digital, NVIDIA, Qualcomm, Samsung, Google, Huawei, Comba Technology, Xinyuan, Lessin Technology, Alibaba Pingtou Ge, Zhongtian Micro, Red Hat, más de 100 empresas tecnológicas incluido Tesla se han unido a su bando.
El grado de autonomía y controlabilidad de las CPU domésticas
Las CPU domésticas han experimentado casi 20 años de desarrollo y también han producido una serie de empresas poderosas, como la mencionada Zhongke Loongson, Tianjin. Ascendas, Información de Guanghai, Shanghai Sunway y Shanghai Xin Zhao.
Entre ellos, Shenwei y Godson tienen el mayor grado de autocontrol. Shanghai Shenwei se dedica principalmente a la investigación y el desarrollo de la arquitectura Alpha. Actualmente, es el fabricante de CPU con mayor credibilidad en innovación en China y es básicamente completamente independiente y controlable. Se utiliza principalmente en oficinas gubernamentales y del partido, militares, superinformática y otros campos.
En segundo lugar están los fabricantes nacionales de arquitectura ARM representados por Ascendas y Huawei Kunpeng (Haisi). La arquitectura ARM requiere autorización de ARM. Hay tres niveles principales de autorización: autorización a nivel de uso, autorización a nivel de kernel y autorización a nivel de conjunto de instrucciones/arquitectura.
El conjunto de instrucciones tiene el nivel de autorización más alto. Las empresas pueden modificar el conjunto de instrucciones ARM y diseñar sus propios procesadores. Actualmente, HiSilicon y Tengfei han obtenido la autorización permanente de ARMV8.
Si desarrollan su propio conjunto de instrucciones basado en la autorización V8, la credibilidad de su innovación mejorará significativamente. Incluso si no obtienen autorización para nuevas arquitecturas como V9V10, aún podrán mantenerlas. su avance.
Finalmente, los fabricantes de X86 como Guanghai y Megacore solo autorizan a nivel de kernel. Será difícil expandir el conjunto de instrucciones para formar un conjunto de instrucciones independiente y controlable en el futuro.