深度剖析中科海光CPU與DCU產品系列技術

海光信息技術股份有限公司：成立于2014年10月，注冊地位于天津，2022年在科創(chuàng)板上市。主營業(yè)務是研發(fā)、設計和銷售應用于服務器、工作站等計算、存儲設備中的高端處理器。產品包括海光通用處理器（CPU）和海光協(xié)處理器（DCU）。

海光CPU系列產品兼容x86指令集以及國際上主流操作系統(tǒng)和應用軟件，軟硬件生態(tài)豐富，性能優(yōu)異，安全可靠，已經廣泛應用于電信、金融、互聯(lián)網、教育、交通等重要行業(yè)或領域。海光DCU系列產品以GPGPU架構為基礎，兼容通用的“類CUDA”環(huán)境，可廣泛應用于大數據處理、人工智能、商業(yè)計算等應用領域。

公司下設CPU設計中心、DCU設計中心、SOC設計中心、后端實現中心、定制工藝中心、工程平臺技術中心、產品開發(fā)運營中心、軟件與安全中心、項目與質量管理中心、技術支撐中心、銷售與生態(tài)發(fā)展中心、解決方案與優(yōu)化中心、產品市場部財務管理部和管理保障中心15個職能部門。

圖片來源：組織架構海光信息

1、產品線

高端處理器作為現代信息系統(tǒng)設備中的核心部件，在大規(guī)模數據處理、復雜任務調度和邏輯運算等方面發(fā)揮了不可替代的作用。

根據應用領域、技術路線和產品特征的不同，海光信息高端處理器分為海光CPU系列產品和海光DCU系列產品。海光CPU系列產品兼容x86指令集以及國際上主流操作系統(tǒng)和應用軟件，軟硬件生態(tài)豐富，性能優(yōu)異，安全可靠，已經廣泛應用于電信、金融、互聯(lián)網、教育、交通等重要行業(yè)或領域。

海光DCU系列產品以GPGPU架構為基礎，兼容通用的“類CUDA“環(huán)境，可廣泛應用于大數據處理、人工智能商業(yè)計算等應用領域。

圖片來源：產品線海光信息

(1)海光CPU

海光CPU主要面向復雜邏輯計算、多任務調度等通用處理器應用場景需求，兼容國際主流x86處理器架構和技術路線，具有優(yōu)異的系統(tǒng)架構、高可靠性和高安全性、豐富的軟硬件生態(tài)等優(yōu)勢。海光CPU按照代際進行升級迭代，每代際產品按照不同應用場景對高端處理器計算性能、功能、功耗等技術指標的要求，細分為海光7000系列產品、海光5000系列產品、海光3000系列產品。

圖片來源：海光信息

海光CPU在國產處理器中具有非常廣泛的通用性和產業(yè)生態(tài)，已經大規(guī)模應用于電信、金融、互聯(lián)網、教育、交通、工業(yè)設計、圖形圖像處理等領域。海光CPU既支持面向數據中心、云計算等復雜應用領域的高端服務器;也支持面向政務、企業(yè)和教育領域的信息化建設中的中低端服務器以及工作站和邊緣計算服務器。

(2)海光DCU

海光DCU屬于 GPGPU的一種，采用“類 CUDA”通用并行計算架構，能夠較好地適配、適應國際主流商業(yè)計算軟件和人工智能軟件。與CPU相同，海光DCU按照代際進行升級選代，每代際產品細分為8000系列的各個型號。海光8000系列具有全精度浮點數據和各種常見整型數據計算能力，能夠充分挖掘應用的并行性，發(fā)揮其大規(guī)模并行計算的能力，快速開發(fā)高能效的應用程序。

圖片來源：海光信息

海光DCU主要部署在服務器集群或數據中心，為應用程序提供性能高、能效比高的算力，支撐高復雜度和高吞吐量的數據處理任務。在AIGC持續(xù)快速發(fā)展的時代背景下，海光DCU能夠支持全精度模型訓練，實現LLaMa、GPT、Bloom、ChatGLM、悟道、紫東太初等為代表的大模型的全面應用，與國內包括文心一言等大模型全面適配，達到國內領先水平。

2、行業(yè)地位

(1)技術地位

x86指令集具有業(yè)界最好的產業(yè)生態(tài)支持，現有運行中以及開發(fā)中的絕大部分服務器、硬件設備、軟件系統(tǒng)均基于或兼容x86指令集。公司研制出符合中國用戶使用需求、兼具“生態(tài)、性能、安全”三大特點的國產x86架構處理器產品。

海光 CPU主要具有三大技術優(yōu)勢。一是優(yōu)異的產品性能。海光CPU使用先進的處理器微結構和緩存層次結構、高主頻設計技術，依托先進的SoC架構和片上網絡，集成了更多處理器核心，使產品性能優(yōu)勢顯著。二是良好的系統(tǒng)兼容性。海光CPU可以兼容國內外主流操作系統(tǒng)、數據庫、中間件等基礎軟件及廣泛的行業(yè)應用軟件。三是較高的系統(tǒng)安全性。海光CPU通過不斷擴充安全算法指令、集成安全算法專用加速電路等方式，有效提升了數據安全性和計算環(huán)境的安全性，原生支持可信計算。

海光DCU以“類 CUDA”良好的兼容性，為用戶提供強大的計算服務能力。海光DCU 主要具有三大技術優(yōu)勢。一是強大的計算能力。海光DCU基于大規(guī)模并行計算微結構進行設計，具備強大的全精度各種數據格式的算力，是一款計算性能強大、能效比較高的通用協(xié)處理器。二是高速并行數據處理能力。海光DCU集成片上高帶寬內存芯片，可以在大規(guī)模數據計算過程中提供優(yōu)異的數據處理能力，使海光DCU可以適用于廣泛的應用場景。三是良好的軟件生態(tài)環(huán)境。海光DCU采用 GPGPU架構,兼容“類 CUDA”環(huán)境,解決了產品推廣過程中的軟件生態(tài)兼容性問題。公司通過參與開源軟件項目，加快了公司產品的推廣速度，并實現與GPGPU 主流開發(fā)平臺的兼容。

(2)市場地位

公司在國內率先研制完成了高端通用處理器和協(xié)處理器產品，并實現了商業(yè)化應用。相較于國外廠商，公司根植于中國本土市場，更加了解中國客戶的需求，能夠提供更為安全可控的產品和更為全面、細致的運營維護服務，具有本土化競爭優(yōu)勢。海光CPU已被國內多家知名服務器廠商采用，相關產品成功應用到工商銀行、中國銀行等金融領域客戶，中國石油、中國石化等能源化工領域客戶，并在電信運營商的數據中心類業(yè)務中得到了廣泛使用。

海光DCU兼容“類CUDA”環(huán)境，軟硬件生態(tài)豐富。海光DCU系列產品可廣泛應用于大數據處理、大模型訓練、人工智能、商業(yè)計算等領域。

3、X86架構和服務器行業(yè)介紹

在高端處理器領域，由于x86 架構處理器起步較早，生態(tài)環(huán)境較其他處理器具有明顯優(yōu)勢，因此，全球應用x86處理器的服務器銷售額占全部服務器銷售額的比例占九成以上，處于顯著領先的地位。

高端處理器研發(fā)在架構設計、電路設計、工藝制程、先進封裝設計等方面均有較高的技術門檻，對人才的創(chuàng)新能力和工程技術能力要求很高。高水平集成電路研發(fā)人才培養(yǎng)周期長，且我國高端芯片設計行業(yè)發(fā)展時間較短，導致行業(yè)高端專業(yè)人才緊缺。我國集成電路設計企業(yè)多處于成長期，與國際同行相比，資金實力相對較弱，技術差距尚待縮小，亦面臨人才緊缺的問題。

在我國，根據IDC統(tǒng)計數據，2023年全年，中國x86服務器市場出貨量為362萬臺，預期2024年還將增長5.7%。隨著近幾年人工智能技術爆發(fā)式的突破，人工智能產業(yè)鏈與商業(yè)化應用進入了高速發(fā)展階段。

中國是全球重要的 CPU 消費市場，計算機用戶基數龐大。信息產業(yè)的國產化是國家建設數字中國的先行條件，國產高端處理器已經從黨政應用向重點行業(yè)逐步延伸，公司產品在能源、交通、金融、通信等關鍵信息基礎設施領域已得到批量應用。對信息安全、供應鏈安全要求相對較高的領域，亦是國產CPU的優(yōu)勢市場。

根據《2023-2024 中國人工智能計算力發(fā)展評估報告》，IDC 預計全球人工智能硬件市場（服務器）規(guī)模將從 2022 年的195億美元增長到 2026 年的347億美元，五年年復合增長率達17.3%；預計2023年中國人工智能服務器出貨量將達到31.60 萬臺，同比增長11.3%，2027年將達到69.1萬臺，五年年復合增長率達21.60%。

在 AIGC 持續(xù)快速發(fā)展的背景下，以 ChatGPT、Sora 等為代表的大模型人工智能技術浪潮席卷全球，大量企業(yè)和機構投入類似 ChatGPT 乃至功能更強大的大模型研發(fā)中，隨著與業(yè)務緊密結合的人工智能應用場景逐漸落地，擁有先進算法和強大計算能力的企業(yè)成為了最主要的推動者，人工智能發(fā)展進入了全新階段。隨著大模型的迭代，訓練所需的樣本和參數呈指數級增長，多模態(tài)智能數據從訓練到推理均需要算力的驅動，伴隨模型逐漸復雜化，所對應的算力需求也進一步加劇，而這些需求都會推動包括人工智能處理器在內的高端處理器的快速增長。

4、經營業(yè)績

2023年，海光信息實現營業(yè)收入60.12億元，同比增長17.30%；毛利率60%，實現凈利潤12.6億元。2023年，海光信息研發(fā)投入共計28.10億元，較上年同期增長35.93%。

圖片來源：海光信息

圖片來源：海光信息

5、組織體系和人才隊伍

海光信息成立技術委員會以指導公司研發(fā)工作，下設技術支撐中心和項目質量管理部，研發(fā)和服務范圍覆蓋北京、成都、蘇州、上海等地，形成技術、平臺和應用三個層次的完備支持。

圖片來源：海光信息 技術委員會

截至報告期末，公司研發(fā)團隊總人數為1641人，其中碩士及以上學歷1301人，占研發(fā)團隊總數的79.28%。

圖片來源：海光信息

截至2023年，海光累計獲得授權專利763項:其中授權發(fā)明專利670項、授權實用新型專利90項。在其他知識產權方面，海光累計獲得軟件著作244項、商標97項：2023年新增集成電路布圖設計71項，累計擁有集成電路布圖設計228項。

圖片來源：海光信息

6、核心技術

海光信息在CPU和DCU芯片技術領域持續(xù)投入，2023年在處理器體系結構設計、處理器核心微結構驗證、處理器安全架構、處理器IP研發(fā)、處理器可測性與可調試性設計、處理器物理設計、處理器先進封裝設計、處理器測試、處理器基礎軟件設計和處理器生態(tài)軟件優(yōu)化等核心技術上持續(xù)開展研發(fā)，優(yōu)化、提升公司產品性能，具體如下：

(1)處理器體系結構設計方面

采用高帶寬低延時chiplet互聯(lián)技術，不斷提升計算性能。兼容主流的處理器指令集，并根據應用需要擴展指令集。內存控制器支持SDRAM和HBM 等存儲協(xié)議接口，訪存帶寬和高可靠性技術不斷提升，同時支持內存加密。處理器利用ComboPHY靈活支持多種高速I/0，包括處理器之間互連總線、PCIe、CXL、SATA、1/10GbE等，具備對一致性互聯(lián)總線CXL的支持。

可擴展片上網絡，利用高數據位寬結合虛通道技術，提高了處理器核心之間數據訪問帶寬，降低了擁塞。支持 QoS，進一步降低敏感數據的訪問延時。此外，針對高主頻的復雜微結構、軟件協(xié)同下功耗預估和管理等方面進行了創(chuàng)新性處理器體系結構設計。

(2)處理器核心微結構驗證方面

建立了處理器核心功能部件級、處理器核心級、處理器核心簇級、全片多核心簇級、多芯粒級和多芯片級完整的多層次處理器驗證環(huán)境。研發(fā)了包括指令集功能驗證程序、微結構定向測試程序、隨機指令序列測試程序、功能部件級隨機測試激勵的各項驗證激勵。建立了指令功能模型、功能部件級正確性模型。形成了包括基于先進設計方法學的多層次處理器驗證環(huán)境、定向驗證激勵及隨機驗證激勵、指令集功能模型及各微結構層次正確性檢查器、基于硬件仿真加速器的驗證等處理器核心微結構驗證技術體系。

（3)處理器安全架構方面

處理器安全技術主要包括可信執(zhí)行環(huán)境、密碼運算加速、可信計算、漏洞防御等?？尚艌?zhí)行環(huán)境方面，海光基于數據自動加解密和硬件隔離，有效防止安全攻擊;集成符合國密標準的密碼協(xié)處理器和密碼指令集，支持國密標準 SM2、SM3、SM4;處理器內置可信計算平臺，支持基于硬件信任根的 TSB可信安全啟動、中國可信標準TPCM和TCM2.0。

可信計算平臺不僅實現了可信計算所需的信任根，還可以對系統(tǒng)進行主動的度量及監(jiān)控，并在檢測到異常時及時采取措施，有效保護系統(tǒng)，符合等保 2.0要求。CPU漏洞防御方面，海光 CPU對熔斷漏洞免疫，對幽靈漏洞和側信道漏洞則采用有效的軟硬件技術進行防御,可以提供先進的云計算上全流程安全執(zhí)行環(huán)境。

(4)處理器IP研發(fā)方面

海光信息擁有高水平定制電路設計平臺，擁有完善的設計流程和設計方法，具備豐富成熟的定制和半定制電路開發(fā)能力。有涵蓋定制標準單元庫、存儲器編譯器、各類通用接口(GPIO)、內核高速緩存，高密度 VcacheSRAM，高性能數字 PLL時鐘，片上模擬和數字電源，模擬和數字測溫等關鍵IP。

海光信息通過數?；旌细咚俳涌谠O計技術，開發(fā)的高帶寬、低功耗、低延遲的芯?；ミB接口，支持標準封裝和Interposer 等先進封裝互連，在芯片層面實現了處理器體系結構的重組。通過工藝結點下模擬和全數字低壓差線性穩(wěn)壓器設計技術，高能效處理器供電技術，處理器獨立控制各個單核電壓，結合自適應電壓和頻率調節(jié)，實現電壓動態(tài)調節(jié)，降低處理器功耗。通過對定制標準單元、存儲器編譯器的性能優(yōu)化、面積優(yōu)化和功耗優(yōu)化，縮小處理器面積，提高了處理器性能和能效比。

(5)處理器可測性與可調試性設計方面

建立了全套先進的 DFT和DFD設計流程。DFT基于自上向下的設計理念，采用分布式與多路選擇器相結合的測試訪問機制，根據模塊級評估結果劃分頂層測試任務，完成頂層測試協(xié)議文件的映射，生成跳變時延故障、固定型故障、串擾故障等測試向量。針對片上特定IP及嵌入式存儲結構,制定內建自測試等設計方案。

對于先進封裝,建立了面向該封裝的針對性芯片測試機制，以保障高效的測試覆蓋和診斷。DFT通過全方位測試覆蓋，保障芯片生產中良品篩選，助力工藝問題的快速診斷。DFD通過插入調試專用電路,提高電路故障區(qū)分度,通過生成掃描鏈診斷向量，提高電路故障診斷質量和效率。此外，公司研發(fā)了面向芯片硅后驗證的軟硬件調試工具，包括調試現場分析工具、內部信號觀測工具、JTAG 調試工具、配置總線訪問工具等。

(6)處理器物理設計方面

建立了完善的支持業(yè)界主流工藝的物理設計流程和適應不同產品與工藝需求的簽核標準驗證流程，實現不同工藝的快速切換。設計流程平臺涵蓋從邏輯綜合、物理設計、物理驗證到簽核全流程。流程支持標準工藝單元庫，結合定制的高速單元可實現高性能設計的快速收斂。頂層物理設計流程支持多層次設計和多層次模塊復用，支持模塊穿透過線和總線流水線復用，適用于不同設計，能夠有效地提高超大規(guī)模集成的物理設計效率。自研的時鐘網格設計、布線和分析技術支持高端芯片時鐘網格設計與其他物理設計任務并行開展。

自研簽核設計流程可針對不同的設計模式、工藝、電壓、溫度等要求，分析并得出相應的時序、壓降、電遷移等簽核標準。該簽核技術支持芯片動態(tài)工作電壓和頻率變化以適應不同性能的需求和節(jié)省功耗，支持自適應工作電壓變化以確保不同工藝偏差的芯片得到最佳工作電壓。物理設計流程能夠適配先進的Chiplet設計，結合不同的封裝方案，完成跨芯片的布局規(guī)劃，電源和時鐘網絡部署，數據通路分析以及時序和壓降等簽核驗證工作。

(7)處理器先進封裝設計方面

海光信息在多芯片互聯(lián)、基板設計、封裝電/熱/力仿真、大尺寸多層基板設計、凸塊(bumping)加工技術、高性能散熱技術等已經形成一整套封裝技術解決方案。在封裝工藝上也掌握了多層高密度布線設計、大尺寸芯片貼裝、微凸塊結構設計等技術，完成了完整的國產供應鏈整合，形成了產品化能力。同時也掌握了窄節(jié)距、大尺寸LGA/BGA封裝技術。

(8)處理器測試方面

海光信息建立了覆蓋晶圓測試、封裝測試、終測和系統(tǒng)級測試在內的處理器測試體系,保障了海光 CPU和 DCU測試的規(guī)范性，有效支撐了海光CPU和DCU 的研發(fā)和量產。晶圓測試方面，建立基于

產品需求的晶圓質量及性能判決模型，利用低溫和高溫環(huán)境下晶圓測試數據，對芯片進行速度與功耗建模并精細分類。封裝測試方面，結合不同溫度下晶圓測試的特征參數，優(yōu)化電壓等參數，實現產品級整體性能優(yōu)化提升?？煽啃苑矫?，通過自建研發(fā)老化測試系統(tǒng)，實現可靠性測試自主可控，不斷提高可靠性問題解決能力，進一步提升產品可靠性水平。

(9)處理器基礎軟件設計方面

海光信息形成了一套軟硬件一體化的處理器基礎固件設計與驗證方法，實現了固件的功能、性能和穩(wěn)定性。海光基礎固件負責對處理器所集成IP的配置、管理和維護，從而簡化 SoC架構設計，提升CPU和DCU產品開發(fā)速度。海光處理器使用安全啟動技術保證加載到CPU和DCU內部運行固件的安全性。微碼方面，公司自主設計和定義了微碼指令集和功能，形成由微碼程序、微碼編譯器、微碼補丁、微碼專用硬件以及微碼驗證環(huán)境等組成的海光處理器微碼系統(tǒng)，支持微碼編譯和調試、高級語言編程，實現了微碼安全加載和驗證機制。

(10)處理器生態(tài)軟件優(yōu)化方面

海光信息對密集和稀疏線性代數、快速傅里葉變換等廣泛使用的數學庫進行分析和優(yōu)化，形成了一套覆蓋面廣、性能優(yōu)的高效能數學庫，其技術主要包括多核并行化、自適應存儲管理和指令集自適應優(yōu)化技術等。通過對結構體內存布局優(yōu)化，循環(huán)展開優(yōu)化和減少動態(tài)指令數，不斷提高緩存命中率和程序性能。

審核編輯：黃飛