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国产芯片的崛起:信创技术硬件解读

一文详解信创技术(硬件篇)

信创产业:自主可控,保障国家信息安全

信创产业,即信息技术应用创新产业,旨在实现信息技术领域的自主可控,保障国家信息安全。

产业链涵盖基础硬件、基础软件、应用软件、信息安全四个部分,其中芯片、整机、操作系统、数据库、中间件为核心环节。

信创产业发展意义重大,有助于摆脱对国外技术的依赖,提升国家信息安全水平。

2023年,信创产业市场规模有望达到万亿元级别,成为我国经济的新增长点之一。

信创之CPU、GPU、存储、整机基础硬件),即信息技术应用创新产业,旨在实现信息技术领域的自主可控,保障国家信息安全。从产业链角度看,信创产业主要由基础硬件、基础软件、应用软件、信息安全4部分构成,其中芯片、整机、操作系统、数据库、中间件是最重要的产业链环节。

CPU概念及运作原理

中央处理器(CPU),是计算机的核心,负责运算、控制和存储。由运算器,控制器和寄存器组成。运算器负责运算和测试,控制器负责提取指令、译码、控制数据流动,寄存器则提供临时存储,加快运算。

CPU运作分为“取、译、执行”三个步骤:

1. 取指:从内存中提取指令。

2. 译码:将指令转化为控制信号。

3. 执行:由运算器执行运算和测试。

CPU的性能由主频、核数、缓存和架构决定。主频越高,处理速度越快;核数越多,可同时处理的任务越多;缓存越大,数据访问速度越快;架构越先进,效率越高。

CPU是计算机的大脑,决定了计算机的整体性能。Central Processing Unit),是实现计算机的运算核心和控制核心。主要包括运算器、控制器和寄存器等模块。运算器负责执行运算和测试,控制器负责提取指令、进行译码、控制数据流动方向,寄存器位于CPU内部和内存类似,能够在处理指令时暂时存储个数字能使运算变得更快。CPU的运作原理可分为“取”、“译”、“执行”∶CPU从内存中提取指令,由解码器译码,将指令转化为控制CPU其他部分的信号,最后由运算器进行运算和测试。

CPU指令集概念及分类

CPU指令集:计算机指令的集合

CPU指令集是CPU中计算和控制计算机系统所有指令的集合。计算机的程序最终需要转化为“指令”才能在CPU上运行。

CPU按照指令集可分为CISC(复杂指令集)和RISC(精简指令集)两大类:

* CISC型CPU:目前主要是x86架构,指令集复杂,但功能强大。

* RISC型CPU:主要包括ARM、RISC-V、MIPS、POWER、Alpha架构等,指令集精简,但执行效率高。

CPU指令集是计算机系统的重要组成部分,直接影响着计算机的性能和功耗。指令集(Instruction Set)是CPU中计算和控制计算机系统所有指令的集合。计算机的程序最终需要转化为“指令”才能在CPU上运行。CPU按照指令集可分为CISC(复杂指令集)和RISC(精简指令集)两大类,CISC型CPU目前主要是x86架构,RISC型CPU主要包括ARM、RISC-V、MIPS、POWER、Alpha架构等。

CPU指令集架构生态

1. x86和ARM CPU:生态成熟,兼容性强。

- 基于x86和ARM架构的CPU拥有广泛的软硬件兼容性。

- 丰富的适配产品,适合各种应用场景。

- 用户友好,上手简单。

2. MIPS和Alpha CPU:特定领域应用出色,市场化有待拓展。

- MIPS和Alpha架构的CPU在高性能计算、嵌入式工控机等领域表现出色。

- 市场化程度相对较低,仍需进一步发展。x86和ARM架构的CPU与下游软硬件的兼容性较好,适配产品较为丰富,对用户使用较为友好。基于MIPS和Alpha架构的CPU在高性能计算、嵌入式工控机等特定领域应用较好,市场化仍有待进一步的发展。

GPU基本概念

GPU 定义:

GPU(图形处理器)是一种专门用于图形和图像处理的微处理器,广泛应用于个人电脑、工作站、游戏机和移动设备中。

GPU 功能:

- 协助 CPU 进行图像处理

- 将 CPU 送来的图像信号经过处理再输送到显示器上

GPU 组成:

- 主板连接设备

- 监视器连接设备

- 处理器

- 内存

GPU 是显卡的核心处理器,负责处理与图像和图形相关的所有计算任务,对显示和图形性能起着关键作用。基本概念∶图形处理器(graphics processing unit,缩写GPU),又称显示核心、视觉处理器、显示芯片,是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上做图像和图形相关运算工作的微处理器。

GPU是显卡的处理器∶显卡全称显示适配卡,又称显示适配器,用于协助CPU进行图像处理,作用是将CPU送来的图像信号经过处理再输送到显示器上,由主板连接设备、监视器连接设备、处理器和内存组成,GPU即是显卡处理器。

GPU工作原理与结构

GPU工作原理

GPU通过流式并行计算,将图形映射到像素点上,并对每个像素的颜色进行计算和输出,主要分为五个步骤:顶点处理、光栅化计算、纹理贴图、像素处理和输出。

GPU与CPU的区别

- CPU:采用低延迟设计,擅长逻辑控制和串行运算。

- GPU:采用大吞吐量设计,拥有更多ALU用于数据处理,擅长并行计算和密集数据处理。

GPU的应用场景

GPU不仅用于图形渲染,还被广泛应用于AI训练、科学计算、金融计算等需要大规模并发计算的领域。工作原理∶GPU的工作通俗来说就是完成3D图形的生成,将图形映射到相应的像素点上,对每个像素进行计算确定最终颜色并完成输出,一般分为顶点处理、光栅化计算、纹理贴图、像素处理、输出五个步骤。

GPU 采用流式并行计算模式,可对每个数据行独立的并行计算。GPU与CPU区别∶CPU基于低延时设计,由运算器(ALU)和控制器(CU),以及若干个寄存器和高速缓冲存储器组成,功能模块较多,擅长逻辑控制,串行运算。

GPU基于大吞吐量设计,拥有更多的ALU用于数据处理,适合对密集数据进行并行处理,擅长大规模并发计算,因此GPU也被应用于Al训练等需要大规模并发计算场景。

GPU分类:GPU可分为独立GPU和集成GPU

独立GPU和集成GPU的性能差异:

独立GPU:

- 性能更高

- 使用专用的显示存储器

- 功耗和发热量较大

集成GPU:

- 共享系统内存

- 功耗低、发热量小

- 性能低于独立GPU

显存差异:

独立GPU:

- 拥有专用的显示存储器

集成GPU:

- 共享系统内存

内存频率差异:

独立GPU:

- 显存频率通常高于集成GPU

集成GPU:

- 系统内存的频率通常低于独立GPU的显存

兼容性差异:

独立GPU:

- 兼容性较差

集成GPU:

- 兼容性较强GPU独立GPU一般封装在独立的显卡电路板上,使用专用的显示存储器,独立显卡性能由GPU性能与显存带宽共同决定。一般来讲,独立GPU的性能更高,但因此系统功耗、发热量较大。集成GPU集成GPU常和CPU共用一个Die,共享系统内存。

集成GPU的制作由CPU厂家完成,因此兼容性较强,并且功耗低、发热量小。但如果显卡运行需要占用大量内存,整个系统运行会受限,此外系统内存的频率通常比独立显卡的显存低很多,因此一般集成GPU的性能比独立GPU更低。

存储存储概念及分类

计算机存储:技术与应用

计算机存储主要包含各种存储器(Memory)和企业级存储(Storage),存储器以其不同的存储介质,分为光学存储、半导体存储和磁性存储三大类。

半导体存储是当前主流存储器技术,分为RAM(随机存储器)和ROM(只读存储器)。RAM是与CPU直接交换数据的内部存储器,断电数据会丢失,ROM掉电数据不会丢失。DRAM和Flash(包括NOR Flash和NAND Flash)为当前主流存储器,占据了全球主要的存储器市场。

2020年,DRAM占全球存储器市场的比例超一半,高达53%,是存储器分支中市场规模最大的产品。Memory)和企业级存储(Storage),企业级存储产品中使用了各种存储器技术。按照存储介质的不同,将存储器分为光学存储、半导体存储和磁性存储三大类。半导体存储又划分为RAM(随机存储器)和ROM(只读存储器)。

RAM是与CPU直接交换数据的内部存储器,也就是主存,断电数据会丢失,ROM掉电数据不会丢失。其中DRAM和Flash(包括NOR Flash和NAND Flash)为当前主流存储器,占据了全球主要的存储器市场。2020年,DRAM占全球存储器市场的比例超一半,高达53%,是存储器分支中市场规模最大的产品。

基础硬件:整机

信创产业:引领信息技术自主可控新时代

信创产业,即信息技术应用创新产业,旨在实现信息技术领域的自主可控,保障国家信息安全。信创产业链由基础硬件、基础软件、应用软件和信息安全4部分构成。

产业链核心环节:

* 芯片:提供数据处理和存储功能。

* 整机:包括服务器、计算机、网络设备等。

* 操作系统:管理和控制计算机系统。

* 数据库:存储和管理数据。

* 中间件:连接不同应用程序和服务的软件。

信创产业的蓬勃发展,为我国信息技术产业转型升级提供了新机遇,也为国家信息安全提供了有力保障。4部分构成,其中芯片、整机、操作系统、数据库、中间件是最重要的产业链环节。

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