以CPU、操作系统为核心的国内外信息技术产品生态体系现状对比分析

来源:网络空间安全
关键字:CPU,操作系统,生态体系
发布时间:2019-02-01 11:37

　　摘要：以CPU和操作系统为核心的信息技术产品生态体系竞争的重要性日益显现。我国信息技术产品生态体系虽已初步成型，但产业主导权仍掌握在美欧等西方国家手中。论文重点研究梳理了国内外信息技术产品生态体系建设现状，结合我国发展实际，提出了进一步推进信息技术产品生态建设的相关措施建议。

　　关键词：CPU；操作系统；生态体系；主导权

　　中图分类号：TP309 文献标识码：A

　　1 引言

　　2018年4月20日召开的全国网络安全和信息化工作会议上，习近平总书记提出，“核心技术是国之重器。要下定决心、保持恒心、找准重心，加速推动信息领域核心技术突破。要抓产业体系建设，在技术、产业、政策上共同发力。要遵循技术发展规律，做好体系化技术布局，优中选优、重点突破”。当前，以CPU和操作系统为核心的信息技术产品生态体系竞争的重要性日益显现。我国信息技术产品生态体系虽已初步成型，但产业主导权仍掌握在美欧等西方国家手中。本文重点研究梳理了国内外信息技术产品生态体系建设现状，结合我国发展实际，提出了进一步推进信息技术产品生态建设的相关措施建议。

　　2 信息技术产品生态体系框架

　　CPU和操作系统是信息技术产品生态体系的核心。CPU是“心”，是整个信息系统的运算和控制中心，承担着处理指令、执行操作、控制时间、处理数据等功能，是整个信息系统的“心脏”。操作系统是“魂”，是应用软件与硬件之间的桥梁，用来对整个信息系统的硬件和软件资源进行配置和管理，控制所有应用程序运行。

　　信息技术产品生态体系主要由硬件、基础软件和应用三部分构成，如图1所示。其中，硬件以CPU为核心，还包括芯片、存储器和输入输出设备；基础软件以操作系统为核心，还包括支撑软件（数据库、中间件、办公套件）。以CPU和操作系统为核心，信息技术产品生态体系大致涉及三个层面：技术层面涵盖核心技术产品生命周期所涉及的关键技术、研发主体等；产业层面涵盖核心技术产品产业链上下游各环节、相关主体等；应用层面涵盖核心技术产品在构成信息系统中呈现出来的功能、性能和用户体验等。

　　3 国际信息技术产品生态体系建设现状

　　3.1 中央处理器

　　CPU从最初发展至今已经有四十多年的历史，时至今日，全球范围内CPU的主流架构依旧是X86、ARM和MIPS三种，基于上述架构，Intel、ARM等企业构建起了相应的生态体系。

　　（1）x86架构。1972年，美国Intel公司发布基于复杂指令集的X86架构。X86架构广泛应用于PC、服务器CPU领域。X86架构生态体系的企业主要有Intel和AMD两家，Intel对X86架构拥有绝对掌控力。相关调查显示，在服务器CPU中，X86架构CPU占整个CPU市场96%的份额，其中Intel出货量占99%。

　　（2）ARM架构。ARM架构基于精简指令集开发，具备高效能、低功耗等优势，广泛应用在可携式装置、电脑外设（服务器、PC、手机）等电子产品中。ARM公司通过架构层级授权、内核层级授权、使用层级授权等方式，构建了开放的ARM架构生态体系。近年来，随着移动智能终端普及，ARM架构发展迅速。根据ARM公司数据，在已出货的1000亿颗基于ARM的芯片中，有500亿颗由合作伙伴在2013年到2017年间出货，增长势头迅猛。

　　（3）MIPS架构。MIPS架构基于精简指令集，使用在电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。为确保MIPS产品和生态体系的完整性，MIPS推出了验证全球MIPS-Based产品的MIPS-Verified项目，验证后的知识产权将标注MIPS-Verified正式标志。MIPS-Verified商标可帮助设计师区分高质量、高可靠的产品以及拥有充分支持的解决方案，这些都与MIPS生态体系兼容。带有MIPS-Verified标志的内核或架构实现可保证该知识产权经过多年产权验证技术的严格测试。这种设计验证技术由MIPS工程师定期优化和加强，以测试加到MIPS架构的每个新版本和新功能。

　　3.2 操作系统

　　目前，全球主流的终端设备操作系统主要有Windows系统、Linux系统、iOS系统以及Android系统。

　　（1）Windows系统。微软致力于打造统一的生态系统，让用户在所有平台上拥有一致的体验。微软推出了应用商店Windows Store，开发者和用户可以通过Windows Store发布和购买所需软件。Windows 8操作系统可同时支持ARM和X86芯片构架，能应用于台式机、笔记本、平板电脑等终端设备。目前，Windows生态圈在元器件生产方面裂变成了Wintel阵营和Winarm阵营；在软件生态领域发生了聚合，不仅可以用于X86架构下的PC等设备，也可以用于ARM架构下的手机等移动终端。

　　（2）Linux系统。Linux开源系统是一款源代码开放系统，针对Linux内核，每一天来自全球各地的3900名开发人员添加10800行代码，删除5300行代码，修改1800行代码。很多大公司十分重视Linux技术的研发，并向开源社区贡献代码，促进Linux生态不断壮大。如IBM在全球主流开源组织中参与了超过150个开源项目，并向开源社区贡献了多项关键的大型主机技术的代码。

　　（3）iOS系统。苹果公司致力于基于iOS系统的生态体系建设。iPod touch的发布，iTunes Wi-Fi Music Store的横空出世是iOS生态发展的里程碑。App Store的问世标志着iOS生态系统初步形成。

　　（4）Android系统。Google公司致力于打造Android生态圈，发布了全新移动操作系统Android L、车载系统、智能手表系统以及Android One等。Google全线布局，旨在打造Android闭环，从移动设备、穿戴设备、智能家居全方位打造Android生态圈。

　　3.3 生态体系

　　（1）Wintel生态。当前，全球有80%的PC使用Intel的处理器，超过90%的PC使用微软的Windows操作系统，Wintel联盟将Intel的CPU与微软的Windows系统两者进行最佳结合、协同更新，拉动了整个产业的发展。Wintel联盟的生态圈如图2所示，包括Intel的CPU制造及设备提供厂商、基于Window操作系统的应用开发厂商，以及使用Intel的CPU和微软Windows操作系统的PC整体厂商等。

　　（2）Android+ARM生态。Android+ARM由于采取的核心策略都高度符合移动互联网时代的需要，在智能终端设备上获得了广泛应用。目前，90%左右的手机都包含ARM处理器，ARM处理器在手机市场上处于绝对霸主地位。Google在智能手机、上网本等多个领域与ARM合作。ARM也宣布启用Android解决方案中心，提供采用Android进行ARM相关产品开发设计运用。

　　（3）iOS+ARM生态。ARM处理器因为其低功耗和小尺寸的优势，在嵌入式系统中的应用非常广泛，性能在同等功耗产品中也非常出色。截至目前，苹果公司已经发布的iOS设备中的处理器都是基于ARM架构的。

　　此外，市场中还存在众多其他操作系统和CPU的组合，例如Android+X86、Android+MIPS、Android+PowerPC等。其中，Android+X86发展较为完善；Android+MIPS以及Android+PowerPC仍在移植、完善过程中。

　　4 我国信息技术产品生态建设现状

　　4.1 中央处理器

　　在国家科技重大专项等政策推动下，我国CPU研发进入多技术路线同步推进阶段，“引进消化吸收”成为主要路径之一，国内企业纷纷与IBM、ARM、AMD等国际巨头合作，利用其成熟的生态快速实现产业化。

　　在X86架构的CPU生态中，中科曙光通过与AMD成立合资公司，获取高端64位X86架构CPU的商业授权，研发基于最新14纳米工艺的“海光1号”CPU；上海兆芯通过和台湾VIA合资，借助VIA和Intel的交叉授权协议进入X86领域，研发“兆芯”系列CPU。

　　在ARM架构的CPU生态中，飞腾、海思和紫光展锐均取得了ARM架构授权开始自研CPU内核，工艺水平与高通、MTK（联发科）、苹果等国际领先ARM芯片设计企业基本并肩；飞腾推出FT-1500A、FT-2000等系列ARM 64位CPU，实现了设计流程的安全可控，已有核心技术纳入新版ARM 64位指令集中；高通与贵州政府合资成立的贵州华芯通也在积极展开对ARM服务器CPU的研发工作。

　　在MIPS架构的CPU生态中，龙芯坚持自主研发，申请专利已超过200件，其最新推出的第二代CPU产品通用处理性能是第一代产品的3-5倍，超过了Intel的低端凌动系列，访存带宽达到了Intel的高端产品E5的水平，完全可以满足党政军等重点领域办公应用需求。在生态建设方面，龙芯对Java、gcc等重要API软件进行持续的完善和优化，目前主要API性能和功能已经不亚于主流X86平台的相关软件；提供基础版操作系统Loongnix，支持国内操作系统企业和整机企业发行定制版操作系统产品，中标软件、普华软件、深度科技等都已经发布了基于龙芯平台的操作系统；龙芯还加快完善软硬件接口规范，对龙芯的CPU、桥片、BIOS、操作系统进行了规范，并在MIPS指令集基础上增加了X86和ARM的功能，实现了对Windows XP所支持外设的自动识别。

　　在PowerPC架构的CPU生态中，中晟宏芯承接POWER CPU全套技术，已发布基于IBM POWER8的芯片CP1，实现了中试和量产。

　　除了“引进消化吸收再创新”，我国自主研发基于Alpha架构的“申威”CPU。通过对自主Alpha架构不断深化、升级，在双核Alpha基础上拓展了多核架构和SIMD等特色扩展指令集，处理器架构优化设计方面基本达到了Intel主流芯片水平，基于申威CPU的“神威太湖之光”峰值性能达每秒12.5亿亿次浮点运算，成为世界首台运行速度超10亿亿次的超级计算机。在生态建设方面，申威自主开发了神威睿智编译器，研发了基于Linux的神威睿思操作系统，并推出了使用8704片申威1600的神威蓝光超算，实现了软件和硬件全部国产化。

　　4.2 操作系统

　　国内10余家企业基于开源的Linux和Android系统，推出了一系列面向服务器、桌面、移动和嵌入式领域的国产操作系统。

　　在桌面操作系统方面，中标麒麟、银河麒麟等国产Linux桌面操作系统，通过计算机预装和正版化推进等方式，在国防、教育等行业达到百万规模级应用；广东新支点、广西一铭、云南思普、武汉深之度等国内企业也都在Linux开源操作系统的基础上，不断加强自主研发，推出了各自的操作系统产品，并应用于政府部门和大型国有企事业单位。武汉深之度、银河麒麟也积极提供免费版本操作系统，面向开源系统爱好者、软件应用研发者，打造深度科技社区、“优麒麟”等开源操作系统社区，具有一定影响力。

　　在传统服务器操作系统方面，中标麒麟、中科方德、凝思等国产Linux服务器操作系统，在国内Linux系统市场占有率超过30%，在邮政存储银行全国范围的服务器中应用率达93%，在国家电网的电力调度控制系统应用率达100%。

　　在面向云计算应用的服务器操作系统方面，阿里、百度、华为、浪潮等在云计算操作系统关键技术领域取得突破，产品在互联网、电子政务及企业信息化领域得到应用。

　　在智能终端操作系统方面，基于开源Linux自主研发或基于Android系统深度替换和定制的国产移动智能终端操作系统已应用于智能手机、平板电脑、数字电视/机顶盒等智能终端，阿里云、华为、百度、联想等公司研发的产品累计装机应用量超过6000万，小米科技的MIUI系统随小米手机实现8000万装机量。

　　在嵌入式操作系统方面，普华等企业开发了车控操作系统和基于Linux的车载操作系统，并在长安、上汽等国产汽车中得到量产应用；和利时等企业开发的实时操作系统在工业控制系统实现规模应用。

　　4.3 生态体系

　　我国政府、相关企业开展了大量基于国产CPU和操作系统的适配工作，取得了一定成效，基于国产CPU和操作系统的核心技术生态初步形成。工业和信息化部组织建立了安全可靠软硬件联合攻关基地，系统集成商联合CPU、操作系统、整机、数据库、中间件等厂商，开展集成适配技术攻关，推进国产核心软硬件的集成适配和协同发展，发现、解决、优化实际问题数百项，整体性能提升5倍以上，促进国产软硬件版本升级300余次，体系化提升国产核心软硬件的性能和可靠性，为国家党政军和重要信息系统的国产化替代初步奠定了基础。

　　同时，相关企业也自发开展适配工作，积极构建产业生态环境。龙芯不仅推出了与其CPU充分适配的龙芯基础版操作系统，还与中标麒麟、普华、中科方德等国产操作系统厂商进行适配；中国电子信息产业集团依托旗下天津飞腾、银河麒麟、达梦数据库、迈普网络产品等形成了包括基础硬件、基础软件、应用软件等在内的生态系统，初步具备用飞腾+麒麟的PK技术体系代替国外Wintel技术体系的能力；中国电子科技集团成立安全可靠系统工程研究中心，承担党政军各类软硬件产品与国产替代共性支撑工作；航天科工集团以二院706所为核心等打造安全可控系列产品与系统。

　　5 我国信息技术产品生态的问题及相关对策

　　当前，全球信息技术产品生态体系的主导权仍掌握在美欧等西方国家手中。我国信息技术产品生态体系虽已初步成型，信息技术产品安全可控程度可满足部分关键领域和重要信息系统最基本的应用需求，但仍面临较严峻的可控性风险，CPU、操作系统等核心技术受制于人，核心技术及产业生态问题仍亟待解决。目前，我国信息技术产品生态主要存在以下问题：

　　一是总体规划、顶层设计不够。CPU面临“七国八制”的问题，且不同架构之间互不兼容。操作系统厂商需要根据不同CPU的指令集、架构，研发多个版本操作系统，CPU厂商也需适配多种操作系统，耗费了大量资源，影响了企业本该在提升产品性能、稳定性方面的投入。

　　二是企业技术和产品研发力量分散。国内CPU和操作系统企业均有十余家，但研发人员普遍数百人，相较英特尔、微软万人研发团队规模，差距太大。由于研发力量不够，国内大多数操作系统厂商仅基于开源软件部分代码进行简单修改包装，对内核代码研发能力不足。

　　三是市场碎片化严重，应用生态还未完善。国产应用软硬件厂商要按照多种CPU和操作系统技术路线研发不同版本软硬件，碎片化的市场带来的成本很高。且国产软硬件厂商的产品、售后体系、质量、服务体系与国外存在差距，一旦出现问题，往往需要运维人员现场维护，加大运营成本。此外有经验的运维工程师数量也较少，且地域分布不均。

　　四是稳定性、性能、安全性仍存在不足。国产CPU并发事务处理能力，国产操作系统内核优化能力仍无法满足金融等用户数量大、业务峰值高的关键信息基础设施业务应用需求。基于国产软硬件体系的安全研究也不足，大多数应用系统安全解决方案往往照搬Wintel体系，未充分考虑国产软硬件架构、设计原理等。

　　国家相关部门应进一步加强信息技术产品生态发展的统筹指导，掌握产业发展的主导权。主要建议如下：

　　5.1 加大技术产业发展的资金支持力度

　　充分利用核高基重大专项、电子信息产业发展基金、技术改造专项、云计算示范工程等中央财政资金，加大对芯片设计制造、自主操作系统研发、关键应用软件研发和迁移等方面的支持力度。设立国家网信领域核心技术引进专项资金，建立重点引进核心技术清单和滚动调整机制，支持企业面向全球引进指令集、IP核、制造工艺等先进技术，并通过国家购买专利、形成专利池的方式支持共性技术专利共享。加大金融、财税政策对国产软硬件企业的扶持力度，支持具有核心技术的国产软硬件企业做大做强。充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，鼓励企业兼并重组，进一步聚焦优势资源。

　　5.2 加强核心技术协同创新

　　一是支持龙芯、申威等国内芯片设计企业，通过建立联盟等形式，与国内制造、封测、应用等企业深化合作，加强战略、技术、标准、市场等沟通协作，理顺联盟企业间的利益纽带关系，加快国产CPU产业链上下游协同创新。二是整合国产操作系统厂商、科研院所的研发力量，打造开源操作系统基金会，联合建设我国自己主导的开源社区，组织制定社区技术和数据共享规范，打造我国自己的Linux发行版本操作系统。三是聚焦我国党政军等关键领域应用需求，建设和完善以国产CPU和操作系统为核心的国产关键软硬件测试、验证公共服务平台，加快国产关键软硬件的集成攻关和适配优化，推动强强联合，形成攻关合力。四是加快基于云计算、移动互联网等新一代国产化技术、产品和服务平台的研发，实现弯道超车，同时加快从Wintel架构向国产架构迁移的技术工具研发。

　　5.3 建立统一的技术标准，优化收敛技术体系

　　一是明确国产化、自主可控、安全可信、安全可靠等概念，统一思想。二是建立统一、权威的安全可控水平指标评价体系，完善有关产品检测、认证机制和有关产品目录的统一发布，避免类似“红芯”浏览器等事件的再次发生，影响国产化推动工作的积极性，同时根据技术、产业发展情况，动态调整判定指标，逐步引导，以提高软硬件国产化程度。三是发挥市场机制，优胜劣汰，从现有CPU、操作系统技术路线中优中选优，遴选出1～2种重点发展和推广的“CPU+操作系统”的技术体系予以重点支持。

　　5.4 建立完善人才培养、评价和激励机制

　　一是建立科学的人才评价和激励机制。结合CPU、操作系统等核心技术产业特点，制定人才入股、技术入股等方面的专门政策，保障骨干技术人才对技术成果的处置、使用、收益等合法权益。建立科学的自主创新评价机制，以实际能力为衡量标准，建立有利于核心技术人才发展的职称评价制度，最大限度激发人才创新活力。二是以全球视野培养、选拔和引进高端人才。大力支持核心技术企业通过国际并购、设立海外研发中心、制定配套人才政策等招揽国际人才，减少技术水平差距。三是构建校企联合培养模式，加强国内计算机体系架构、EDA、微电子、系统软件、开源软件等专业人才培养，支持高校、科研院所与企业联合建立一批开放实验室，开展信息领域关键技术研究，将国产CPU、操作系统等内容纳入高等院校、职业技术院校的教学大纲或教材，建立国产化实验实训环境。

　　6 结束语

　　本文介绍了信息技术产品生态体系框架概念和组成，详细梳理了国内外信息技术产品生态体系建设情况，剖析了我国信息技术产品生态与国外的差距，结合实际问题提出了推进信息技术产品生态建设的若干建议。

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