行业专题CPU国产格局及替代空间

　　01
　　CPU 是PC及服务器的大脑
　　1.1. CPU 是计算机的核心配件
　　中央处理器 CPU（Central Processing Unit）作为 PC及服务器的大脑， 是计算机的运算和控制核心。CPU 与内部存储器和输入/输出设备合称 为电子计算机三大核心部件。CPU 的本质是一块超大规模的集成电路， 主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU 的内部 结构可分为控制单元，运算单元和存储单元三大部分。
　　据此，CPU 的工作原理可以拆解为：控制单元根据指令，将存储器中的数据发送至运算 单元，经运算单元处理后的数据再存储在存储单元中，最后交由应用程 序使用。根据冯诺依曼体系，CPU 的工作流程又可分为五大阶段：取指 令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数阶段和结果写回阶段。
　　1.2. CPU 指令集分为复杂和精简两类
　　指令集是 CPU 性能体现的重要标志。指令集一般被整合在操作系统内 核最底层的硬件抽象层中。指令集属于计算机中硬件与软件的接口，它 向操作系统定义了 CPU 的基本功能。指令集包括指令格式、寻址方式和 数据形式。一台计算机的指令集反映了该计算机的全部功能，机器类型 不同，其指令集也不同，因而功能也不同。CPU 要有较好的性能，需要 具备功能齐全、通用性强、内含丰富的指令集。
　　按照指令集，CPU 可划分为复杂指令集（CISC，Complex Instruction Set Computer）和精简指令集（RISC，Reduced Instruction Set Computer） 两大类。其中，复杂指令集 CISC：由一条指令完成一个复杂的基本功能；单条指令集功能强，指令类型丰富完善，编译后指令数量较少，通用场 景下性能具有优势。复杂指令集以 x86 架构为代表，主要用于桌面 PC 及服务器领域，配套软硬件丰富完善。精简指令集 RISC：由一条指令完 成一个基本动作，多条指令组合完成一个复杂的基本功能；译码效率高， 偏向低功耗领域优化。精简指令集以 ARM 架构为代表，主要用于手机、 平板等移动终端，软硬件生态逐步建设完善。
　　1.3. CPU 主流架构为 x86 与 ARM 架构
　　如今 CPU行业在全球形成了 Wintel和 AA两大信息化生态体系，均由 美国主导。Wintel 体系即 ＂Windows+Intel＂ ，由 Windows 操作系统与 X86 指令集组成，其实质是 Microsoft 与 Intel 的商业联盟。在硬件上， Wintel 通过捆绑销售，掌控了对产业链下游生产商的控制权；而 Intel 作 为芯片 IDM 厂商，占据了市场话语权。在软件上，Windows 平台凝聚了 大批的开发者，使 Microsoft 能快速迭代出不同层次的应用软件产品。
　　目前，除了主流的 X86、ARM 架构外，还有 MIPS、POWER、RISCV 等架构，其余架构简介如下：
　　MIPS 架构：由 MIPS 科技公司开发并授权，广泛被使用在许多电 子产品、网络设备、个人装置与商业装置上。最早的 MIPS 架构是 32 位，最新的版本已经变成 64 位。它包含大量的寄存器、指令数 和字符、可视的管道延时时隙，这些特性使 MIPS 架构能够提供最 高的每平方毫米性能和当今 SoC 设计中最低的能耗。
　　POWER 架构：由 IBM 公司设计开发，具有高度通用、高性能等 特性，支持从嵌入式系统到超级计算机等平台，在汽车、医疗设备、 军事、航空航天等领域都有一席之地。可以说 Power 是适用于物联 网、网络和无线、工业和环境控制系统、个人计算、企业服务器以 及手持设备和移动设备等领域的一款 CPU 架构。
　　RISC-V 架构：RISC 系列指令集的第五代产品。2010 年，加州大 学伯克利分校的研究团队设计出 RISC-V。虽然与 ARM 同属于精简 指令集架构，但 RISC-V 推出晚，没有背负向后兼容的包袱，架构 短小精悍。目前 RISC-V 被认为最适合应用在 IoT 市场。
　　X86 架构仍是主力，ARM 架构正奋起直追。X86 架构起步较早，生态 环境具有明显优势，目前 X86 架构占领了服务器、桌面和 PC 电脑市场 绝大部分份额。根据 IDC 统计，截至 2020 年，X86 架构服务器CPU 在全球服务器市场中销售量占比超过 97%，处于显著领先的地位。
　　相比 X86 架构的高性能，ARM架构拥有低功耗的错位优势。X86 架构 的强项是设计超高性能的 PC 和服务器处理器。在移动设备行业，X86 架 构下的复杂指令集难以放入移动设备体积较小的处理器中。而为了保持 高性能，X86 架构处理器会使得移动设备温度过高、耗电过快。例如， Intel i7 处理器平均发热率为 45 瓦；基于 ARM 的片上系统发热率最大 瞬间峰值约 3 瓦，功率是 Intel i7 处理器的 1/15。
　　02
　　CPU 行业具备寡头垄断特质
　　2.1. 全球 CPU 市场呈现双寡头垄断格局
　　Intel 霸主地位强势，AMD 欲与之争锋。目前 X86 架构占据了服务器、 桌面及 PC 电脑等终端的主要市场份额，其中代表厂商为 Intel 和 AMD， 尤以 Intel 产品市场占有率遥遥领先。根据 Passmark 发布的 AMD及 Intel的 CPU 市场份额报告，可以看出二者的市场份额占比和变化趋势：AMD 在 2021 年 Q3 季度实现了最高 39.7%的纪录，跟 Intel 形成 4：6 的格局；但难抵随后的下滑趋势，到 2022 年 Q1 季度已经跌倒了 34.3%，Intel 则 以 65.6%的份额拉大了双方的差距。可见 Intel 具备强势的霸主地位， AMD 近期虽脚步放缓但处于持续追赶状态。
　　2.2. 双雄在竞争中迭代，占据全球 CPU 市场
　　从英特尔公司和 AMD 公司的较量中，看 CPU 的历史变迁。二者的发 展历程可大致划分为四个阶段：第一阶段是发家起步期，第二阶段是初 始合作期，第三阶段是正面交锋期，第四阶段是持续较量期。
　　2.3. 英特尔：CPU 的先行者
　　英特尔公司成立于 1968年，是全球最大的个人计算机零件和半导体芯 片制造商。英特尔于 1971 年推出了全球第一个微处理器。微处理器所带 来的计算机和互联网革命，改变了整个世界。英特尔为计算机工业提供 关键元件，包括性能卓越的微处理器、芯片组、板卡、系统及软件等， 这些产品是标准计算机架构的重要组成部分。
　　从单核到多核。自英特尔在 1978 年推出第一颗 x86 处理器 8086 后， CPU 的发展方向一直都是整合更多的指令集与外部控制器，以及更高的主频。
　　第一款四核处理器问世。2006 年，Pentium D 处理器的继任者是非常经 典的 Core 2 Due 处理器，而且他们还用当年炮制首款双核处理器的手法 造出了首款四核处理器 Core 2 Quad。
　　制成和架构交替进步。从 2005 年开始，英特尔就制定了一套＂钟摆计 划＂（Tick-Tock 战略）。Tick-Tock 就是时钟 ＂嘀嗒＂ 的意思，一个嘀嗒 代表着一秒，而在 Intel 的处理器发展战略上，每一个嘀嗒代表着 2 年一 次的工艺制程进步。每个 Tick-Tock 中的＂Tick＂，代表着工艺的提升、 晶体管变小，并在此基础上增强原有的微架构，而 Tick-Tock 中的＂Tock＂， 则在维持相同工艺的前提下，进行微架构的革新，这样在制程工艺和核 心架构的两条提升道路上，总是交替进行。
　　2.4. AMD：CPU 的挑战者
　　AMD公司成立于 1969年，是一家生产微处理器、提供闪存和低功率处 理器解决方案的公司，是英特尔公司最强劲的竞争对手。
　　以＂第二供应商＂发家，靠质量赢得口碑。为了达到业界最高的质量， AMD 在起步之初就选择美国军工领域标准 MIL-STD883 作为 AMD 产 品质量的标准。严格的质量标准下，产品性能优势显著，助力 AMD 产 品打开市场。例如，当时 AMD 替代 Intel 的 Am1506 产品，其散热能力 比原版还强 30%。研发全速前进，不断拓展产品矩阵。1969 年，AMD 第一款产品 Am9300 是一款 MSI 移位寄存器，其基于 2 英寸晶圆，取得了当时行业领先 40% 良率。此后，公司推出了逻辑计数器 Am2501。1971 年，又推出了 MSI 乘数芯片 Am2505、Am3101。截至 1971 年，短短三年间，AMD 公司推 出了 67 款产品，其中 8 款是自主产权的产品。
　　2.5. 寡头竞争效应下，全球 CPU 市场规模稳步增长
　　在 Intel和 AMD的寡头竞争效应下，技术快速迭代叠加产品的全面推 广，全球 CPU市场规模稳步增长。根据全球半导体贸易统计组织（WSTS） 的数据，2013-2018 年，全球 CPU 行业呈现快速增长趋势，行业总收入 年均复合增长率为 9.33%；2019 年，受国际贸易影响，全球 CPU 行业 总收入略有下降；2020 年，因贸易摩擦缓解，加之数据中心、5G 商用、 智能汽车等需求的增加，全球 CPU 行业市场规模上升至 3612 亿美元， 同比增长 9.32%，市场重回稳步增长态势。
　　03
　　国产化助力打破 CPU 行业垄断格局
　　3.1. 国产 CPU 起步较早，但发展历经坎坷
　　国产 CPU 起步较早，但发展历经坎坷，大致可概括为开始起步、发展 受限、初具规模三大阶段。
　　3.2. 国产 CPU 紧跟全球发展进程，择优引进和自主研发并进
　　国产 CPU 架构各异，三大路线各有所长，择优引进和自主研发并进。国产 CPU 主要采用 X86 架构、ARM 架构、MIPS 架构和 Alpha 架构， 不同架构下厂商的自主化程度也有所区别。采用 X86 架构的代表厂商有 兆芯和海光，使用 IP 内核授权方式，基于指令集进行 SOC 集成设计， 自主化程度偏低，。采用 ARM 架构的代表厂商有飞腾和华为，使用 ARM 指令集授权方式，基于指令集授权自主设计 CPU，自主化程度较高。采 用 MIPS 架构和 Alpha 架构的代表厂商有龙芯和申威，自研指令集自主 设计，自主化程度极高。
　　3.3. 国内 CPU 市场呈现多点开花局面，国产化道路曲折而光明
　　国产 CPU目前呈现三大阵营，主要包括自主架构阵营、x86阵营和ARM 阵营。其中，自主架构主要包括龙芯与申威；x86 阵营包括上海兆芯和 天津海光（中科曙光参股）ARM 阵营包括飞腾（中国长城拟参股）和华芯通。
　　3.4. CPU 战略地位显著，国产化势在必行
　　俄乌冲突外溢多重危机，国家大安全战略下，仍将维持对国产 CPU的 强支持。俄乌冲突爆发后，越来越多的迹象显示现代战争已经不仅限于 热战，更像是一场信息科技战争。对比 1991 年海湾战争中的信息化、数 字化形态，眼下的俄乌冲突更体现了现代战争的智能化、算力化形态。俄乌冲突表明，战争打响后 CPU 生产等高技术企业瞬间就会变成攻城 掠地的马前卒，杀伤力不亚于精确制导武器。突破国外技术垄断，实现 自主可控，不仅仅局限于技术和商业层面。面对残酷的现代化战争，全 球不确定性和风险加剧，保卫国家安全离不开国产 CPU 的建设。
　　对于国产化厂商的影响较大。对于六大信创 CPU 厂商，首先鲲鹏、海 光、飞腾、申威为实体清单企业，无法使用美国技术和产品进行流片；其次，六家厂商目前正在销售的主力芯片制程都在 16nm 及以下（飞腾 16nm/7nm、申威 16nm、兆芯 16/7nm、景嘉微 14nm、海光 14/7nm、龙 芯 14/12nm、鲲鹏 7nm），因而美国此次新品出口管制新规对信创芯片实 现了全面打击。
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　　国产 CPU 六大主流厂商发展模式各异
　　4.1. 海光：国产 X86 CPU 的领航者
　　海光信息是一家从事高端处理器、加速器等计算芯片产品和系统研发的公司，是国产 X86 CPU 领航者。
　　公司主要产品包括海光通用处理器 （CPU）和海光协处理器（DCU）。海光 CPU 系列产品海光一号、海光 二号已经实现商业化应用，海光三号完成实验室验证，海光四号处于研 发阶段；海光 DCU 系列产品深算一号已经实现商业化应用，深算二号 处于研发阶段。公司产品核心优势在于，海光 CPU 系列产品兼容 X86 指令集以及国际上主流操作系统和应用软件。产品性能优异，软硬件生 态丰富，安全可靠，得到了国内用户的高度认可，已经广泛应用于电信、 金融、互联网、教育、交通等重要行业或领域。
　　4.2. 兆芯：合资 CPU 的探路者
　　公司坚持自主创新与兼容主流的发展路线。兆芯同时掌握中央处理器、 图形处理器、芯片组三大核心技术，具备相关 IP 自主设计研发的能力。兆芯凭借成熟的软硬件生态，为用户提供性能卓越、兼容性优异且安全 可靠的通用处理器和芯片组等产品，推动信息产业的整体发展。
　　4.3. 鲲鹏：垂直生态的领导者
　　鲲鹏是华为在芯片领域布局的重要一环，是垂直生态的领导者。
　　鲲鹏计算产业拥有完备的技术和商业基础。鲲鹏满足高性能、低功耗、 低延时的绿色计算要求，有巨大的市场空间， 同时又有中国电子技术标 准化研究院、Arm 中国、华为等行业翘楚支持。发展鲲鹏计算产业已经 具备了技术和商业基础。鲲鹏计算产业是基于 Kunpeng 处理器构建的全 栈 IT 基础设施、行业应用及服务，包括 PC、服务器、存储、操作系统、 中间件、虚拟化、数据库、云服务、行业应用以及咨询管理服务等。
　　鲲鹏产品优势明显，远超行业平均水平。华为 2019 年 1 月对外发布鲲 鹏 920 处理器，是业界最高性能 ARM-based 处理器，采用国产芯片唯 一、最先进的 7nm 工艺，集成 64 个核心。鲲鹏 920 实现 ARM 架构 业界性能最强，集成四大结构包括网络、存储、主控芯片和 CPU 于单 一封装中。在 SPECint 基准测试中，鲲鹏服务器测试得分超过 930，超 行业基准 25%，同时电力效率高同业 30%，实现更强性能的同时降低功 耗。鲲鹏产品 920 对标 XEON8180, 且在海量存储场景优势明显。在 SPEC 测试中，48 核的鲲鹏 920 与 IntelXEON8180 的性能相当，而 64 核的测试性能要优于 XEON8180。且 48 核的鲲鹏功耗为 150W 低于 XEON8180 的 205W。此外，进一步对比内存等指标和集成网卡等特点， 鲲鹏 920 在海量存储的应用场景中更有优势。
　　4.4. 飞腾：PK 生态的主导者
　　飞腾信息技术有限公司是国内领先的自主核心芯片提供商，是PK生态 的主导者。公司由中国电子信息产业集团、天津市滨海新区政府和天津 先进技术研究院于 2014 年联合支持成立。中国电子旗下两大子公司，中 国软件（麒麟操作系统）+中国长城（飞腾芯片），组成国产基础软硬件 PK 体系（对标 Win-tel），飞腾芯片扛旗 PK 体系 CPU。
　　公司产品对标国际水准，提供自主先进的国产化解决方案。飞腾系列国 产高性能、低功耗通用计算微处理器的设计研发和产业化推广。飞腾联 合众多国产软硬件生态厂商，提供基于国际主流技术标准、中国自主先 进的全国产信息系统整体解决方案，支撑国家信息安全和重要工业安全。飞腾芯片产品主要包括高性能服务器 CPU（飞腾腾云 S 系列）、高效能 桌面 CPU（飞腾腾锐 D 系列）、高端嵌入式 CPU（飞腾腾珑 E 系列） 和飞腾套片四大系列，在国内政务办公、云计算、大数据以及金融、能 源和轨道交通等行业信息系统领域已实现批量应用。
　　4.5. 龙芯：自主可控程度最高的 CPU
　　龙芯中科是一家全面掌握处理器 IP 和指令系统、操作系统等核心技术 的公司，打造了自主可控程度最高的 CPU。从业务占比变化看，2020 年开始信 息化类芯片实现大幅度增长，主要系 3A4000 系列产品性能成倍提升， 对虚拟化、安全机制等方面的支持加强，符合目前已进入快速增长阶段 的关键信息基础设施领域的应用需求。
　　龙芯产品均基于自研的 LoongArch 架构。区别于使用国外授权主流 X86 和 ARM 架构的公司，龙芯从建立之初强调＂自主可控＂，最新产 品 3A5000/3B5000 处理器是基于自研的 LoongArch 架构。公司目前已 经全面掌握 CPU 指令系统、处理器 IP 核、操作系统等计算机核心技 术，打造自主开放的软硬件生态和信息产业体系。龙芯中科芯片产品在 电子政务、能源、交通、金融、电信、教育等行业领域已获得广泛应用。
　　4.6. 申威：特征领域的引领者
　　为解决在国防和网络信息安全无＂芯＂可用的困境，国家于2003年创建 国家高性能集成电路（上海）设计中心，负责对国产自主可控芯片进行 设计开发，并将芯片命名为＂申威＂。在国家 863 计划支持下，于 2006 年成功研制出第一代国产 64 位通用处理器——＂申威 1＂；在国家＂核 高基＂专项支持下，于 2010 年成功研发世界首款 16 核通用处理器SW1600， 该芯片成功应用于国内首台采用国产处理器的千万亿次计算机系统— —神威蓝光超级计算机系统。
　　神威·太湖超级计算机搭载了 40960 颗申威 26010 处理器。2016 年，搭 载 40960 颗申威 26010 处理器的神威·太湖超级计算机荣获世界性能榜 首，速度比第二名 ＂天河二号＂快近 2 倍，效率提升 3 倍。2016 年， 成都申威科技有限责任公司成立，从事对申威处理器的产业化推广。
　　申威自主可控软件生态系统采用 Linux开源移植+自主研发相结合的方 式。和 Wintel 体系以及 X86-Linux 体系比较，申威软件生态系统在基础 软件和部分应用软件上都有对应的自主软件产品，有力地支撑了申威处 理器平台的产业化发展。
　　4.7. 主流 CPU 厂商横向对比情况
　　CPU是信创工程硬件生态的核心，国产 CPU企业在信创浪潮中大有可 为。CPU 作为信创底层硬件基础设施中的核心，提供最底层的计算能力， 是信创国产化替代过程中的重中之重，当前主流芯片架构为 ARM 和 X86， 均为国外主导(主要有 Intel、AMD) ，芯片国产化率较低，目前国内 CPU 企业有 6 家, 海思、龙芯、兆芯、飞腾、申威，各有优势和侧重点。
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　　国产 CPU 发展前景广阔
　　5.1. 国产 CPU 由数字经济新基建和信创双轮驱动
　　当前 CPU行业主要由数字经济新基建和信创两条主线驱动。1）数字经 济新基建：主要为超算中心、智算中心等建设过程中的增量采购；2）信 创：党政信创进入常态化模式，行业信创接棒爆发，对国产化率有明确 目标。整体而言，服务器行业进入更为市场化发展的阶段，除考虑自主 可控的强弱要求和股东背景外，性能、生态、性价比、功耗等均是相关 企业衡量的重要指标。短期内，鲲鹏、海光、飞腾三家最有望受益于行业信创及新基建的爆发节奏。
　　5.2. 信创 CPU 的 PC 端和服务器端未来前景广阔
　　中性情况下，预计未来信创 PC 年出货量可达 1122 万台。因获取实际 PC 数量数据较为困难，我们假设一名工作人员配备一台电脑，以员工人 数近似替代 PC 存量数据。内网机以及军队、党政单位的 外网机替换强度都较大，重要行业中短期内替换强度相对较低，我们预 计未来保守/中性/乐观情况下每年信创 PC 出货量分别为 748/1122/1456 万台。
　　中性情况下，预计 2025年信创 PC及服务器出货量分别达到1000及100 万台。根据 IDC 数据，2020 年我国 PC 及服务器市场出货量分别为 4910 万台及 350 万台，IDC 预计至 2025 年我国 PC 及服务器出货量将分别达 到 6766 万台及 564 万台。