行业专题CPU国产格局及替代空间

　　01hrCPU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（CentralProcessingUnit）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，ComplexInstructionSetComputer）和精简指令集（RISC，ReducedInstructionSetComputer）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WindowsIntel，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。
　　RISCV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RISCV。虽然与ARM同属于精简指令集架构，但RISCV推出晚，没有背负向后兼容的包袱，架构短小精悍。目前RISCV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，Inteli7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Inteli7处理器的115。
　　02hrCPU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，PentiumD处理器的继任者是非常经典的Core2Due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Core2Quad。
　　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（TickTock战略）。TickTock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TickTock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TickTock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MILSTD883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，20132018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。
　　03hr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16nm7nm、申威16nm、兆芯167nm、景嘉微14nm、海光147nm、龙芯1412nm、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。
　　04hr国产CPU六大主流厂商发展模式各异
　　4。1。海光：国产X86CPU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X86CPU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ARMbased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Wintel），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3A50003B5000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X86Linux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。
　　05hr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74811221456万台。
　　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。