2021國產(chǎn)化CPU生態(tài)、價值與機遇

前言：服務(wù)器是一種為客戶機提供服務(wù)的高性能計算機。關(guān)于服務(wù)器最全分析材料請參考文章“終極版：服務(wù)器基礎(chǔ)知識全解(182頁PPT）”。

中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一臺計算機的運算和控制核心，其功能主要是完成對計算機指令的執(zhí)行和對數(shù)據(jù)的處理，CPU與內(nèi)部存儲器、輸入/輸出設(shè)備被認為是電子計算機三大核心部件。

本文參考自東興證券，報告內(nèi)容：CPU生態(tài)、價值與機遇研究（2021）

目前幾乎所有馮·諾伊曼型計算機的CPU的工作流程可以分為：提取指令、指令編譯、指令執(zhí)行、訪問主存并讀取操作數(shù)、寫回等五個階段。

CPU的幾大主要結(jié)構(gòu)在過程中的作用如下：控制單元（Control Unit）作為CPU的控制中心，負責將存儲器中的數(shù)據(jù)發(fā)送至運算單元并將運算后的結(jié)果存回到存儲器中，其一切行為均來自于指令。運算單元（Arithmetic/Logic Unit）可以執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算。它執(zhí)行來自于控制單元的命令。存儲單元（Registers、Cache）是CPU中數(shù)據(jù)暫時存儲的位置，其中寄存有待處理或者處理完的數(shù)據(jù)。寄存器（Registers）較內(nèi)存相比，可以減少CPU訪問數(shù)據(jù)的時間，也可以減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)，有助于提高CPU的工作速度。

目前CPU架構(gòu)主要分為CISC(復(fù)雜指令集)和 RISC(精簡指令集)。

1971年美國英特爾公司推出世界第一款商用計算機微處理器Intel 4004，被認為是CPU發(fā)展史的開端。作為4位處理器，Intel 4004由10um制程工藝在2英寸晶圓上打造，集成了2300個晶體管，主頻為740kHz。

到了2020年，第十一代酷睿處理器芯片基于英特爾10nm工藝打造，將集成超過百億個晶體管，最高主頻可高達4.8Ghz。這顆CPU芯片不再是單一的CPU，而是集成了全新架構(gòu)的Willow Cove內(nèi)核、Iris X圖形處理器、內(nèi)存控制器、圖像處理器、媒體解碼器、電源管理、神經(jīng)元加速器和各類高速接口控制器等各種組件。其中Willow Cove內(nèi)核正是這顆CPU芯片集成的傳統(tǒng)意義上的CPU。

CPU的發(fā)展史，按照其處理信息的字長，可以分為：四位微處理器、八位微處理器、十六位微處理器、三十二位微處理器以及六十四位微處理器等等。

英特爾X86指令集中的單指令多數(shù)據(jù)流指令集可以劃分為MMX、SSE、AVX。英特爾的指令集采用疊加的方式向前發(fā)展，從奔騰的MMX到Skylake的AVX512，指令集的位數(shù)從64位升級至了512位。單次指令的負載能力提升了8倍。

MMX指令集是多媒體拓展指令集的簡稱。初代的MMX僅提供整數(shù)運算，而不兼容浮點運算，且當年MMX的軟件支持進展緩慢；SSE是流式單指令多數(shù)據(jù)流的簡稱，該指令集創(chuàng)建了新的128位寬的寄存器文件（XMM0–XMM7）和新的單指令多數(shù)據(jù)流指令，解決了MMX的核心缺點；AVX是高級矢量拓展指令集的簡稱，該指令集使用16個YMM寄存器對多條數(shù)據(jù)執(zhí)行單個指令。

X86架構(gòu)目前占據(jù)服務(wù)器、桌面及移動PC的主要市場份額。從歷史發(fā)展來看，CISC誕生于1960年代，而RISC思想成立于1970年代，成熟于1980年代，CISC發(fā)展要早于RISC；從性能來看，CISC憑借其較強的單核性能領(lǐng)先于RISC，能夠更好的滿足服務(wù)器、桌面、移動PC的運算需求；從生態(tài)來看，上世紀80年代后期Intel和Windows組成的“Wintel”聯(lián)盟成立，打敗了蘋果、IBM、摩托羅拉的Power聯(lián)盟，自此Wintel壟斷桌面市場長達20多年。

截止目前，服務(wù)器、桌面及移動PC市場主要使用X86架構(gòu)處理器，其中Intel更是憑借先發(fā)優(yōu)勢及生態(tài)優(yōu)勢占據(jù)市場大多數(shù)份額。后來隨著AMD第二代Epyc處理器“羅馬”問世，AMD的服務(wù)器CPU市占率在短短兩年內(nèi)從1%增長到了8%；接著AMD發(fā)布第三代Epyc處理器“米蘭”，其服務(wù)器市場份額有望達到15%。由于AMD服務(wù)器芯片的較高性價比及臺積電7納米制程技術(shù)的加成，越來越多的數(shù)據(jù)中心開始采購AMD的產(chǎn)品。因此，X86市場目前整體呈現(xiàn)Intel及AMD兩家獨大的競爭格局。

RISC具備高度優(yōu)化的指令集、大量的寄存器、高度規(guī)則的指令流水線以及讀取/存儲體系結(jié)構(gòu)，使得RISC在執(zhí)行指令時速度較快且性能穩(wěn)定，從而適宜流水線方式運作，并在并行處理方面具備明顯優(yōu)勢。RISC概念是由Berkeley的David Patterson正式提出，1980年David Patterson 和 Carlo H. Sequin兩位教授領(lǐng)導(dǎo)了Berkeley RISC項目，該項目最終產(chǎn)生了RISC設(shè)計，生成了RISC-I的處理器；RISC成熟于20世紀80年代中后期，越來越多的商業(yè)RISC芯片開始廣泛應(yīng)用；20世紀90年代后期，憑借開源、異構(gòu)運算、可定制化等優(yōu)勢，ARM開始大面積應(yīng)用到低能耗的移動設(shè)備，伴隨著iPhone的問世以及谷歌推出基于ARM指令集的Android系統(tǒng)（AA體系），以ARM架構(gòu)為代表的RISC在移動設(shè)備領(lǐng)域大幅領(lǐng)先以X86為代表的CISC架構(gòu)。截止目前，RISC架構(gòu)仍占據(jù)移動設(shè)備領(lǐng)域主要市場份額，并隨著性能不斷提升及生態(tài)不斷完善，RISC架構(gòu)也在逐步進軍CISC為主的PC、桌面及服務(wù)器領(lǐng)域。

服務(wù)器、桌面和PC端長期被X86架構(gòu)占據(jù)，目前RISC架構(gòu)主要應(yīng)用在移動終端、嵌入式、超算等其他領(lǐng)域，如超90%的智能手機采用ARM架構(gòu)，MIPS在嵌入式設(shè)備中有著廣泛應(yīng)用，搭載了40960顆申威SW26010以及運行國產(chǎn)操作系統(tǒng)神威睿思的神威太湖之光獲得全球超級計算機第一名，并持續(xù)4年等等。

ARM架構(gòu)：移動設(shè)備之王，逐步向服務(wù)器及桌面拓展

雖然X86架構(gòu)長期占據(jù)服務(wù)器、桌面、PC主要市場份額，但是近期RISC架構(gòu)也不斷向X86優(yōu)勢領(lǐng)域進攻，主要體現(xiàn)在兩個方面：

一是技術(shù)層面走向融合，逐步適應(yīng)X86架構(gòu)生態(tài)，例如蘋果在軟件生態(tài)上通過Rosetta 2和Universal 2使原先基于X86的軟件可以無縫地運行在M1芯片中；

二是性能不斷提升、生態(tài)不斷完善，與X86架構(gòu)正面競爭，例如蘋果A13在晶體管密度與1165g7相近，線程數(shù)少于對方1/4，主頻低于對方1/2的情況下，在性能方面領(lǐng)先英特爾1年；在服務(wù)器領(lǐng)域，ARM的新星架構(gòu)“Neoverse”，在單核心方面追平AMD和Intel的服務(wù)器CPU的同時，憑借ARM并行計算、能耗控制、易拓展性的優(yōu)勢，在多核性能方面超過對手60%以上，ARM的性能已經(jīng)不再成為短板。

ARM架構(gòu)，曾稱進階精簡指令集機器(Advanced RISC Machine)更早稱作Acorn RISC Machine，是一個32位精簡指令集(RISC)處理器架構(gòu)。還有基于ARM設(shè)計的派生產(chǎn)品，重要產(chǎn)品包括Marvell的XScale架構(gòu)和德州儀器的OMAP系列。

• ARM架構(gòu)具有成本低、低費用、低功耗、小體積、高性能的特點。適用眾核架構(gòu)，適合高并發(fā)、高帶寬的計算場景。

• ARM與合作伙伴的商業(yè)模式主要有：1. PoP IP；2. IP Core；3. BoC（例如高通）；4. Architectural（例如蘋果）四種模式。

• ARM處理器廣泛使用在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，低耗電節(jié)能，非常適用移動通訊領(lǐng)域。消費性電子產(chǎn)品，例如可攜式裝置(PDA、移動電話、多媒體播放器、掌上型電子游戲，和計算機)，電腦外設(shè)(硬盤、桌上型路由器)，甚至導(dǎo)彈的彈載計算機等軍用設(shè)施。

• 世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當?shù)耐鈬娐?，從而形成自己?span style="font-family: "Times New Roman";color: rgb(0, 0, 0);">ARM微處理器芯片進入市場。

• 到目前為止，ARM處理器及技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)廣泛深入到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。

MIPS架構(gòu)：高效低耗的閃耀明星

MIPS架構(gòu)20多年前由斯坦福大學(xué)開發(fā)，是一種簡潔、優(yōu)化、具有高度擴展性的RISC架構(gòu)。它的基本特點是:包含大量的寄存器、指令數(shù)和字符、可視的管道延時時隙，這些特性使MIPS架構(gòu)能夠提供最高的每平方毫米性能和當今SoC設(shè)計中最低的能耗。

MIPS公司的R系列就是在此基礎(chǔ)上開發(fā)的RISC工業(yè)產(chǎn)品的微處理器。這些系列產(chǎn)品為很多計算機公司采用構(gòu)成各種工作站和計算機系統(tǒng)。

MIPS多線程CPU已廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域、不同類型的產(chǎn)品之中，并且這一勢頭仍將延續(xù)。隨著從LTE轉(zhuǎn)向下一代技術(shù)，即在MIPS I6400和I6500內(nèi)核中支持同步多線程技術(shù)，多線程也會成為5G高速增強移動寬帶等眾多新一代應(yīng)用程序的理想選擇。

此外，MIPS多線程CPU還可以用于許多移動設(shè)備的LTE調(diào)制解調(diào)器中。憑借獨特的多線程功能，尤其是在聯(lián)網(wǎng)和汽車等領(lǐng)域，MIPS CPU將繼續(xù)提供極具吸引力的性能和功效，并為電子行業(yè)提供廣泛的生態(tài)系統(tǒng)支持。

RISC-V架構(gòu)：完全開源的新晉明星，物聯(lián)網(wǎng)時代迎來發(fā)展機遇

RISC-V是一個基于精簡指令集（RISC）原則的第五代開源指令集架構(gòu)（ISA），于2010年由加州大學(xué)伯克利分校的研究團隊開發(fā)，具有完全開源、架構(gòu)簡單、易于移植適用于各種設(shè)備、完整工具鏈等特點，運行效率高，目前接受度逐漸提高，有望成為繼X86和ARM架構(gòu)之后第三大主流指令集架構(gòu)。

RISC-V基金會為非盈利會員制組織，旨在通過采用和實施免費和開放的 RISC-V 指令集架構(gòu) (ISA) 來推動處理器創(chuàng)新的新時代，自 RISC-V 基金會于 2015 年成立以來，RISC-V 生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷了爆炸式增長，2020年成員增長率達到133%。

物聯(lián)網(wǎng)興起為RISC-V帶來發(fā)展機遇。移動終端和開源Android系統(tǒng)作為下游終端的興起必然帶動上游產(chǎn)業(yè)鏈拓展增長空間，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起為包括RISC-V在內(nèi)的指令集架構(gòu)的上游產(chǎn)業(yè)鏈提供新的成長潛力。從市場潛力來看，全球物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模查過20萬億美元，預(yù)計在2025年將達到1567萬億美元；中國物聯(lián)網(wǎng)市場蓬勃發(fā)展，2020年市場規(guī)模1.66萬億美元。同時從技術(shù)上看，RISC-V開源等特性與物聯(lián)網(wǎng)要求更靈活和多樣的特性吻合。

外國技術(shù)限制與半導(dǎo)體國產(chǎn)化進程加快。自中美貿(mào)易戰(zhàn)以來，中國企業(yè)受制于美國不能升級架構(gòu)的風險并且這種風險長期存在，RISC-V開源及逐漸被廣泛接受為我國芯片廠商通過RISC-V架構(gòu)實現(xiàn)自主性提供可行性。

RISC-V的優(yōu)點包括：（1）發(fā)展時間短，架構(gòu)設(shè)計上沒有歷史包袱，采用的理念和方法較為先進；（2）開源的機制降低了進入門檻，使技術(shù)觸及更多企業(yè)和開發(fā)者；（3）尚未一家獨大，發(fā)展模式不受限。短期內(nèi)ARM架構(gòu)依然會占據(jù)中高端市場，RISC-V主要在一些碎片化的新興市場展開應(yīng)用，比如物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的輕終端場景，這些場景有低功耗低成本的需求，但是往往程序不用大改、對軟件生態(tài)的依賴性不高、出貨量又很大，符合RISC-V階段性的發(fā)展目標。

RISC-V的主要缺點是發(fā)展時間短，生態(tài)不完整，碎片化程度高，但是隨著入場玩家增加，這一問題有望得到解決。RISC-V誕生時間太短，相關(guān)的編譯器、開發(fā)工具和軟件開發(fā)環(huán)境（IDE）以及其它生態(tài)要素還在發(fā)展。RISC-V必須依靠強有力的商業(yè)玩家來長期支持和推進，方能得到持續(xù)發(fā)展。

開源特性吸引大批科技公司入場RISC-V領(lǐng)域，未來RISC-V架構(gòu)芯片數(shù)量將逐步放量。RISC-V允許任何廠商設(shè)計、制造和銷售RISC-V芯片和軟件，其開源特性吸引IBM、NXP、西部數(shù)據(jù)、英偉達、高通、三星、谷歌、華為、阿里、Red Hat 與特斯拉等100 多家科技公司加入其陣營，國內(nèi)也成立了RISC-V 中國聯(lián)盟拓展相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展。據(jù)Semico Research，預(yù)計到2025 年，采用 RISC-V 架構(gòu)的芯片數(shù)量將增至624 億顆，2018 年至 2025 年復(fù)合增長率高達 146%。

國產(chǎn)CPU的飛騰之路：十五期間，國家啟動發(fā)展國產(chǎn)CPU的泰山計劃，863計劃也提出自主研發(fā)CPU。2006年核高基專項啟動，國產(chǎn)CPU領(lǐng)域迎來了新一輪的國家支持。誕生出了鯤鵬、飛騰、龍芯、兆芯、海光、申威等一批優(yōu)質(zhì)企業(yè)，國產(chǎn)CPU再度啟。

中國自2001年開始啟動處理器設(shè)計項目，至今將近20年，產(chǎn)生了以中科龍芯、天津飛騰、海光信息、上海申威、上海兆芯等為代表的國產(chǎn)CPU，并且產(chǎn)品的性能逐年提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，使中國長期以來無“芯”可用的局面得到了極大扭轉(zhuǎn)，為構(gòu)建安全、自主、可控的國產(chǎn)化計算平臺奠定了基礎(chǔ)。

目前，國產(chǎn)CPU架構(gòu)大體可以分為三類：

第一類，是以龍芯為代表的MIPS指令集架構(gòu)和以申威為代表的Alpha架構(gòu)，申威已基本實現(xiàn)完全自主可控（申威64已經(jīng)完全形成了自己的架構(gòu)），龍芯部分關(guān)鍵技術(shù)需付專利費；

第二類，是以飛騰和華為鯤鵬為代表基于ARM指令集授權(quán)的國產(chǎn)芯片。ARM主要有三種授權(quán)等級：使用層級授權(quán)、內(nèi)核層級授權(quán)和架構(gòu)/指令集層級授權(quán)，其中指令集層級授權(quán)等級最高，企業(yè)可以對ARM指令集進行改造以實現(xiàn)自行設(shè)計處理器，目前海思、飛騰已經(jīng)獲得ARMV8永久授權(quán)；

第三類，是以海光、兆芯為代表的獲得x86的授權(quán)（僅內(nèi)核層級的授權(quán)），未來擴充指令集形成自主可控指令集難度較大。因此，可以看出，在自主可控程度上申威、龍芯>飛騰、鯤鵬>海光、兆芯，但未來鯤鵬和飛騰如果基于ARMV8發(fā)展出自己的指令集，則創(chuàng)新可信程度將顯著提升。同時在未來ARMV9V10等新架構(gòu)拿不到授權(quán)的情況下，依然可以維持先進性。

在X86領(lǐng)域，AMD市場規(guī)模從2018年到2019年增長了1pcts，Intel小幅下滑，但仍然呈現(xiàn)出Intel占主導(dǎo)領(lǐng)域的態(tài)勢。在服務(wù)器領(lǐng)域，Intel市占率仍然高達96%以上，同時AMD公司正在努力提升自己的市場份額，從2018年的1.8%增長到2019年的3.9%，增長了117%。?

在筆記本電腦領(lǐng)域中，AMD市占率大幅上升，從2018年的10%增長到2019年的14.6%，Intel則下降了5.1%。

在桌上型電腦領(lǐng)域中，AMD市占率持續(xù)上升，兆芯也占據(jù)了一定市場份額。

在非x86領(lǐng)域，主流cpu架構(gòu)為ARM，RISC-V，MIPS以及Power。其中ARM以低耗、高效、發(fā)展時間長的優(yōu)勢牢牢把握手機等移動終端的市場，目前也是非X86架構(gòu)中應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成熟的架構(gòu)，市占率達到43.2%；RISC-V發(fā)展時間短且更加靈活，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域備受關(guān)注，近幾年以其開源性質(zhì)被重點關(guān)注發(fā)展；MIPS主要應(yīng)用在網(wǎng)關(guān)、機頂盒等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，市占率達到9%；Power所代表的小型機是企業(yè)IT基礎(chǔ)設(shè)施的核心。

在移動終端方面，ARM占據(jù)絕對優(yōu)勢，通過授權(quán)占據(jù)移動設(shè)備端90%以上的市場，構(gòu)成市場上的標準架構(gòu)。聯(lián)發(fā)科是世界上最大的ARM手機芯片供應(yīng)商，蘋果、三星、高通等行業(yè)領(lǐng)頭羊均在最近幾年使用ARM架構(gòu)，逐步實現(xiàn)基于ARM的全生態(tài)鏈。

在服務(wù)器方面，非x86目前參與者華為、飛騰、高通、亞馬遜等，華為的鯤鵬服務(wù)器是ARM服務(wù)器的重要參與者，盡管據(jù)華為稱，鯤鵬出貨量已占據(jù)市場50%，ARM架構(gòu)有望發(fā)揮其在移動市場的優(yōu)勢，借力云端協(xié)同，搶占服務(wù)器市場更多份額。國產(chǎn)龍芯是基于MIPS的服務(wù)器重要廠商。

在桌面PC市場，ARM正逐漸被跟多企業(yè)應(yīng)用，2011年微軟開始采用ARM的Windows系統(tǒng)，ARM開始進入X86的傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域，如今蘋果MacOS、新版Windows等均采用了ARM。

目前非X86市場仍以ARM架構(gòu)為主，占非X86處理器絕大部份份額。ARM架構(gòu)在智能手機、調(diào)制解調(diào)器、車載信息設(shè)備、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域都占據(jù)絕對統(tǒng)治地位。此外，隨著ARM處理性能升級，達到與傳統(tǒng)X86體系分庭抗禮的水平。整體來看，以高通驍龍、聯(lián)發(fā)科、三星Exynos、蘋果A系列偉代表的ARM架構(gòu)RISC處理器占據(jù)了移動處理器的市場。MIPS、Alpha、Power等架構(gòu)已不是市場主流，但在特定領(lǐng)域內(nèi)仍在被使用。

基于ARM授權(quán)芯片數(shù)量不斷增長。截止到2019年，基于ARM授權(quán)的芯片出貨量超過1660億顆，占全球整個芯片市場出貨量的市場份額高達34%；就服務(wù)器領(lǐng)域，2019年全年，非X86服務(wù)器出貨量達到8060臺，同比增長60.2%，市場規(guī)模達到5.2億美元，同比增長2.0%；2020年Q3非X86服務(wù)器CPU同期收入為16.4億美元，占比7.2%。

ARM架構(gòu)拓展除移動設(shè)備外的多個領(lǐng)域。蘋果發(fā)布基于ARM處理器架構(gòu)的全新Macbook。對與ARM產(chǎn)業(yè)提振作用巨大，2020年11月蘋果放棄了使用多年的Intel處理器，將在兩年內(nèi)全部過度到ARM處理器。服務(wù)器端ARM處理器也在陸續(xù)應(yīng)用。2020年6月亞馬遜AWS宣布第六代亞馬遜彈性計算服務(wù)中基于ARM三種產(chǎn)品高出同類X86性價比的40%。此外，ARM在物聯(lián)網(wǎng)、汽車等領(lǐng)域均有很大發(fā)展?jié)撡|(zhì)。ARM在公共事業(yè)、智慧城市、資產(chǎn)管理等領(lǐng)域均提供了解決方案。

下載鏈接：

CPU生態(tài)、價值與機遇研究（2021）

信創(chuàng)研究專題框架

異構(gòu)芯片研究框架合集

CPU和GPU研究框架合集

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