芯片行業(yè)110頁深度報(bào)告：CPU研究框架 | 附完整報(bào)告下載
報(bào)告出品方/作者：方正證券，陳杭
CPU是IT系統(tǒng)最基礎(chǔ)的核心硬件，又是最復(fù)雜的芯片。CPU因研發(fā)門檻高、生態(tài)構(gòu)建難，被稱作IC半導(dǎo)體的“珠峰”。報(bào)告主要從以下四個(gè)方面建立國產(chǎn)CPU的框架：
CPU的定義及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
CPU的指令集與微架構(gòu)
CPU發(fā)展歷程與未來趨勢剖析
CPU的需求側(cè)與供給側(cè)分析
服務(wù)器CPU全球市場格局：霸主英特爾，追趕者AMD
英特爾：七大系列產(chǎn)品全覆蓋
AM：持續(xù)發(fā)力的追趕者
蘋果：M1芯片橫空出世
國產(chǎn)CPU的發(fā)展歷程:再度起航
CPU國產(chǎn)化分析:嚴(yán)重依賴進(jìn)口
詳解六大國產(chǎn)CPU:國產(chǎn)CPU第一梯隊(duì)
國產(chǎn)CPU其他標(biāo)的
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報(bào)告摘要
一、CPU投資邏輯框架
國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)鏈—先進(jìn)制程數(shù)字芯片產(chǎn)業(yè)鏈
CPU是數(shù)字芯片，基于制程越小，性能越好的規(guī)律，CPU產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)窍冗M(jìn)制程數(shù)字芯片產(chǎn)業(yè)鏈。
當(dāng)前國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)口替代:設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，華為鯤鵬，飛騰等龍頭已經(jīng)躋身世界一流水平，封測環(huán)節(jié)，通富承接AMD7nmCPU封測，14nm及以下結(jié)點(diǎn)的先進(jìn)制程，設(shè)備、材料、EDA/IP、制造等環(huán)節(jié)與國外領(lǐng)先 龍頭差距較大，目前仍采用“外循環(huán)為主+內(nèi)循環(huán)為輔”的模式。
海外CPU產(chǎn)業(yè)鏈—先進(jìn)制程數(shù)字芯片產(chǎn)業(yè)鏈
CPU產(chǎn)業(yè)鏈的巨頭大多集中在海外，它們位居產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)核心，對全球CPU行業(yè)起著決定性的作用。
設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：英特爾和AMD幾乎壟斷通用型CPU的市場;設(shè)備、材料、EDA/IP等環(huán)節(jié)國內(nèi)龍頭與國外龍頭差距較大，國產(chǎn)化率較低;制造環(huán)節(jié):目前只有臺(tái)積電和三星有5nm制程生產(chǎn)能力，但均需使用美國設(shè)備; 封測環(huán)節(jié):目前中國臺(tái)灣、中國大陸、美國三分天下。
我們?nèi)绾慰创龂a(chǎn)CPU未來格局
除了先進(jìn)制程某些環(huán)節(jié)缺失以外，國產(chǎn)CPU還存在一個(gè)嚴(yán)重的短板，即來自于國內(nèi)CPU生態(tài)建設(shè)的落后。
生態(tài)對于CPU產(chǎn)業(yè)影響極大。上世紀(jì)90年代，以復(fù)雜指令集為代表的英特爾憑借著與微軟的Wintel體系，在通用CPU領(lǐng)域占據(jù)了絕大多數(shù)份額，至今仍牢不可破。精簡指令集則被逐漸擠壓到嵌入式市場，后來智能手機(jī)興起后才獲得新生:ARM通過構(gòu)筑與Android的生態(tài)合作(AA體系)，占據(jù)了全球95%的移動(dòng)芯片授權(quán)市場。
對于X86內(nèi)核授權(quán)的廠商:生態(tài)最為完善，但發(fā)展存在安全可控和技術(shù)授權(quán)兩大壁壘，海光自去年被美國政府列入實(shí)體清單后，AMD表示最新的架構(gòu)不再進(jìn)行授權(quán)，兆芯使用威盛電子的x86早期授權(quán)，性能相對落后。對于Arm指令集授權(quán)廠商:生態(tài)體系與安全可控最為平衡，且
通過架構(gòu)授權(quán)把握主動(dòng)權(quán)，隨著Arm生態(tài)愈發(fā)繁榮，若不考慮美國實(shí)體清單的負(fù)面影響，前景最為光明。
對于自研架構(gòu)廠商:完全自主可控的引領(lǐng)者，厚積而薄發(fā)，其最大的瓶頸在于生態(tài)壁壘。
總結(jié):目前國產(chǎn)CPU主要需求來自服務(wù)器、政企、工業(yè)等市場，鮮少出現(xiàn)在消費(fèi)級(jí)市場。我們認(rèn)為基于安全的自主可控是推動(dòng)國產(chǎn)CPU成長的主要力量，且基于架構(gòu)的差異性帶來的應(yīng)用不同，我們認(rèn)為指令集架構(gòu)不會(huì)直 接消亡，不同架構(gòu)都會(huì)衍生出行業(yè)龍頭，考慮通用CPU等格局極為穩(wěn)固，可關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)以及汽車等新興領(lǐng)域。
二、詳解CPU：IC產(chǎn)業(yè)中的“珠穆朗瑪峰”
CPU指令集的發(fā)展趨勢:更多、更全
指令集升級(jí)的“更多”：指令集總數(shù)的 上升以及指令集的二進(jìn)制位數(shù)上升。
縱觀CPU指令集的發(fā)展史，新指令集的 產(chǎn)生不會(huì)廢除原有的指令集。指令集的 發(fā)展是采用疊加的方式進(jìn)行的，以保證 整個(gè)系統(tǒng)的兼容性。例如第11代酷睿 Tigerlake比上代的Icelake，多了虛擬 化的VT-X指令集。
指令集升級(jí)的“更全”:新CPU相較于 舊CPU對單一大類下的指令集子類支持 更全面。
CPU指令集的發(fā)展趨勢：ARM奮起直追X86
微架構(gòu)是指令集在CPU中的執(zhí)行方法。指令集和微架構(gòu)共同構(gòu)成了CPU內(nèi)核，它們決定了CPU每個(gè)周期內(nèi)的指令數(shù)，并最終影 響CPU的性能。所以指令集從根部支撐CPU的運(yùn)作，處于核心的地位。
ARM于2011年進(jìn)入64位時(shí)代，比X86-64晚了十年。但是ARM憑借開源、異構(gòu)運(yùn)算、可定制化等一系列優(yōu)勢，在蘋果、高通 、三星、華為、英偉達(dá)等方面的努力下，ARM架構(gòu)立足于低功耗的移動(dòng)市場，緊抓云化和移動(dòng)計(jì)算的時(shí)代紅利，不斷向高性能 臺(tái)式和服務(wù)器領(lǐng)域沖擊。
在移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域，蘋果A系列和M1處理器逐步趕超英特爾的X86處理器。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，我們強(qiáng)烈看好Arm未來前景。并且蘋果在軟件生態(tài)上通過 Rosetta 2和Universal 2，使原先基于X86的軟件可以無縫地運(yùn)行在M1芯片中，軟件生態(tài)已經(jīng)不再成為ARM的阻礙了。
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(shí)，憑借ARM并行計(jì)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。
CPU制程的發(fā)展趨勢：先進(jìn)制程為導(dǎo)向
CPU性能的三大決定因素為主頻、IPC、指令數(shù)。這些因素中主頻通常是由CPU的制程決定的。
制程在過去通常表示晶體管或柵極長度等特征尺寸，不過出于營銷的需要，現(xiàn)在的制程已經(jīng)偏離了本意，因此單純 比較納米數(shù)沒有意義。按英特爾的觀點(diǎn)，每平方毫米內(nèi)的晶體管數(shù)(百萬)更能衡量制程。據(jù)此，臺(tái)積電和三星的7nm工藝更接近英特爾的10nm工藝。
先進(jìn)的制程可以降低每一個(gè)晶體管的成本，提升晶體管密度，在CPU體積不變下實(shí)現(xiàn)更高的性能;先進(jìn)制程可以提 升處理器的效能，在性能不變的情況下，減少發(fā)熱或在發(fā)熱不變的情況下，通過提升主頻來拉高性能。
先進(jìn)制程的主要目的是降低平面結(jié)構(gòu)帶來的漏電率問題，提升方案可以通過改變工藝，如采用FinFET(鰭式場效應(yīng) 晶體管)或GAA(環(huán)繞式柵極);或采用特殊材料，如FD-SOI(基于SOI的超薄絕緣層上硅體技術(shù))。
CPU制造的發(fā)展趨勢:Fab+Fabless為導(dǎo)向。
三、知己知彼:CPU的全球格局與行業(yè)龍頭
服務(wù)器CPU全球市場格局:霸主英特爾，追趕者AMD
IDC發(fā)布了有關(guān)2020年第三季度服務(wù)器市場的報(bào)告，該報(bào)告顯示AMD和ARM在過去12個(gè)月中所占份額 均在增長。該季度的總收入為$22.6B，同比增長2.2%，較二季度20%的同比增長率有明顯下降。原因 在于疫情爆發(fā)初期，各公司為了避免數(shù)據(jù)中心的短缺而大幅增加采購，這使得第二季度服務(wù)器銷量大增 ，但也透支了隨后兩個(gè)季度的增長潛力。
搭載AMDCPU的服務(wù)器全球收入同比增長112.4%，由于基于ARM的服務(wù)器的基數(shù)很小，同比增長 430.5%。根據(jù)Mercury Research的數(shù)據(jù)，英特爾仍然占據(jù)著服務(wù)器市場的大部分份額，估計(jì)占據(jù)了 95.5%的市場份額，但AMD在這一領(lǐng)域正在逐步發(fā)展。
得益于第二代Epyc處理器“羅馬”，AMD的服務(wù)器CPU市占率在短短兩年內(nèi)從1%增長到了8%。隨著 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(dá)到15%。由于AMD服務(wù)器芯片的較高 性價(jià)比及臺(tái)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。
四、國產(chǎn)CPU自主之路:詳解六大國產(chǎn)CPU
國產(chǎn)CPU進(jìn)口替代的緊迫性
中國CPU市場規(guī)模和潛力非常大，龐大的整機(jī)制造能力意味著巨量的CPU采購。雖然近些年，計(jì)算機(jī)整機(jī) 和智能手機(jī)產(chǎn)量增長都出現(xiàn)瓶頸，但由于這兩類產(chǎn)品體量龐大，2019年國內(nèi)智能手機(jī)出貨量為3.72億部 ，電子計(jì)算機(jī)整機(jī)年產(chǎn)量達(dá)到3.56億臺(tái)，CPU的需求量大且單品價(jià)值非常高，市場規(guī)模依然非常可觀。
同時(shí)，服務(wù)器CPU伴隨著整機(jī)出貨的快速成長，需求量增長也較為迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年國內(nèi)服務(wù)器出 貨量達(dá)到330.4萬臺(tái)，同比增長26%，其中互聯(lián)網(wǎng)、電信、金融和服務(wù)業(yè)等行業(yè)的出貨量增速也均超過 20%。另外，國內(nèi)在物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興計(jì)算領(lǐng)域，對CPU也存在海量的需求。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來中國集成電路自給率不斷提升，2018年為13%，預(yù)計(jì)2020年有望提升至15%，但仍然 處于較低水平。根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，中國 芯片自給率要在2025年達(dá)到70%，這將產(chǎn)生8000億元的國產(chǎn)芯片需求。中國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間非常大。
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