龍芯指令集，世界第三極

國產CPU自主化先行者，基于LoongArch 自研指令系統實現芯片性能突破，國產替代成效漸顯，GPT+信創加持驅動增長駛入快車道。

中央處理器（CentralProcessingUnit，簡稱 CPU）本質是負責計算機運算和控制的超大規模集成電路。CPU 承擔耦合系統軟硬件資源的中樞作用：1）計算機系統中所有軟件層的操作，最終都將通過指令系統映射為 CPU 的操作；2）CPU 控制、調配所有硬件資源（如存儲器、輸入輸出單元），由控制單元實現指令讀取、指令譯碼，并通過運算單元執行數據加載、計算和回存任務。

CPU 是信息產業算力底座，生態體系上下游高度協同。CPU 生態體系是硬件和軟件的結合，是產業上下游交互的產物。

指令系統是生態底層邏輯，可分為復雜指令集和精簡指令集。指令系統（ISA）屬于計算機中硬件與軟件的接口，可實現高級程序語言、匯編語言和機器語言的連接，最終編譯為 CPU 可執行的簡單指令，按照指令復雜程度可分為復雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）。Intel 在 1978 年推出的 X86 架構是目前唯一的 CISC，其指令復雜、性能卓越、功耗較大，產業生態龐大且完善；以 ARM、MIPS、RISC-V、LoongArch 架構為代表的RISC 對指令集進行了高度優化，具備結構簡單、功耗低、體積小、多核并行運算等優勢，已全面覆蓋移動設備和嵌入式終端等應用場景。

微架構是執行指令集的物理電路設計，決定了芯片性能和自主創新程度。主流 ARM架構授權模式分為三類：1）使用層級授權，僅限 IP 核嵌入終端；2）IP 核授權，以內核為基礎延展外設；3）架構層級授權，可對指令集進行擴展或縮減，并形成專向化的各類 IP核。X86 架構相對封閉，目前架構層級授權僅對 Intel 和 AMD 開放，目前國產廠商龍芯和申威分別基于 MIPS 和 Alpha 架構開發出了完全自主創新的 LoongArch 和 SW 架構。

CPU 行業由兩大生態體系主導：一是基于 X86 指令系統和 Windows 操作系統的Wintel 體系；二是基于 ARM 指令系統和 Android 操作系統的 AA 體系。PC 時代，以IBM 代表的軟硬一體化模式被英特爾和微軟所打破，二者在軟硬耦合的前提下，遵循“摩爾定律”和“安迪-比爾定律”滾動迭代，即計算芯片和存儲器每 18-24 個月實現硬件性能的翻倍，同時 Windows 操作系統凝聚海量開發者，軟件不斷升級支撐應用創新，最終構成穩固的生態壁壘。移動互聯網時代終端設備延續了 PC 發展規律，ARM 憑借其指令系統開源、異構運算、可定制化等一系列優勢，成功立足于低功耗的移動市場。

CPU 呈雙巨頭格局，國產 CPU 市場份額較低。國際市場上主流的 CPU 公司都經歷了長期的技術和市場積累，Intel 和 AMD 幾乎形成壟斷，國內同行業的廠商仍處于成長階段，與國際主流廠商依舊存在技術差距。據 PASSMARKSOFTWARE 統計，截至 2022Q4，以出貨量計算的整個 X86CPU 市場中，Intel 的市場份額為 62.8%，AMD 的市場份額為 35.2%。

新技術和新架構為國產 CPU 發展帶來良好契機，自主研發更有潛力。1）處理器性能升級趨勢放緩，國產 CPU 來自制程、工藝方面的技術差距將逐步彌合，自研的微架構層級和軟件生態上的創新或能成為國產 CPU 性能實現彎道超車的關鍵變量。2）5G、云計算、人工智能等新一代信息技術加快落地，“萬物智聯”時代智能設備應用場景更趨于碎片化，對處理器產生專用定制化需求，結構簡單的自主化開源指令系統（LoongArch、RISC-V）未來也將成為中小企業開發的重要選項，擺脫 Wintel 和 AA 生態的歷史包袱。

國產 CPU 發展基于兩條主流路線：一是自主研發指令系統并構建相應生態體系；二是經已有 X86/AMD 架構授權，加入相應主流體系。國產 CPU 企業目前主要有 6 家，分別是龍芯中科、電科申泰、華為海思、飛騰信息、海光信息、上海兆芯。按采用的指令系統類型可大致分為三類：第一類包括龍芯中科和電科申泰，早期曾分別采用 MIPS 兼容的指令系統和類 Alpha 指令系統，現已分別自主研發指令系統。第二類包括華為海思和飛騰信息，采用 ARM 架構層級授權，自主性較強。第三類包括海光信息和上海兆芯，采用 X86指令系統。目前國產 CPU 企業在指令系統、微架構和基礎生態上實現了不同層次的自主創新，其中龍芯中科和電科申泰自主性最高。

國產 CPU 廠商業務集中在黨政和重點行業市場。國內 CPU 市場主要分為三類：政務及重點行業市場、企業級市場以及消費級市場。政務及重點行業市場對安全性和定制化的要求最高，對產業生態的要求較低，與國產 CPU 當前的發展現狀契合，是近期國產 CPU的核心市場。企業級市場對產業生態的要求高于政務但低于消費級市場，是國產 CPU 未來重要的增量市場。消費級市場對產業生態的要求最高，對性價比較為敏感，迭代周期短，是國產 CPU 長期需突破的目標市場。

推出的自主指令集 LoongArch 遷移或研發操作系統的核心模塊，包括內核、三大編譯器（GCC、LLVM、GoLang）、三大虛擬機（Java、JavaScript、.NET）、瀏覽器、媒體播放器、KVM 虛擬機等，形成了自主 CPU 研發和軟件生態建設的體系化關鍵核心技術積累。堅持自主研發核心IP，形成了包括系列化 CPUIP 核、GPUIP 核、內存控制器及 PHY、高速總線控制器及PHY 等上百種 IP 核，取得 400 余項專利，是國內 CPU 企業中極個別可進行指令系統架構及 CPUIP 核授權的企業。通過設計優化和先進工藝提升性能，擺脫對最先進工藝的依賴，通過自主設計 IP 核，克服境內工藝 IP 核不足的短板。目前與公司開展合作的廠商達到數千家，下游開發人員達到數十萬人，基于龍芯處理器的自主信息產業生態體系正在逐步形成。

基于 LoongArch 指令系統的 CPU 產品性能有效突破。根據工業和信息化部下屬測試機構提供的說明，公司的 3A5000 芯片在國產同類桌面 CPU 中處于性能領先水平。與采用相同工藝節點的同類產品相比，3A5000 在 SPECCPU 整型/浮點單核性能、Unixbench 單線程測試分值等各項性能參數方面占優，與采用領先 3A5000 兩個工藝代制程的 ARM 架構桌面產品性能相當。作為一款四核 CPU，3A5000 的 Unixbench 多線程測試分值甚至超過采用X86 和 ARM 架構的相同工藝節點的可比公司八核桌面產品。