CPU技術路線、分類及運行原理

?? ?1. ?CPU：計算機核心

1.1. ?CPU的定義和分類 CPU是計算機的運算和控制核心。CPU是中央處理器（Central Processing Unit）的簡稱，是對計算機的所有硬件資源進行控制調配、執行通用運算的核心硬件單元。計算機系統中所有軟件層的操作，最終都將通過指令集映射為CPU的操作。CPU 包括運算器、控制器、寄存器等模塊。其中運算器和控制器是CPU的核心模塊，前者負責進行各種算術和邏輯運算操作，后者為“決策機構”，主要任務就是發布命令，發揮著整個計算機系統操作的協調與指揮作用。

CPU按用途可分為桌面、服務器、移動端CPU和嵌入式CPU。桌面CPU主要應用于個人計算機（臺式機、筆記本電腦）。服務器CPU主要用于服務器，對運算性能和穩定性要求更高。桌面和服務器CPU主要廠商為Intel和AMD。移動端CPU主要用于各種手機和平板中，對功耗、可靠性要求較高，主流的移動端CPU廠商主要有蘋果、高通、聯發科、華為和三星五家品牌。嵌入式CPU主要用于汽車電子、工業控制與自動化、智能電網等領域，對功耗、穩定性有較高要求。

CPU按照指令集可分為CISC（復雜指令集）和RISC（精簡指令集）兩大類。CISC指令豐富、尋址方式靈活，以微程序控制器為核心，指令長度可變，功能強大，復雜程序執行效率高；RISC指令結構簡單、易于設計，具有較高的執行能效比。CISC型CPU目前主要有X86架構，主要應用于桌面和服務器領域，RISC型CPU主要包括ARM、Alpha、MIPS、POWER、RISC-V架構等，主要應用于移動終端、物聯網領域和網關、機頂盒等網絡設備中。

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1.2. ?CPU的發展歷史：走向高制程、多核、新IP之路 自1971年Intel推出了世界上第一款微處理器4004至今，全球CPU的發展歷程可以劃分為四個階段：性能提升階段（1970-1990年）、應用擴展階段（1990-2000年）、多元發展階段（2000-2010年）、多核集成階段（2010年-至今），在不同階段CPU發展呈現出不同特點。

芯片工藝制程越來越高。在一定程度上，芯片工藝制程越小，單位面積內容納的晶體管數量就越多，就可以構建更為復雜、性能強大的電路。同時，芯片工藝制程越小，電子元器件的功耗就越小。因此，隨著芯片工藝制程提高，芯片集成度不斷提高，功耗降低，器件性能得到提高。根據臺積電官網數據，公司7nm FinFET制程比10nm速度增快約20%，功耗降低約40%。

多核處理器的出現打破性能提升瓶頸。2005年CPU主頻接近4GHz，單純的主頻提升已經無法明顯提升系統整體性能，反而會導致CPU功耗急速上升。于是當年Intel推出雙核奔騰D和奔騰四至尊版840，AMD也隨后發布了雙核皓龍和速龍64 X2處理器，經過十幾年的強化升級，2023年Intel將會推出代號為Sierra Forest的128核至強處理器，AMD也將推出基于Zen 4c微架構的128核處理器Bergamo，多核已經成為提升CPU性能的重要手段。 IP降低CPU芯片設計難度。摩爾定律的經驗表現為，芯片中晶體管數量呈現指數級上升趨勢，同時，芯片構造的復雜度、設計難度、制造成本都顯著增加，芯片設計公司難以單獨完成芯片制作的全部流程，只能進行簡單芯片設計。為了解決開發難度的問題，IP應運而生，芯片設計公司經常采用其他公司的IP以加快設計速度，不再從零做起，重復造輪子。ARM公司的快速壯大就是IP商業模式跑通的重要證明。

1.3.?CPU架構演進：ARM大有可為 當前X86架構生態占據全球主要市場份額。微軟公司和英特爾公司各自憑借自身規模效應和技術優勢，使其產品Windows和Intel CPU占據了絕大部分市場份額，結成了“Wintel”技術聯盟。截至2022年9月4日，在Intel的合作伙伴聯盟中，包括了94家云和通信服務提供商、271家獨立軟件廠商、2940家原始設備制造商(OEM)、88家服務集成商以及4479家解決方案提供商。是整個產業中最龐大、最完善、應用最廣泛的處理器架構之一，具有極高的生態壁壘。

ARM架構在高并發應用場景具有比較優勢。ARM處理器是英國Acorn有限公司設計的低功耗成本的第一款RISC微處理器，全稱為Advanced RISC Machine。ARM芯片比Intel x86芯片具有更高的功率效率，并且功耗更低，性價比更高。以ARM為代表的RISC通用架構處理器在場景多樣化計算時代具備明顯的優勢。例如在分布式數據庫、大數據、Web前端等高并發應用場景，單芯片核數更多的ARM架構處理器相比傳統處理器擁有更好的并發處理效率。

ARM生態繁榮。在移動設備領域，ARM架構有著壓倒性的市場和技術優勢，根據軟銀2017年世界大會的數據，ARM在智能手機、調制解調器、車載信息設備、可穿戴設備等領域都占據統治地位?；诤Ａ康氖袌隹臻g，目前芯片領域的新工藝、新制程和新材料都率先在ARM架構上得以實現?？梢灶A見未來ARM架構的CPU在并發性能、功耗、集成度等方面都會長期保持領先優勢。

ARM是最活躍的體系架構生態。對于一些不太活躍的CPU架構，發行版就慢慢減少支持，甚至有不再支持的風險，由此會給軟件開發、移植部署等帶來諸多困難。根據《從端到云基于飛騰平臺的全棧解決方案白皮書》數據，Linux內核對于幾種CPU架構的維護活躍程度（選取較新的穩定版5.3.7內核，分別對比了六種CPU架構相關代碼維護活躍程度）和代碼維護活躍度，由高到底依次為ARM64（1468次）、x86（1329次）、PowerPC（879次）、MIPS（310次）、SPARC（114次）和ALPHA（64次）。

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西方也在轉向采用ARM架構。PC方面，在Mercury Research的2021年第四季度PC統計中，基于ARM處理器的PC在所有PC總出貨銷量中的占比達到了9.5%的新高，同比增加了6.1pct，環比增加1.2pct。2020年蘋果旗下MacBook筆記本電腦、Mac一體機和平板電腦配置的M1芯片表現出ARM架構性能的潛力和低能耗優勢。服務器領域，華為已經于2019年推出基于ARM架構的鯤鵬920服務器芯片，性能對標Intek至強8180。英偉達也在2020年推出了基于ARM架構的Grace服務器芯片。 信創事業發展可以更多利用ARM。隨著中美科技脫鉤，CPU架構也會成為博弈的焦點。ARM架構是未來芯片主流技術方向，目前芯片領域的新工藝、新制程和新材料都率先在ARM架構上得以實現?？梢灶A見未來ARM架構的CPU在并發性能、功耗、集成度、場景多樣化具備明顯優勢。西方由于原有技術路徑拖累以及現有利益沖突，較難完全擁抱ARM架構，中國從0到1選擇布局ARM架構，歷史包袱較小，有望借助ARM架構奪得CPU技術高地。

2. ?高壁壘大賽道，寡頭壟斷格局

2.1. ?CPU市場規模龐大，海外寡頭壟斷 全球CPU市場較為穩定，疫情促進桌面CPU市場規模增加。CPU的重要應用領域包括桌面和服務器，在桌面領域，2015-2018年全球出貨量增速呈現緩慢下降的趨勢，但是整體出貨量依然保持在2.6億臺/年左右。2019年開始全球桌面出貨量出現回升，2020年疫情催生全球“線上化”浪潮，全球桌面出貨量較前5年有較大增長，達到3.03億臺。在服務器領域，2020年全球服務器出貨量達1,220萬臺，同比增長3.92%。

2020年國內桌面CPU出貨量約5000萬片，服務器CPU出貨量約700萬片。根據IDC數據，2020年中國PC出貨量為4910萬臺，X86服務器出貨量為344萬臺。假設平均每臺PC用1片CPU，服務器主要為雙路服務器（配置2片服務器CPU），則2020年中國桌面CPU市場出貨量約5000萬片，服務器CPU市場出貨量約700萬片。

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Intel和AMD兩大巨頭壟斷全球CPU市場。X86為當前全球信息化類CPU的主流架構，根據Mercury Research數據2021年Q3全球PC和服務器中，X86占比超過90%。Intel和AMD作為全球信息化類CPU中的兩大巨頭，在 2021年Q4，Intel占據全球X86總體市場的74%，AMD占比為26%。2021年兩大CPU巨頭Intel和AMD營收合計超過900億美元。根據我們測算，2021年CPU國產化率超過10%。

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2.2.?CPU市場的競爭要素：性能和生態 CPU技術迭代快速，全球CPU巨頭保持高研發投入。CPU行業技術壁壘較高，處理器迭代速度快，Intel和AMD作為行業巨頭平均每1-2年迭代一次，在指令集、IPC和緩存容量等方面實現創新突破。2015-2021年Intel和AMD研發費用率整體保持平穩，維持在20%上下。

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CPU有多個性能衡量指標。主頻，CPU的工作頻率，主頻越高，CPU的運算速度也就越快。核心數，指硬件上存在著幾個核心單元，CPU所能處理的數據和任務越多。線程數，線程是操作系統能夠進行運算調度的最小單位，支持越多線程代表可以同時處理更多任務。多一顆核心就像多一個人，而多一個線程就多一只手。緩存，緩存是CPU與內存之間的緩沖地，在一定程度上，緩存容量越大越好。

?CPU生態包括硬件和軟件。硬件方面，從指令集、IP核，到接口、板卡、整機廠商，各個硬件環節相互認證，形成硬件合作生態；軟件方面，從操作系統、編譯器、Java、.NET 等基件軟件到辦公軟件、視頻軟件等上層軟件，都存在相互適配，形成緊密的軟件生態。 CPU生態一旦形成，十分穩固。生態比技術更重要，歷史上曾出現過一些性能優越的CPU產品，但都敗于Wintel生態。CPU生態一旦形成，就是寡頭壟斷格局，強者恒強。第三方廠商單靠商業手段很難打破競爭格局，只能依靠行政力量和足夠大的內循環市場，才有可能成為新的世界級巨頭。目前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。 ?

審核編輯：黃飛

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