2022年CPU行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

1、2022年CPU行業(yè)開展現(xiàn)狀分析.國產CPU孰能率先崛起國產CPU的“后發(fā)劣勢”明顯，在“十五”期間啟動開展國 產CPU的泰山計劃，2006年正式啟動的“核高基專項”才讓國 產CPU快速開展。在國家支持下，孵化出鰥鵬、飛騰、龍芯、 兆芯、海光、申威等一批優(yōu)質國產CPU公司。我們選取其中 較為成熟的海光CPU為例，介紹CPU設計過程中的核心和關 鍵，結合之前的回顧，以及對現(xiàn)有國產CPU的理解，回答以 下三個問題：國產CPU有哪些路線？國產CPU短板在何處? 國產CPU每條路應該怎么走？CPU是如何設計的？基本構成：一般來講，CPU根據(jù)不同的產品規(guī)格定義， 需要在一塊基板上封裝1至4顆裸片。裸片的

2、內部結構非常 復雜，主要功能模塊包括處理器核心(Core)、片上網(wǎng)絡、各類 接口控制器等；除硬件電路外，裸片中還集成了復雜的程序 代碼(“微碼系統(tǒng)”)。Icelacke. Broadwello Intel和AMD不斷更新微架構,實現(xiàn)性 能的不斷迭代提升，國產CPU的微架構在亂序執(zhí)行、高速緩 存、多核互聯(lián)等技術上，由于起步較晚，都與先進水平有一 定差距。表4 : Intel與AMD近年微架構迭代Intel CPU 年代代號與H藝(nm )AMD CPU年代代號與H藝(nm )2023Sapphire Rapid72022Genoa52021Icelake102019Rome72017Skylak

3、e142017Naples14122015Broadwell142014Kaveri282013Haswell222012Piledriver322012Ivy Bridge222011Bullduzer322011Sandy Bridge322011Llano322008-2010Nehalem322007-2009K10452006-2008Conroe452003-2007K865651999-2004K77就不采管庫2、定制化水平差導致精細度缺乏。Intel針對特定領域和 客戶，會采用高度定制化的設計，例如人工設計幅員、采用 鎖存器Latch替換觸發(fā)器flipflop、全定制設計關鍵單

4、元等方 案。定制化的實現(xiàn)需要多年的技術積累和人力投入，目前國產 CPU很難實現(xiàn)，基本還是采用傳統(tǒng)的EDA工具生成幅員和 做幅員優(yōu)化的方式，精細度遠低于定制化產品。3、使用通用EDA工具缺乏協(xié)同。Intel等歐美大廠許多 都有自研的EDA工具或拓展，以及成熟的flow,設計過程中 出現(xiàn)的問題可以與EDA部門直接協(xié)同解決，顯著提升了設計效率和設計能力，不斷拓展邊界，而國產CPU廠商目前普遍 采用的是外購的EDA工具，缺少與設計工具的協(xié)同，且國產 EDA工具競爭力較弱，這一環(huán)節(jié)也難以實現(xiàn)自主可控。4、與Foundry配合不夠密切。在生產模式上，Intel是典 型的IDM廠商，AMD雖然是Fables

5、s廠商，但與之前分拆出 去的Global Foundries保持密切聯(lián)系,兩者都能實現(xiàn)設計與制 造環(huán)節(jié)的密切配合與協(xié)同。國產CPU由于起步晚、規(guī)模小以 及國內芯片制造能力弱，都是Fabless模式，難以與Foundry 實現(xiàn)密切配合，限制了產品技術開展的速度。落后的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)是制約國產CPU開展的另一瓶頸。 X86是目前桌面和服務器領域的絕對主流架構，所以選用 X86架構的受影響最小，可以直接使用Windows系統(tǒng)及軟件, ARM架構的生態(tài)在全球范圍內逐漸完善，而使用自主架構的 面臨巨大挑戰(zhàn)。生態(tài)系統(tǒng)很重要的一點是能夠吸引全球程序 員共同參與的各類應用軟件開發(fā)的盈利模式、知識產權提供 機制

6、等制度安排。以龍芯自主研制的LoongArch架構為例， 需要耗費大量時間和人力開發(fā)編譯器，芯片流片成功后，還 需要移植Linux內核、Android系統(tǒng)等，后期系統(tǒng)的軟件也涵 蓋了驅動層、中間層到應用層，還需要不斷針對這種架構進行 迭代優(yōu)化。前期即使大量投入，如果軟件上適配和推廣缺乏,銷量受限，軟件開發(fā)者便會激勵缺乏，用戶更少，引起惡性 循環(huán)，商業(yè)模式便會出現(xiàn)問題。1.4每條路線關鍵是什么？X86：專注技術，師夷長技，形成自身迭代能力對于使用X86架構的公司來說，基于良好的技術基礎以 及繼承X86完整的生態(tài)，可以通過模仿先進產品及技術路線, 率先實現(xiàn)非關鍵領域的國產替代，并在此基礎上盡快吸收

7、關 鍵技術，形成自身的迭代能力。以海光信息為例，AMD僅提 供技術授權以及針對技術授權的局部服務支持，不會提供后 續(xù)更新技術，相關技術面臨迭代風險。海光按照協(xié)議和AMD 同時在該技術授權的基礎上進行產品研發(fā)，在2016年推出的 第一代典型CPU系海光7185,與AMD基于該技術的第一代 產品AMD EPYC 7551有少許差距，但差距較小，不存在代際 差異；19年受到美國商務部影響后，海光推出海光二號，并 為適應國內用戶使用需求，增加了國密算法等平安增值功能, 證明了公司已經完成了對AMD授權技術的消化吸收。海光三 號成功流片、海光四號完成了電路設計和性能模擬，證明了 公司全面掌握了高端處理器

8、設計技術，具備了產品迭代研發(fā) 能力。表5 ：海光芯片局部IP核已能實現(xiàn)國產替代IP核名稱IP工具提供方所屬功能模塊獲取情況后續(xù)替代情況E12G PHY公司6SERDES外采可以通過武漢芯動等國內DDR4/3 PHY公司6DDR外采USB3/USB2 PHY公司6USB外采IP提供商進行替代USB控制器公司6USB夕睬SATA控制器AMDSAIAAMD授權PCIE控制器AMDPCIEAMD授權自研替代DDR控制器AMDDDRAMD授權鞏元先采智庫ARM：短期內抓住行業(yè)機會，開展已獲授權指令集2021年蘋果發(fā)布了 Ml芯片，與以往選用X86架構不同, Ml芯片采用基于Arm-ISA的內部處理器和C

9、PU微體系結構, 是蘋果首款針對Mac設計的SoC,根據(jù)蘋果的的宣傳材料， 在10W的功耗限制下，Ml芯片可提供傳統(tǒng)X86筆記本處理 器2倍以上的CPU性能。蘋果Ml 一經上市受到廣泛關注， 其性能也被用戶認可。但蘋果Ml的成功，缺乏夠說明ARM 在桌面和服務器端已經可以超越X86。蘋果Ml性能的高水平 的表現(xiàn)主要是基于蘋果微架構上的優(yōu)勢以及工藝上的領先。 微架構方面，采用了“瘋狂堆料”的方式，并采用了臺積電的 5nm工藝。這局部的優(yōu)勢顯著，并且在能耗方面顯著優(yōu)于X86, 至于類似視頻剪輯等功能，可以直接交給解碼、編碼的硬件 單元完成，使用體驗更佳，但是這種方式的問題在于，本錢 過高，蘋果可以

10、用很高的整機利潤去攤平這局部處理器本錢， 但是國產CPU顯然難以復制。自主指令集：產品性能+生態(tài)融合，協(xié)調步伐除本身的性能要求需要符合用戶基本需求外，生態(tài)融合 也是需要同步跟進的關鍵點，否那么只能面向一些軟件需求極 低的下游，市場空間局限性大。破局之計以龍芯為例，自研 指令集LoongArch充分考慮了兼容需求，可以通過“指令系統(tǒng) 創(chuàng)新+二進制翻譯的方式，運行其他平臺上的二進制應用程 序，從而到達生態(tài)融合的目的。為支持芯片銷售及應用，龍 芯還開發(fā)了基礎版操作系統(tǒng)及瀏覽器、Java虛擬機、基礎庫 等重要基礎軟件，并以兩種方式免費提供給客戶。2.國產CPU量價拐點已現(xiàn)價：逐漸市場化CPU定價策略已

11、經較為成熟：階梯價格+工程特價。考 慮到芯片行業(yè)的特點并參照國際同行業(yè)領先芯片企業(yè)的定價 模式，CPU行業(yè)主要采用階梯價格策略，接受針對工程的單 獨特價申請。階梯價格主要適用于服務器廠商客戶的日常采購 （根據(jù)采購數(shù)量區(qū)間階梯變動），特價一般用于戰(zhàn)略級競爭 工程（最主要）、產品適配導入工程、產品促銷等。以海光 芯片為例，CPU價格已經逐漸市場化。2018年，公司研發(fā)的首款海光一號產品剛剛面世，初期 產量較小，研發(fā)適配工作量大，公司主要比照同行業(yè)領先廠商 競品價目表的價格進行定價，定價策略較為保守，產品平均 單價較高。2019年下半年開始，公司形成了階梯價格與特價相結合的定價機制，并穩(wěn)定執(zhí)行至今，

12、產品銷售均價較2018 年整體下調。2020年以后，全球芯片行業(yè)供應鏈相對緊張， 原材料價格呈現(xiàn)上漲趨勢，公司對新代際產品較上一代產品 定價有所上漲。表6:海光芯片價格逐漸市場化（元）工程2021年16月2020年度2019年度2018年度 .7000系列8952.077494.226913.3211507.247100系列5192.055206.516913.3211507.247200系列11926.8015687.72一5000系列6702.627721.514189.835570.525100系列468.432830.704189.835570.525200系列7872.529363.

13、17-3000系列1231.40963.771250.45-3100系列-833.671250.453200系列1231.401402.33豆柒未來皆庫量：彈性極大CPU的下游應用市場主要分為：政務及重點行業(yè)市場、 企業(yè)級市場、消費級市場。其中，政務及重點行業(yè)市場對安 全性以及自主可控要求最高，同時對生態(tài)的要求相對最低， 是與國產CPU前期開展水平相匹配的，因此這局部市場是國 產CPU成長的根基所在。測算CPU市場規(guī)模，實際應該分 為：測算整體市場規(guī)模（可參考歷史靜態(tài)數(shù)據(jù)）、可國產替 代市場規(guī)模。從整機形態(tài)，可分為PC、服務器兩個方向。整 體靜態(tài)市場，2021年，根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，全球PC出貨近

14、3.5億 臺，全球服務器出貨超過1300萬臺?？紤]國產CPU未來較 長一段時間主要聚焦國內市場，國內出貨量更有代表性。中國PC出貨量-左工親先來管庫整體市場，PC CPU需求超過5000萬顆/年，服務器CPU 需求約800萬顆/年。根據(jù)行業(yè)慣例，一臺PC對應一顆CPU, 2021年中國PC出貨量超過5000萬臺，那么整體PC CPU需求 超過5000萬顆。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，服務器市場超過85%的服務 器為2路服務器，即一臺服務器對應2顆CPU,那么中國區(qū)整 體服務器CPU需求約為800萬顆。假設PC CPU價格為1000 元/顆，服務器CPU為8000元/顆，那么PC CPU市場規(guī)模超過 500

15、億元，服務器CPU靜態(tài)市場規(guī)模約640億元。圖17 : 2021年中國PC出貨超過5000萬臺（百萬 臺）yoy-右中短期看，確定性最高的是，可國產化市場規(guī)模。國產PC CPU年化市場規(guī)模約為200億元?？紤]PC采購不同機構性質，分為核心替代（公務員群體）、重點替代（事業(yè)編制 群體）、逐步替代（國有企業(yè)群體）、可選替代（一般企業(yè) 工作人員），假設四類替代群體，穩(wěn)定期后，國產PC采購比 例分別為80%、60%、40%、10%o根據(jù)國際統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，可 得四類群體整體人員數(shù)量。假設單科PC CPU價格為1000元, 那么PC CPU整體規(guī)模為1020億元。假設PC 5年完成折舊，那么 國產PC CP

16、U年化市場規(guī)模約為200億元。國產服務器CPU靜態(tài)市場規(guī)模約為139億元。根據(jù)IDC 服務器數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可知黨政、通信、金融等重點行業(yè)2021年 服務器出貨量，假設黨政、通信、金融、其他行業(yè)國產服務 器采購比例分別為80%/40%/30%/10%,參照服務器CPU市場 價格，假設服務器CPU價格為8000元/顆，保守假設國產服 務器全部為2路服務器（一臺服務器配置2顆CPU）,那么國 產服務器CPU年化市場規(guī)模約為139億元。國產服務器CPU動態(tài)市場規(guī)模超過200億元。值得注意 的是，拉長10年維度看，PC市場整體出貨量相對穩(wěn)定，服務 器市場出貨量隨數(shù)據(jù)量、云計算催化，長期依然是增量市場。 考慮

17、以上測算僅為靜態(tài)數(shù)據(jù)，假設考慮動態(tài)空間，假設服務器市 場未來5年維持復合10%增速，那么2026年，國產服務器 CPU市場規(guī)模將超過200億元。圖10 : CPU基本構成片互聯(lián)控制器片互聯(lián)控制器未來智庫以海光CPU為例，各局部功能如下：1）處理器核心。 每顆“裸片具有8個處理器核心（含高速緩存），不同規(guī)格的海 光CPU包含1至4顆裸片，進而具有數(shù)量不等的處理器核心。 處理器核心是CPU的關鍵的控制、計算部件，決定了 CPU 最主要的技術特征。2）片上網(wǎng)絡。片上網(wǎng)絡是CPU內部數(shù) 據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃刂凭W(wǎng)絡和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。片上網(wǎng)絡的帶寬、 延時對多核處理器的性能影響較大。3）接口控制器。不同的 接口

18、控制器用于連接CPU所搭載、控制的不同外部設備。例 如:內存控制器用于訪問DDRSDRAM內存，PCIe控制器用于 連接PCIe設備，USB控制器用于訪問USB設備，SATA控 制器用于讀寫SATA設備等。4）微碼系統(tǒng)。微碼系統(tǒng)由微碼 程序和對應的執(zhí)行硬件組成。通過微碼程序的運行，將復雜 的X86指令翻譯成相對簡單、規(guī)整的微碼指令。微碼系統(tǒng)直 接影響處理器的平安，包括變更平安算法（國密密鑰）、利用微 碼系統(tǒng)修復些平安漏洞、擴展平安指令集等。5) HMI/xHMI多片互聯(lián)控制器。HMI/xHMI具有高帶寬、低延時 特點，可以完成裸片間和處理器間的高速互聯(lián)，從而實現(xiàn) MCM和Chiplet的片上封

19、裝，以及雙路服務器架構設計。11 ： CPU設計流程簽隔管分先管庫以海光CPU為例，需要經過以下設計步驟：1)架構設 計。處理器系統(tǒng)架構設計包括處理器功能邏輯設計和微結構設 計，對處理器功能、性能和生態(tài)至關重要。在架構設計環(huán)節(jié) 中，功能邏輯設計是指基于對產品預期和產品定義，規(guī)劃出處 理器產品的模塊架構、功能邏輯，以及指令集、數(shù)據(jù)結構、接口協(xié)議等；微結構設計是規(guī)劃出集成電路裸片的具體實現(xiàn) 方式，包括流水線設計、邏輯單元設計、高速緩存結構、片上 網(wǎng)絡、接口控制器設計等。2）電路設計。電路設計是將處理 器芯片各個功能模塊用硬件語言設計出來，形成可供晶圓代 工廠使用的電路幅員。處理器核心的微結構精巧，

20、流水線級數(shù) 多，主頻高，電路代碼設計復雜。3）微碼系統(tǒng)設計。微碼系 統(tǒng)設計包括微碼軟件編程、微碼執(zhí)行硬件研發(fā)。微碼軟件包 括微碼程序、微碼編譯器和微碼補丁。微碼系統(tǒng)設計貫穿處理 器設計全過程，通過微碼補丁形式還可以修復局部硬件設計 缺陷。4）平安模塊設計。平安模塊設計包括處理器平安架構、 專用硬件、軟件、密鑰管理等，貫穿處理器設計全過程，在 處理器量產后仍需要為可能出現(xiàn)的平安漏洞提供及時、有效的 修復方案。5）仿真模擬。仿真模擬是指利用專用軟件、高性 能仿真模擬器對處理器核心和電路設計進行模擬驗證。海光 高端處理器電路規(guī)模大，必須使用仿真加速專用硬件來提高仿 真模擬的效率。6）產品設計。產品設

21、計根據(jù)終端應用需求， 規(guī)劃公司具體產品配置及內部構成。產品設計過程還需要考 慮基板開發(fā)、后端設計、工程樣機系統(tǒng)設計、產品測試、測試 板卡和工具軟件開發(fā)等工作。7）流片工藝優(yōu)化。晶圓代工廠基于公司提供的電路幅員 進一步設計出掩膜，然后經過復雜的雕刻過程生產出裸片。 公司流片工藝團隊需要和公司芯片設計、晶圓代工廠工程團 隊形成深度的技術互動，不斷升級芯片雕刻工藝，驗證流片工 藝流程，提升晶圓制造良率。流片工藝優(yōu)化環(huán)節(jié)可分為流片 工藝升級、晶圓加工流程驗證、晶圓級測試等環(huán)節(jié)。8）基板 及封測工藝開發(fā)。公司將處理器封測工作委托給外部封測代工 廠完成，但是基板開發(fā)、封裝工藝流程驗證、測試程序開發(fā) 等仍需

22、要公司完成。9）硅后驗證。處理器完成封裝以后，需 要進行大量的測試工作，統(tǒng)稱為硅后驗證。硅后驗證工作量 較大，需要進行工程樣機系統(tǒng)設計、產品測試、測試板卡和工 具軟件開發(fā)等大量支持產品市場應用的驗證測試工作。1.2國產CPU各條路怎么樣？目前國產CPU的服務器主要應用于電信運營商、金融、 互聯(lián)網(wǎng)等領域，例如，電信運營商云服務資源池系統(tǒng)支撐云 業(yè)務應用，銀行和證券公司查詢、交易系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)的搜索、 計算服務、存儲等應用；國產CPU的工作站主要應用場景為 工業(yè)設計和應用、圖形圖像處理，例如VR、AR圖形渲染場 景，以及智能工廠數(shù)字李生應用等。當前，國產CPU公司根 據(jù)使用的架構走出三條不同的道路：

23、1)X86架構：兆芯、海光。此種模式屬于IP內核授權 的模式，目前是僅內核層級的授權，優(yōu)點是技術門檻低、性 能起點高、沒有生態(tài)壁壘，缺點是自主可控的程度低，且購 買授權的本錢較高。以這條路線開展，不存在生態(tài)壁壘，可以 借鑒本文1.3中AMD崛起的路線和策略，在技術上通過不斷 迭代逐步縮小差距。但是這種購買授權的方式，沒有從根本 上解決自主可控的需求，在中美關系不明朗的背景下，確實面 臨授權中斷的風險，市場上一些激進的聲音甚至認為使用 X86的不能稱為“國產芯片”。ARM架構：飛騰、鰥鵬。此種模式為指令集架構授 權，自主化程度相對較高，ARM主要有三種授權等級：其中 指令集層級授權等級最高，企業(yè)

24、可以對ARM指令集進行改造 以實現(xiàn)自行設計處理器，此前海思、飛騰已經獲得ARMV8 永久授權，今年4月Arm確認Armv9架構不受約束，華為海思 可獲授權。以這條路線開展，存在較高的技術門檻，ARM架 構目前在桌面和服務器端的生態(tài)遠不如X86,但是指令集架構 的永久授權，一定程度上滿足了自主可控的需求，但是依然 存在未來更新版本被斷供的風險。圖12 :服務器端X86架構銷售量占比絕對領先MIPS等自主架構：龍芯、申威。此種模式是自主研 制的指令集，高度自主可控，但是技術門檻高，生態(tài)構建極 其困難。以這條路線開展，最大的困境是生態(tài)上的建設，如 何在落后的情況下，建立起可靠可持續(xù)的生態(tài)，是重要課題

25、。 CPU的下游應用市場主要分為：政務及重點行業(yè)市場、企業(yè) 級市場、消費級市場。其中，政務及重點行業(yè)市場對平安性 以及自主可控要求最高，同時對生態(tài)的要求相對最低，是與 國產CPU前期開展水平相匹配的，因此這局部市場是國產 CPU成長的根基所在。未來，隨著產品性能不斷優(yōu)化，生態(tài) 逐步趨于完善，企業(yè)級市場將為國產CPU提供巨大市場空間?；谀壳皣aCPU替代市場的主要特征，我們認為，使 用ARM架構的國產CPU,將在短期內受益于重點領域信創(chuàng) 市場的快速增長；使用自主架構的國產CPU,生態(tài)建立需要 一定的時間，中長期看，有望實現(xiàn)黨政及特殊領域的大面積甚至全面替代；使用X86架構的產品，性能和生態(tài)顯著

26、較好， 短期內可利用本錢優(yōu)勢翻開一局部企業(yè)市場，但長期看受外 部影響較大，存在較大的不確定性。1.3國產CPU到底弱在哪？想要探討國產CPU未來的走勢，就必然要面對一個十分 現(xiàn)實的問題：國產CPU到底弱在哪里？我們認為，國產CPU 與全球領先水平的差距主要概括為：性能差距、生態(tài)差距。 性能上，國產CPU存在明顯劣勢。表3 ：國產PC芯片性能差距較大廠商最新CPU指令集授權方式內核主頻工藝合作方/資方 龍芯3A5000LoongArch自研4核23-2.5GHZ12nm中科院申威SW42MSW-64自研4核2.0GHz28nm江南計算所飛騰D2000ARMv8指令集構授權8核14nm國防科大海光Hygon3250X86卬樹權8核2.8GHz14nmAMD/中