計算機行業(yè)深度研究報告：CPU生態(tài)價值與機遇研究

1、計算機行業(yè)深度研究報告：CPU生態(tài)價值與機遇研究1 國內(nèi)外CPU發(fā)展回顧1.1 技術(shù)及生態(tài)是CPU發(fā)展的關(guān)鍵因素CPU系計算機運算及控制核心中央處理器（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。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)

2、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。1.2 X86架構(gòu)生態(tài)優(yōu)勢顯著，非86架構(gòu)生態(tài)不斷完善X86架構(gòu)：占據(jù)主要服務(wù)器及桌面端X86架構(gòu)（The X86 architecture）是微處理器執(zhí)行的計算機語言指令集，指

3、一個intel通用計算機系列的標準編號縮寫，也 標識一套通用的計算機指令集合。X86指令集是美國Intel公司為其第一塊16位CPU(i8086)專門開發(fā)的，美國IBM公司1981年推出的世界第一臺PC機中的 CPUi8088(i8086簡化版)使用的也是X86指令，同時電腦中為提高浮點數(shù)據(jù)處理能力而增加的X87芯片系列數(shù)學協(xié)處理 器則另外使用X87指令，以后就將X86指令集和X87指令集統(tǒng)稱為X86指令集。雖然隨著CPU技術(shù)的不斷發(fā)展，Intel陸續(xù) 研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4(以下簡為P4)系列，但為了保證電腦能繼續(xù)運行以往開發(fā)的各類應(yīng) 用程序以保

4、護和繼承豐富的軟件資源，所以Intel公司所生產(chǎn)的所有CPU仍然繼續(xù)使用X86指令集，所以它的CPU仍屬于 X86系列。X86架構(gòu)具有性能高、速度快、兼容性好的特點。適用高主頻、高功耗，覆蓋高性能和通用計算場景。 X86架構(gòu)主要是PC和自動化設(shè)備，也有應(yīng)用手機和平板電腦上。 X86運行的主要為DOS，非ARM版Windows，舊版MacOS等 操作系統(tǒng)，起步早，基于Wintel聯(lián)盟，生態(tài)完善。全世界有65%以上的軟件開發(fā)商都為X86提供生態(tài)服務(wù)。2 CPU市場規(guī)模及競爭格局2.1 CPU市場國內(nèi)增速高于全球，海外巨頭占據(jù)主要市場份額集成電路市場穩(wěn)步增長，頭部效應(yīng)顯著從整體規(guī)模來看，除2019年

5、受全球宏觀經(jīng)濟低迷影響集成電路行業(yè)景氣度有所下降外，集成電路市場近幾年保持穩(wěn)步增長趨勢， 伴隨5G建設(shè)穩(wěn)步推進、可穿戴設(shè)備及云服務(wù)器市場等下游應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，預計后續(xù)全球集成電路行業(yè)將保持增長趨勢。從市場重心來看，世界集成電路市場重心已經(jīng)從歐美轉(zhuǎn)向亞太地區(qū)，2020年根據(jù)SIA數(shù)據(jù)和前瞻產(chǎn)業(yè)研究所統(tǒng)計，亞太地區(qū) （除日本外）已成為全球最大的集成電路市場，銷售額占全球市場的61.96%。從集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，制造環(huán)節(jié)占比58%，設(shè)計環(huán)節(jié)占比26%，封測環(huán)節(jié)占比16%。從全球競爭格局角度來看，集成電路產(chǎn)業(yè)頭部效應(yīng)顯著，主要由美國、韓國、日本以及中國臺企占據(jù)。2.2 X86架構(gòu)呈現(xiàn)雙巨頭格局，非X8

6、6架構(gòu)多點開花X86架構(gòu)占據(jù)服務(wù)器及電腦主要市場，呈現(xiàn)雙巨頭格局在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。非X86架構(gòu)在服務(wù)器及電腦以外領(lǐng)域多點開花在非x86領(lǐng)域

7、，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A

8、RM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。3 國產(chǎn)CPU公司簡介3.1 ARM架構(gòu)：鯤鵬、飛騰鯤鵬處理器發(fā)展歷程：鯤鵬處理器基于 Armv8 架構(gòu)永久

9、授權(quán)，處理器核、微架構(gòu)和芯片均由華為自主研發(fā)設(shè)計，鯤鵬計算產(chǎn)業(yè)兼容全球 Arm 生態(tài)。除了傳統(tǒng)的服務(wù)器 CPU 和桌面 CPU，華為圍繞鯤鵬處理器打造了“算、存、傳、管、智”五個子系統(tǒng)的芯片 族。歷經(jīng) 10 多年，目前已累計投入超過 2 萬名工程師。CPU產(chǎn)品類型：2019年，華為發(fā)布了最新的鯤鵬920處理器，該芯片支持ARMv8.2指令集，“業(yè)內(nèi)性能最高”，行業(yè)內(nèi)首款7nm數(shù)據(jù)中 心ARM處理器，專為大數(shù)據(jù)處理以及分布式存儲等應(yīng)用而設(shè)計。 在通用計算領(lǐng)域，鯤鵬 CPU 目前主要集中在服務(wù)器領(lǐng)域。鯤鵬 920 服務(wù)器 CPU 基于 ARM V8 多核架構(gòu)，最高集成 64 個物理核，主頻最高 2

10、.6GHz，通過多核來提升算力。另外，華為鯤鵬 PC 級的 CPU 也在規(guī)劃中。飛騰CPU發(fā)展歷程：天津飛騰信息技術(shù)有限公司是國產(chǎn)自主安全主力芯片廠商。2006年，飛騰團隊成功研制出兩代國產(chǎn)CPU，分別基于X86和IA64指令集，在關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用?！笆晃濉逼陂g，第三代飛騰CPU走向了商業(yè)化應(yīng)用。第三代飛騰使用的是可擴 充處理器架構(gòu)（SPARC），但生態(tài)系統(tǒng)的羸弱無法支撐起大規(guī)模商用。直到第四代飛騰2014年問世后，即兼容ARM指令集研 發(fā)的FT-1500A系列CPU，飛騰才正式進入跨域式發(fā)展。飛騰擁有CPU完整產(chǎn)品體系。天津飛騰產(chǎn)品包括高性能服務(wù)器CPU（騰云S系列）、高效能桌面C

11、PU（騰銳D系列）和高端嵌 入式CPU（騰瓏E系列）三大系列，為從端到云的各型設(shè)備提供核心算力支撐，自2012年起，公司不斷完善產(chǎn)品體系，并對 各系列產(chǎn)品持續(xù)迭代，2020 年推出騰云 S2500和騰銳D2000，其中S2500支持八路計算系統(tǒng)，最多可達512核，已與各大OEM 和合作伙伴同步推出相應(yīng)整機產(chǎn)品，目前對應(yīng)的八路服務(wù)器性能居國產(chǎn)服務(wù)器之最，單品性能得到實質(zhì)提升。在未來的產(chǎn)品 規(guī)劃方面，飛騰對三個系列的產(chǎn)品線均有相應(yīng)布局， 2021預計發(fā)布7nm工藝的騰云S5000、14nm工藝的騰銳D3000和14nm工 藝的騰瓏E2000，2022預計發(fā)布再下一代5nm工藝騰云S6000和14n

12、m工藝的騰瓏E3000，整體性能不斷提升。3.2 X86架構(gòu)：海光、兆芯海光發(fā)展歷程：海光信息技術(shù)有限公司成立于2014年10月，公司重要股東為中科曙光，股36.68%。海光信息主營高性能處理器，業(yè)務(wù)涵蓋芯片領(lǐng) 域的設(shè)計、制造和生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，自主設(shè)計了“禪定”x86中央處理器（CPU）。2016年4月，AMD宣布將與海光信息成立合資公司， 授權(quán)其生產(chǎn)服務(wù)器處理器，AMD獲得2.93億美元的授權(quán)費。目前，海光資金以天津投資和曙光自有資金為主。 2018年11月26日，中科曙光分別與成都產(chǎn)投、成都高投簽訂了產(chǎn)權(quán)交易合同，取得海光信息10.92%的股權(quán)，彰顯了對海光的 信任。本次股權(quán)成功轉(zhuǎn)讓后，中科曙

13、光合計持有的股權(quán)占海光信息股本總數(shù)的36.44%，進一步鞏固了其在海光第一大股東的地 位兆芯上海兆芯集成電路有限公 司（簡稱“兆芯”）于 2013 年成立，由上海聯(lián)合投資有限公司（隸屬于上 海市國資委）和臺 灣威盛電子共同成立，總部位于上海張江，在北京、西安、武漢、深圳等地設(shè)有研發(fā)中心和分支機構(gòu)。 兆芯同時掌握中央處理器、圖形處理器、芯片組三大核心技術(shù)，具備相關(guān)IP自主設(shè)計研發(fā)的能力。兆芯堅持自主創(chuàng)新與兼 容主流的發(fā)展路線，憑借成熟的軟硬件生態(tài)，為用戶提供性能卓越、兼容性優(yōu)異且安全可靠的通用處理器和芯片組等產(chǎn)品， 推動信息產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展。兆芯自主研發(fā)的通用處理器產(chǎn)品涵蓋“開先”、“開勝”兩大系列