2021年中國CPU（中央處理器）國產(chǎn)化程度現(xiàn)狀分析

2021年中國CPU（中央處理器）國產(chǎn)化程度現(xiàn)狀分析一、CPU產(chǎn)業(yè)概述CPU是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制核心，主要功能是解釋計(jì)算機(jī)指令和處理數(shù)據(jù)。CPU主要用于個(gè)人電腦（PC）、服務(wù)器、智能手機(jī)等消費(fèi)電子。筆記本和臺(tái)式整體硬件組成基本一樣，因?yàn)楣P記本電腦需要追求輕薄屬性，加之臺(tái)式機(jī)存在DIY可能性，整體散熱可通過加裝機(jī)箱風(fēng)扇或更換強(qiáng)勁風(fēng)扇/水冷等提高散熱能力，相同配置下臺(tái)式機(jī)CPU整體性能和散熱效果遠(yuǎn)高于筆記本。而服務(wù)器實(shí)際硬件與個(gè)人主機(jī)組成基本類似，全硬件相較個(gè)人主機(jī)要求更高，主要因?yàn)榉?wù)器需要保持高強(qiáng)度工作，在具備高性能和高速的情況下，具備最佳的穩(wěn)定性，對(duì)CPU要求最高。1、應(yīng)用情況PC機(jī)的硬件構(gòu)成包括主板、CPU、內(nèi)存、硬盤、電源、顯卡等。CPU也就是中央處理器，是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制的核心，是信息處理、程序運(yùn)行的最終執(zhí)行單元，往往決定了一臺(tái)設(shè)備的性能；主板是PC機(jī)的主要電路板，上面安裝了一些電路系統(tǒng)，如BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵盤和面板控制開關(guān)接口等；內(nèi)存也稱為主存儲(chǔ)器，是外存與CPU進(jìn)行溝通的橋梁，內(nèi)存性能的強(qiáng)弱影響了PC機(jī)整體的水平。2、成本結(jié)構(gòu)以一臺(tái)五千元左右的PC主機(jī)計(jì)算，CPU和獨(dú)立顯卡是主要成本組成，分別約占30%左右。實(shí)際主機(jī)電腦整體成本結(jié)構(gòu)是處于變動(dòng)且不確定的，當(dāng)用戶購買整機(jī)品牌或類型有所差距時(shí)，搭配的CPU和獨(dú)立顯卡成本將有所浮動(dòng)，如多媒體渲染為主的辦公用戶在購買電腦會(huì)偏重CPU，而建模為主的用戶購買時(shí)則會(huì)更偏向獨(dú)立顯卡。整體來看，CPU和獨(dú)立顯卡是PC主機(jī)中技術(shù)壁壘最后，工藝成本最高的兩個(gè)部分，也是最直接影響用戶體驗(yàn)的兩大核心配件。3、系統(tǒng)架構(gòu)CPU的內(nèi)核由控制器和運(yùn)算器組成，從存儲(chǔ)器中提取數(shù)據(jù)，根據(jù)指令集將數(shù)據(jù)解碼，再通過微架構(gòu)運(yùn)算得出結(jié)果，CPU內(nèi)核的基礎(chǔ)就是指令集架構(gòu)和微架構(gòu)。指令集架構(gòu)ISA規(guī)定了CPU可執(zhí)行的所有指令，微架構(gòu)則是完成指令的電路設(shè)計(jì)，基于相同指令集架構(gòu)的CPU可以有不同的微架構(gòu)。根據(jù)指令集架構(gòu)，CPU包括CISC和RISC等類型，MIPS、PowerPC等精簡指令集性能較低非市場主流選擇。CISC型（復(fù)雜指令集）CPU以Intel和AMD的X86架構(gòu)為代表，追求高性能，占據(jù)95%以上的PC機(jī)和服務(wù)器市場。RISC型（精簡指令集）的ARM架構(gòu)則憑借低能耗的特點(diǎn)占據(jù)移動(dòng)領(lǐng)域（平板電腦、智能手機(jī)等）95%以上的市場份額。二、CPU發(fā)展關(guān)鍵影響因素分析1、技術(shù)CPU系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)包括處理器功能邏輯設(shè)計(jì)和微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)處理器功能、性能和生態(tài)至關(guān)重要。電路設(shè)計(jì)是將處理器芯片各個(gè)功能模塊用硬件語言設(shè)計(jì)出來，形成可供晶圓代工廠使用的電路版圖。微碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括微碼軟件編程、微碼執(zhí)行硬件研發(fā)。安全模塊設(shè)計(jì)包括處理器安全架構(gòu)、專用硬件、軟件、密鑰管理等，貫穿處理器設(shè)計(jì)全過程，為可能出現(xiàn)的安全漏洞提供修復(fù)方案。仿真模擬是指利用專用軟件、高性能仿真模擬器對(duì)處理器核心和電路設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。產(chǎn)品設(shè)計(jì)根據(jù)終端應(yīng)用需求，規(guī)劃公司具體產(chǎn)品配置及內(nèi)部構(gòu)成。處理器完成封裝以后，需要進(jìn)行大量的測試工作，統(tǒng)稱為硅后驗(yàn)證。2、政策政策東風(fēng)陣陣吹來，為國產(chǎn)化芯片廠商成長保駕護(hù)航。集成電路作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心，是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，國家給予了高度重視和大力支持。為推動(dòng)我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力和國際競爭力，國家出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)、扶持政策，為集成電路產(chǎn)業(yè)建立了良好的政策環(huán)境。三、全球CPU發(fā)展現(xiàn)狀趨勢1、技術(shù)現(xiàn)狀目前全球個(gè)人電腦（PC）CPU基本由Intel和AMD占據(jù)主要市場，整體來看，Intel具備先發(fā)優(yōu)勢，為全球X86CPU架構(gòu)龍頭企業(yè)，AMD持續(xù)追趕，就技術(shù)而言，Intel和AMD不斷更新微架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)性能的不斷迭代提升，早期AMD屬于工藝技術(shù)追趕者，整體工藝在落后英特爾2-3年左右，隨著研發(fā)投入持續(xù)提高，加之英特爾作為行業(yè)開拓者市場受到瓶頸，AMD的CPU工藝技術(shù)一度反超，在單核心性能超越英特爾，但目前在整體多核穩(wěn)定性仍有差距，而國產(chǎn)CPU的微架構(gòu)在亂序執(zhí)行、高速緩存、多核互聯(lián)等技術(shù)上，由于起步較晚，都與先進(jìn)水平有一定差距。Intel微架構(gòu)從P5到IntelHybrid逐步演化，1993年Intel推出基于P5微架構(gòu)的奔騰（Pentium）處理器，相對(duì)于i486增加了第二條獨(dú)立的超標(biāo)流水線，能夠并行的運(yùn)行一些比較簡單的指令；在1995-2002年之間，亂序執(zhí)行部件經(jīng)過了數(shù)次重大改進(jìn)，處理器中加入了更多寄存器并引入了單指令多數(shù)據(jù)，對(duì)整體性能的提升有著重要作用；2006年第一代酷睿（Core）微架構(gòu)誕生，處理器被重新設(shè)計(jì)以適應(yīng)雙核和四核的共享緩存結(jié)構(gòu)；Intel自酷睿處理器以來，奠定了超標(biāo)量流水線架構(gòu)的基本形態(tài)，并隨著SandyBridge、Haswell、Skylake、IceLake、Hybrid微體系架構(gòu)的迭代，處理器的性能也在不斷發(fā)展。2、需求現(xiàn)狀CPU主要用于個(gè)人電腦（PC）和服務(wù)器等，整體PC出貨量是CPU發(fā)展的基礎(chǔ)。根據(jù)數(shù)據(jù)，2012-2017年隨著全球發(fā)達(dá)國家整體個(gè)人電腦需求漸趨飽和，市場出貨量保持逐年下降趨勢，一度在2018年降至2.58億臺(tái)，隨著東南亞、印度等發(fā)展中國家持續(xù)發(fā)展，個(gè)人電腦需求持續(xù)回升，2020-2021年疫情背景疊加全球線上辦公需求上漲，個(gè)人電腦需求快速上漲，2021年達(dá)3.49億臺(tái)，同比2020年增長14.8%億臺(tái)。四、國產(chǎn)CPU發(fā)展現(xiàn)狀1、整體差距目前國產(chǎn)CPU與全球領(lǐng)先水平的差距主要分為性能差距和生態(tài)差距。性能上，國產(chǎn)CPU存在明顯劣勢。國產(chǎn)CPU的微架構(gòu)在亂序執(zhí)行、高速緩存、多核互聯(lián)等技術(shù)上，由于起步較晚，都與先進(jìn)水平有一定差距，加之整體晶圓工藝水平相差較多，設(shè)計(jì)能力存在差距，導(dǎo)致了整體性能差距，另外，生態(tài)差距主要體現(xiàn)在軟硬件整體，由于國產(chǎn)CPU積累不夠，即使技術(shù)部分產(chǎn)品性能已基本滿足使用需求，但整體用戶體驗(yàn)和穩(wěn)定性仍有差距，加之前期巨額開發(fā)成本，但市場競爭力仍非常有限，而高新技術(shù)需要持續(xù)優(yōu)化迭代，完全商業(yè)化更是難上加難。2、國產(chǎn)替代進(jìn)度：海光芯片借力AMD進(jìn)軍國產(chǎn)化x86芯片，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自主研發(fā)，在服務(wù)器市場具備優(yōu)勢。2016年,AMD公司曾經(jīng)與天津海光達(dá)成了合作,雙方成立合資公司進(jìn)行處理器的開發(fā)。海光三號(hào)及海光四號(hào)研發(fā)計(jì)劃分別于2018年2月和2019年7月啟動(dòng)，各項(xiàng)研發(fā)工作進(jìn)展正常。海光三號(hào)成功流片、海光四號(hào)完成了電路設(shè)計(jì)和性能模擬，證明了企業(yè)全面掌握了高端處理器設(shè)計(jì)技術(shù)，具備了產(chǎn)品迭代研發(fā)能力。考慮到芯片行業(yè)的特點(diǎn)并參照國際同行業(yè)領(lǐng)先芯片企業(yè)的定價(jià)模式，CPU行業(yè)主要采用階梯價(jià)格策略，接受針對(duì)項(xiàng)目的單獨(dú)特價(jià)申請。階梯價(jià)格主要適用于服務(wù)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(dòng)），特價(jià)一般用于戰(zhàn)略級(jí)競爭項(xiàng)目（最主要）、產(chǎn)品適配導(dǎo)入項(xiàng)目、產(chǎn)品促銷等。以海光芯片為例，CPU價(jià)格已經(jīng)逐漸市場化。出貨量方面，海光信息三款產(chǎn)品出貨量合計(jì)約20-50萬片。3、國產(chǎn)替代進(jìn)度：龍芯中科龍芯實(shí)現(xiàn)自主架構(gòu)研發(fā)并重視生態(tài)建設(shè)，在PC及類PC市場具備競爭優(yōu)勢。中科龍芯的工控類和信息類芯片的均價(jià)約400-600元，產(chǎn)品出貨量約100萬片，信息類產(chǎn)品出貨量約150萬片。海光芯片主要定位于服務(wù)器應(yīng)用市場，而龍芯主要定位于PC及類PC市場。相比之下，天津飛騰及華為鯤鵬CPU產(chǎn)品主要定位于服務(wù)器應(yīng)用場景。龍芯中科芯片產(chǎn)品依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同可分為工控類芯片和信息化類芯片。工控類芯片面向嵌入式專用設(shè)備、工業(yè)控制與終端等，系列產(chǎn)品在網(wǎng)安通信、能源、交通等行業(yè)領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用；信息化類芯片面向桌面和服務(wù)器等，龍芯3號(hào)系列是目前最新產(chǎn)品，作為高性能通用處理器，通常集成4個(gè)及以上64位高性能處理器核，與橋片配