CPU（中央處理器）是計算機(jī)系統(tǒng)的核心和大腦，也是國家大宗戰(zhàn)略物資，系統(tǒng)復(fù)雜研發(fā)難度高。我國 CPU 研發(fā)起步較早，但發(fā)展較為坎坷，步入正軌是在“十二五”之后。在國家集成電路產(chǎn)業(yè)政策和大基金投資等多重措施支持下，一大批國產(chǎn) CPU 設(shè)計單位成長起來，產(chǎn)品覆蓋了高性能計算、桌面、移動和嵌入式等主要應(yīng)用場景。
原標(biāo)題：
《國產(chǎn) CPU 正從可用向好用轉(zhuǎn)變，自主可控前景可期》
作者： 閆磊 陳蘇
一、 國產(chǎn) CPU 發(fā)展現(xiàn)狀 1、“十二五”開始逐步踏上正軌
CPU 是計算機(jī)的大腦和心臟，是國家大宗戰(zhàn)略產(chǎn)品，也是一個巨復(fù)雜系統(tǒng)。計算機(jī)主要由三部分構(gòu)成：CPU、內(nèi)存、外部設(shè)備（存儲、顯示器、輸入輸出等）。CPU 負(fù)責(zé)指揮外部設(shè)備和內(nèi)存進(jìn)行協(xié)同的工作，處在指揮和控制地位，是核心之所在。CPU 也是國家大宗戰(zhàn)略產(chǎn)品，尤其是進(jìn)入信息化、智能化時代，它就和工業(yè)化階段中的鋼鐵一樣，是整個產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，應(yīng)用面廣，支撐作用強，是國家戰(zhàn)略安全、產(chǎn)業(yè)安全的重要保障。CPU 還是一個巨復(fù)雜系統(tǒng)，它同其他芯片器件不同，它需要全能，不但強調(diào)邏輯控制，還需要有強勁的計算速度，技術(shù)實現(xiàn)難度非常之高，全球能夠獨立研發(fā)高性能 CPU 的國家少之又少。
▲計算機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖
我國處理器研發(fā)起步相對較早，但發(fā)展歷程比較坎坷。上世紀(jì)六十年代，基于超大規(guī)模集成電路的微處理器還未出現(xiàn)，計算機(jī)系統(tǒng)就是一個大型的中央處理器，體積大，計算速度慢。當(dāng)時，我國使用的計算機(jī)系統(tǒng)都是自主設(shè)計，且同國際水平差距不大，標(biāo)志性產(chǎn)品包括晶體管 109 機(jī)（1965 年 6月研制）、小規(guī)模集成電路 106 機(jī)（1968 年研制）等。上世紀(jì) 70 年代以后，美國大規(guī)模集成電路尤其是超大規(guī)模集成電路快速發(fā)展起來，以英特爾 4004 為標(biāo)志，美國真正意義上的微處理器面世，CPU 正式進(jìn)入商用時代，此后按照摩爾定律持續(xù)快速演進(jìn)，英特爾此后也一直統(tǒng)治著全球桌面和高性能計算市場。
相反我國受限于國內(nèi)經(jīng)濟(jì)條件、國際技術(shù)封鎖等原因，期間雖然研制出了基于大規(guī)模集成電路的第三代計算機(jī)系統(tǒng)——專用 77 型微機(jī)，但喪失了第四代計算機(jī)系統(tǒng)（基于超大規(guī)模集成電路）的研究能力。從“七五”開始，一直到“九五”，國家對國產(chǎn) CPU 的支持力度明顯下降，主要科研支持計劃都未將其列入。直接的后果是，上世紀(jì) 90 年代中期，國內(nèi)大量處理器研究單位關(guān)閉，人員大批流失，大學(xué)也很少設(shè)置硬件專業(yè)，計算機(jī)公司變成組裝廠，CPU 設(shè)計能力基本喪失。
但是，隨著國內(nèi)信息化的加速以及電子信息制造業(yè)的快速發(fā)展，“缺芯”的問題又再次受到國家重視?！笆濉逼陂g要不要、能不能開發(fā)國產(chǎn) CPU 的爭論開始爆發(fā)，此后科技部將信息產(chǎn)業(yè)部啟動了發(fā)展國產(chǎn) CPU 的“泰山計劃”。雖然該計劃未能實現(xiàn)既定目標(biāo)，但為國產(chǎn) CPU 的發(fā)展點燃了“星星之火”，這些火種演變成了現(xiàn)在國產(chǎn) CPU 設(shè)計的三支國家隊——飛騰、申威和龍芯。
除了“泰山計劃”外，科技部也在通過“863 計劃”對國產(chǎn) CPU 進(jìn)行支持。從“十一五”開始，國家通過核高基重大科技專項對國產(chǎn) CPU 重點企業(yè)進(jìn)行了扶持。“十二五”以來，國家通過集成電路產(chǎn)業(yè)優(yōu)惠政策、產(chǎn)業(yè)基金等措施扶持國產(chǎn) CPU 產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)培育出了一批國產(chǎn) CPU 設(shè)計單位和研究機(jī)構(gòu)，發(fā)展走向正軌。其中，傳統(tǒng)的設(shè)計機(jī)構(gòu)如龍芯、飛騰、申威、海思、紫光展銳等競爭力正在提升，君正、兆芯、海光等新秀也在快速成長，科研機(jī)構(gòu)包括中科院計算所、北大眾志、國防科大、江南計算所、北京大學(xué)、浙江大學(xué)等都在積極參與，形成了百花齊放的局面。
2、 部分國產(chǎn) CPU 廠商具備完全自主發(fā)展能力，但多數(shù)仍依托國際合作
CPU 發(fā)展到今天，其內(nèi)部架構(gòu)和邏輯關(guān)系已經(jīng)變得錯綜復(fù)雜，設(shè)計企業(yè)如果從頭開始進(jìn)入，成功難度很大。國內(nèi)有部分完全自主架構(gòu)，如北大眾志完全自主開發(fā)的指令集產(chǎn)品 UniCore，蘇州國芯、杭州中天、浙江大學(xué)共同設(shè)計的國產(chǎn)嵌入式 CPU——C-Core 等。但是我們也看到，雖然這些產(chǎn)品在指令集架構(gòu)上，實現(xiàn)了完全的自主，安全性最高，但是缺點也十分明顯，包括缺乏操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟硬件支持、開發(fā)工具少（編譯器、調(diào)試器等）、應(yīng)用程序開發(fā)困難、移植難度大等，所以一直以來在產(chǎn)業(yè)化上受到較大制約。目前，活躍在市場上的國產(chǎn) CPU 絕大多數(shù)都是采用同國外合作的方式，主要途徑包括購買指令集授權(quán)、技術(shù)合作等。
提到指令集架構(gòu)，則要從計算機(jī)的發(fā)展史開始說起。早期的計算機(jī)系統(tǒng)，軟件的編寫都是直接面向硬件系統(tǒng)的，即使是同一廠商的不同計算機(jī)產(chǎn)品，他們的軟件和硬件都是不能通用的，軟件和硬件緊緊耦合在一起，不可分離。后來，IBM 為了使自己的一系列計算機(jī)能夠使用相同的軟件，免去重復(fù)編寫的痛苦，于是在它的計算機(jī)系統(tǒng)中引入指令集架構(gòu)（ISA，Instruction Set Architecture）的概念，將軟件編程所需要的硬件信息抽象出來，形成一個抽象的機(jī)器架構(gòu)，編程人員在這個抽象機(jī)器上進(jìn)行編程，進(jìn)而實現(xiàn)了與硬件的解耦。至此，處理器則從原來與系統(tǒng)不能分離，演變成為指令集架構(gòu)、微結(jié)構(gòu)、底層的物理實現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)，并一直延續(xù)到現(xiàn)在。指令集架構(gòu)中，最為基礎(chǔ)的就是指令集，它是用來引導(dǎo) CPU 進(jìn)行加減運算和控制計算機(jī)操作系統(tǒng)的一系列指令集合。
▲處理器結(jié)構(gòu)演變過程
目前，全球 CPU 指令集架構(gòu)有兩類——復(fù)雜指令集（X86）和精簡指令集（以 ARM、MIPS、POWER等為代表）。其中，復(fù)雜指令集（CISC）通過增加可實現(xiàn)復(fù)雜功能的指令和多種靈活的編址方式，來提高程序的運行速度。但直接后果就是需要對不等長的指令進(jìn)行分割處理，造成一些不必要的等待，效率較低，對硬件集成度、工藝、功耗均非常高。
相反，精簡指令集（RISC）采用的等長的指令，可以將一條指令分割成若干個進(jìn)程或者線程，交給不同的處理器并行處理，效率高，硬件集成度要求不高，工藝簡單而且成本低。英特爾在早期研發(fā) CPU 時，精簡指令集還未出現(xiàn)，而在精簡指令集出現(xiàn)之后，英特爾也看到了精簡指令集存在的明顯優(yōu)勢，但為了實現(xiàn)后向兼容，也不得不一條路走到黑，繼續(xù)推動 X86 復(fù)雜指令集的發(fā)展。
這兩類架構(gòu)競爭十分激烈。上世紀(jì) 90 年代，復(fù)雜指令集和精簡指令集陣營展開了激烈廝殺。復(fù)雜指令集一方，英特爾憑借著與微軟的事實上的結(jié)盟（Wintel 體系），同時也在新的微內(nèi)核中融合了一些精簡指令集的技術(shù)優(yōu)勢，在中低檔服務(wù)器、PC、筆記本等主流領(lǐng)域占據(jù)了絕大多數(shù)份額；精簡指令集一方，雖然指令集本身有優(yōu)勢，但是群龍無首且各自為戰(zhàn)，最終被 Wintel 體系打敗，且擠壓到嵌入式市場，后來在智能手機(jī)興起之后才覓得新的市場空間。尤其是 ARM，通過與 Android 的合作，在智能手機(jī)處理器市場占據(jù)了絕大多數(shù)份額。在 ARM 的 64 位產(chǎn)品（ARM V8）推出之后，其市場也不再局限于嵌入式和移動領(lǐng)域，高性能計算、服務(wù)器和桌面也都成為其重要方向。
▲2018 年全球服務(wù)器 CPU 市場份額
▲2019 年 10 月全球 X86 桌面 CPU 市場份額
復(fù)雜指令集和精簡指令集架構(gòu)在國內(nèi)均有授權(quán)或者技術(shù)合作。X86 授權(quán)的有兆芯、海光，兆芯是通過威盛獲得的 X86 授權(quán)，海光則是中科曙光和 AMD 合作的產(chǎn)物。精簡指令集授權(quán)的有龍芯（MIPS）、飛騰（兼容 ARM V8 架構(gòu)）、申威（Alpha）、海思（ARM）等?？梢钥吹剑珹RM 架構(gòu)在國內(nèi)市場上的影響力較大。
▲復(fù)雜指令集與精簡指令集對比
▲全球主要 CPU 架構(gòu)及授權(quán)情況
目前，CPU 授權(quán)主流的方式有三種：架構(gòu)授權(quán)、軟核授權(quán)和硬核授權(quán)，對于使用授權(quán)的企業(yè)來說，CPU 的完成度依次上升，設(shè)計難度依次下降，但自主程度也在降低。
1、架構(gòu)授權(quán)。該級別授權(quán)允許被授權(quán)方研發(fā)芯片，兼容授權(quán)方發(fā)展出來的指令集架構(gòu)，主要好處在于可以分享授權(quán)方建立起來的軟件生態(tài)紅利。但由于架構(gòu)只是處理器的抽象描述、設(shè)計理念，類似于大樓的渲染圖，對被授權(quán)方的研發(fā)能力要求非常高，設(shè)計中出現(xiàn)任何錯誤，都將造成投資失敗。目前國內(nèi)購買架構(gòu)授權(quán)的企業(yè)均是芯片研發(fā)能力領(lǐng)先的企業(yè)。如天津飛騰、龍芯和申威等，被授權(quán)方拿到的都是標(biāo)準(zhǔn)文檔（包含指令的定義，通用寄存器的數(shù)量等），而大量的寄存器傳輸級模型和布線都需要設(shè)計，對自主設(shè)計要求非常高，也正是因為如此，上述企業(yè)也被認(rèn)為是當(dāng)前自主可控程度最高的設(shè)計廠商。
2、軟核授權(quán)。軟核通常是用 HDL 文本形式提交給用戶，它經(jīng)過 RTL 級設(shè)計優(yōu)化和功能驗證，但其中不含有任何具體的物理信息。據(jù)此，用戶可以綜合出正確的門電路級設(shè)計網(wǎng)表，并可以進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有很大的靈活性，借助于 EDA 綜合工具可以很容易地與其他外部邏輯電路合成一體，根據(jù)各種不同半導(dǎo)體工藝，設(shè)計成具有不同性能的器件，設(shè)計難度和自由度低于架構(gòu)授權(quán)。
3、硬核授權(quán)。硬核是基于半導(dǎo)體工藝的物理設(shè)計，已有固定的拓?fù)洳季趾途唧w工藝，并已經(jīng)過工藝驗證，具有可保證的性能。其提供給用戶的形式是電路物理結(jié)構(gòu)掩模版圖和全套工藝文件，是可以拿來就用的全套技術(shù)，用戶拿到授權(quán)之后就可以生產(chǎn)。硬核的設(shè)計和工藝已經(jīng)完成而不能更改，授權(quán)廠商對其實行全權(quán)控制，對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)相對簡單。因此，采用此類授權(quán)模式的廠商，自主可控能力最弱，但商業(yè)化成功的可能性最高。
以處理器授權(quán)公司 ARM 為例，該公司的 IP 也是大體按照上述的三種模式進(jìn)行授權(quán)的，但也發(fā)展出一些更為具體的授權(quán)類別。比如學(xué)術(shù)授權(quán)，是免費面向高校和科研機(jī)構(gòu)的；DesignStart，是為了方便半導(dǎo)體企業(yè)低成本、低風(fēng)險、快速了解 ARM IP 的一種授權(quán)模式；這兩種模式下設(shè)計出來的芯片不能銷售，只能用于內(nèi)部研究。另外，它還設(shè)計出了多用途授權(quán)、單用途授權(quán)。多用途授權(quán)模式還細(xì)分為普通多用途授權(quán)和終身多用途授權(quán)，以時間為授權(quán)效力劃分，均較為昂貴，相對來說比較適合大型企業(yè)。而單用途授權(quán)以用途劃分授權(quán)效力范圍，這種授權(quán)模式之下，需要交一筆前期授權(quán)費，此后按照每顆芯片收取約 2％的版稅，這種授權(quán)相對來說比較適合創(chuàng)業(yè)公司，或者目標(biāo)明確的特定設(shè)計項目。
▲典型的授權(quán)結(jié)構(gòu)
3、 國產(chǎn) CPU 生態(tài)短板逐步補齊
從拿到授權(quán)到設(shè)計出產(chǎn)品，需要大量的資金、人員投入，以及國家產(chǎn)業(yè)政策的持續(xù)支持。在 2006年啟動的核高基專項，以及后續(xù)大基金持續(xù)支持下，政府和企業(yè)均在發(fā)力，無論是大 CPU（高性能計算、服務(wù)器）、還是中 CPU（桌面級）以及小 CPU（移動和嵌入式）都取得了較大進(jìn)展，已有的產(chǎn)品通過不斷的優(yōu)化升級，實現(xiàn)了從“可用”到“好用”，一些量大面廣的領(lǐng)域，也實現(xiàn)了“零”的突破。從整體上看，國產(chǎn) CPU 芯片同國際差距擴(kuò)大的態(tài)勢逐步在逆轉(zhuǎn)。
高性能計算方面，國內(nèi)天津飛騰、海光、申威等處理器產(chǎn)品已經(jīng)在 E 級（每秒百億億次）超算原型機(jī)上得到應(yīng)用，申威的處理器、加速器均實現(xiàn)了完全國產(chǎn)化。服務(wù)器芯片方面，飛騰、龍芯、海光、華為海思均有新品發(fā)布，其中飛騰 2000+/64 核產(chǎn)品性能已經(jīng)與英特爾主流 E5 部分產(chǎn)品性能相當(dāng)。海光由于采用的是 AMD 的 Zen 架構(gòu)授權(quán)，該芯片除了性價比優(yōu)勢較為明顯之外，還具備同 X86 生態(tài)的良好兼容性。華為海思在 2019 年 1 月份推出鯤鵬 920 處理器，兼容 ARM V8 架構(gòu)，64 核，7nm工藝，主頻達(dá)到 2.6GHz，在中檔服務(wù)器 CPU 市場上具備較強的競爭力。
桌面處理器方面，飛騰、龍芯、兆芯等均有產(chǎn)品推出，且近年來產(chǎn)品性能提升明顯。飛騰傳統(tǒng)的桌面產(chǎn)品是 FT1500/4A 產(chǎn)品，工作主頻在 1.5GHz-2.0GHz 之間，最大功耗 15W，主頻相當(dāng)于奔騰 4的早期產(chǎn)品，但同主流酷睿處理器差距較大，民用市場競爭力相對較弱。2019 年 9 月，公司推出了FT2000+/4A 桌面處理器產(chǎn)品，工作主頻為 2.6GHz-3.0GHz，16nm 工藝，主頻指標(biāo)已經(jīng)與英特爾酷睿 i5 部分產(chǎn)品的性能相當(dāng)，明顯好于國內(nèi)其他桌面產(chǎn)品。該芯片能耗 10W，顯著低于英特爾同類產(chǎn)品 35W-45W 的能耗水平。此外，龍芯推出的 3A/3B3000 產(chǎn)品，商業(yè)級產(chǎn)品主頻在 1.5GHz 左右，相較前一代產(chǎn)品，主頻提升近 50%，改善明顯。
國內(nèi)移動 CPU 設(shè)計能力快速成長，已經(jīng)處于全球領(lǐng)先地位。相比傳統(tǒng)的 PC 和服務(wù)器市場，我國移動芯片同國際差距已并不明顯，華為海思和臺灣聯(lián)發(fā)科在移動處理器設(shè)計領(lǐng)域都處在全球領(lǐng)先地位。2019 年 9 月，華為海思發(fā)布麒麟 990 和麒麟 990 5G 產(chǎn)品，這兩款芯片使用臺積電二代的 7nm 工藝制造，整體性能較前一代產(chǎn)品——麒麟 980 提升 10%左右。從公開的跑分?jǐn)?shù)據(jù)來看，麒麟 990 多線程跑分均高于高通最新推出的驍龍 855 和驍龍 855+，單線程高于驍龍 855，略低于驍龍 855+。
▲飛騰最新桌面芯片與英特爾處理器對比
▲主流移動芯片 GB5 跑分?jǐn)?shù)據(jù)對比
處理器產(chǎn)品除了自身技術(shù)因素外，更多依托的是生態(tài)。所謂生態(tài)，就是產(chǎn)業(yè)鏈條上的企業(yè)形成的一種緊密的分工協(xié)作關(guān)系，類似于準(zhǔn)同盟。生態(tài)的作用在 CPU 市場上表現(xiàn)的十分突出。在傳統(tǒng) PC 市場上，英特爾和微軟構(gòu)成的“Wintel”體系一直牢不可破，英特爾引領(lǐng)著 CPU 的發(fā)展并領(lǐng)導(dǎo)著一批PC 硬件和制造企業(yè)為其適配，而微軟及合作伙伴在操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件方面同 X86 芯片進(jìn)行緊密協(xié)作。一般而言，微軟新操作系統(tǒng)的發(fā)布之后，會拉動一波新的 PC 更換，進(jìn)而帶動新 CPU 的需求，循環(huán)往復(fù)，微軟和英特爾等軟硬件廠商都在其中受益。在移動市場上同樣存在類似的生態(tài)，ARM 和Android 的組合（業(yè)內(nèi)稱 AA 體系或者 ARM-Android 體系）同樣具備強大的影響力。ARM 占據(jù)了全球 95%的移動芯片授權(quán)市場，而 Android 在移動操作系統(tǒng)市場上的份額也高達(dá) 85%。而在中低檔服務(wù)器市場上，基本上是 X86 的天下，ARM 正在以挑戰(zhàn)者的角色進(jìn)入。
在典型的 CPU 生態(tài)結(jié)構(gòu)中，一般需要一個或者兩個核心企業(yè)，引領(lǐng)整個行業(yè)發(fā)展。但是在國內(nèi)，各處理器設(shè)計企業(yè)在指令集選擇上，山頭林立，各自為戰(zhàn)，但都沒能做大，對生態(tài)的領(lǐng)導(dǎo)能力較弱。而一般的軟件企業(yè)只會對一兩種微結(jié)構(gòu)進(jìn)行編譯，如果一種指令集在市場生態(tài)上處于弱勢，軟件企業(yè)就不愿意選擇該指令集進(jìn)行優(yōu)化，這種指令集也很難獲得市場成功。恰恰在國內(nèi)市場上，處理器采用的指令集可謂是五花八門，但市場銷售量都不大，每款產(chǎn)品出貨量很低，這就給操作系統(tǒng)、中間件、數(shù)據(jù)庫以及應(yīng)用軟件企業(yè)造成非常大的困擾，無所適從，操作系統(tǒng)、軟件企業(yè)與處理器芯片適配積極性不是很高，因此很多還是在依托國家研發(fā)專項在推動，還沒能形成內(nèi)生的配套機(jī)制。
▲Wintel 體系生態(tài)構(gòu)成
▲ARM-Android 生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成
但近兩年來，國內(nèi)企業(yè)也在通過各種途徑建設(shè)生態(tài)，已經(jīng)取得了一定的效果。
一方面，芯片和操作系統(tǒng)廠商聯(lián)合打造的生態(tài)“雛形”已經(jīng)顯現(xiàn)。參考 Wintel 和 ARM-Android 模式，電子信息央企——中國電子開始加強對“PK 體系”的建設(shè)，目前該體系已經(jīng)推進(jìn)到 2.0 版本。P、K 分別是天津飛騰（Phytium）和銀河麒麟（Kylin）的英文名稱首字母，銀河麒麟是我國重要的自主操作系統(tǒng)研發(fā)廠商，長期與飛騰芯片進(jìn)行優(yōu)化適配。除了軟件適配的整合，硬件方面的領(lǐng)導(dǎo)力建設(shè)也在加強，2019 年中國電子對旗下業(yè)務(wù)進(jìn)行重大調(diào)整，旗下整機(jī)廠商中國長城收購天津飛騰，整機(jī)業(yè)務(wù)全面轉(zhuǎn)向 PK 體系，國產(chǎn) CPU 缺乏硬件支持的短板正在補齊。同時，處理器和操作系統(tǒng)廠商也在加強開源社區(qū)、認(rèn)證培訓(xùn)、支持學(xué)術(shù)研究等方式引導(dǎo)相關(guān)軟件開發(fā)、應(yīng)用推廣。
另一方面，國家也在加快推動基于國產(chǎn) CPU 的整機(jī)品牌在黨政軍、重點行業(yè)的應(yīng)用，通過應(yīng)用帶動生態(tài)建設(shè)。目前，相關(guān)項目推動順利，服務(wù)器、筆記本、臺式機(jī)、移動及嵌入式終端、外設(shè)企業(yè)多數(shù)都在參與國產(chǎn) CPU 的適配工作，基于國產(chǎn) CPU 的操作系統(tǒng)、通用軟件及應(yīng)用軟件的開發(fā)推廣工作都在有序進(jìn)行，國產(chǎn)化軟硬件平臺體系建設(shè)逐步完善。
從目前生態(tài)建設(shè)效果來看，鏈條越短的領(lǐng)域，生態(tài)建設(shè)的越完善。在整個計算機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈中，高新性能計算和服務(wù)器是產(chǎn)業(yè)鏈最短的，涉及的軟件應(yīng)用最少，正因為如此，國內(nèi)整機(jī)、外設(shè)企業(yè)分布較為密集，每家國產(chǎn) CPU 設(shè)計企業(yè)周圍都有大量的廠商集聚。相反，臺式機(jī)和筆記本市場由于對通用、應(yīng)用軟件要求較高，目前的整機(jī)種類相對少一些，但是主流的整機(jī)制造廠還均有產(chǎn)品推出。
▲國產(chǎn) CPU 配套軟硬件廠商
二、 國產(chǎn) CPU 發(fā)展機(jī)遇及前景展望 1、國際供應(yīng)鏈斷裂和信息安全風(fēng)險加劇，倒逼國內(nèi) CPU 加快自主可控步伐
我國 CPU 市場規(guī)模和潛力非常大，龐大的整機(jī)制造能力意味著巨量的 CPU 采購。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計，2018 年國內(nèi)智能手機(jī)產(chǎn)量高達(dá) 13.69 億臺，計算機(jī)整機(jī)產(chǎn)量也達(dá)到 3.2 億臺。雖然近些年，計算機(jī)整機(jī)和智能手機(jī)產(chǎn)量增長都出現(xiàn)瓶頸，由于這兩類產(chǎn)品體量龐大，CPU 的需求量大且單品價值非常高，市場規(guī)模依然非?？捎^。同時，服務(wù)器 CPU 伴隨著整機(jī)出貨的快速成長，需求量增長也較為迅速。
IDC 數(shù)據(jù)顯示，2018 年國內(nèi)服務(wù)器出貨量達(dá)到 330.4 萬臺，同比增長 26%，其中互聯(lián)網(wǎng)、電信、金融和服務(wù)業(yè)等行業(yè)的出貨量增速也均超過 20%。另外，國內(nèi)在物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興計算領(lǐng)域，對 CPU 也存在海量的需求。
國內(nèi) CPU 絕大多數(shù)都是進(jìn)口或者采購國外企業(yè)在華產(chǎn)品。移動 CPU 除了華為能夠通過海思自給之外，其余都需要從國外或臺資企業(yè)（如高通、聯(lián)發(fā)科等）采購；桌面 CPU 則更是嚴(yán)重依賴 X86 架構(gòu)，臺式機(jī)、筆記本 CPU 主要為英特爾、AMD 占領(lǐng)；服務(wù)器市場則主要為英特爾壟斷。2019 年前7 個月，我國芯片累計進(jìn)口額為 1645.71 億美元，繼續(xù)超過原油居國內(nèi)進(jìn)口產(chǎn)品首位。其中，處理器及控制器芯片（主要為 CPU）進(jìn)口額 749.71 億美元，占到芯片進(jìn)口額的 46%。
▲2016-2018 年我國智能手機(jī)產(chǎn)量及增速
▲2014-2018 年我國電子計算機(jī)整機(jī)產(chǎn)量及增速
▲2019 年 1-7 月我國集成電路進(jìn)口額結(jié)構(gòu)
▲2019 年 1-7 月我國處理器進(jìn)口額來源地排序
美國企業(yè)（英特爾、AMD、高通等）是我國 CPU 產(chǎn)品的主要供應(yīng)商，其中直接從美國本土進(jìn)口的CPU 芯片體量也比較大。2019 年前 7 個月，我國累計從美國進(jìn)口處理器 64.87 億元，占到我國從美國芯片進(jìn)口額的 84%，占比非常之高。對美國處理器的過度依賴，成為我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大軟肋，在當(dāng)前貿(mào)易戰(zhàn)持續(xù)的大背景下，影響已經(jīng)十分明顯。
特朗普政府上臺之后，美國對我國超算、服務(wù)器、智能手機(jī)、通信系統(tǒng)設(shè)備等整機(jī)制造核心企業(yè)的制裁持續(xù)在升級，CPU 的供應(yīng)也成為問題。2018 年以來，中興、華為、中科曙光、江南計算所等企業(yè)都已經(jīng)被美國列入限制性清單，最近?？?、大華、科大訊飛等人工智能企業(yè)也被美國實施禁運，這些企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營受到不同程度的影響。
更為嚴(yán)峻的是，全球核心技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品武器化趨勢明顯。除美國外，重點材料、元器件供應(yīng)國——日本和韓國，也開始將關(guān)鍵產(chǎn)品禁運作為政治籌碼，相互傾軋，斷供問題至今尚未完全解決，曾經(jīng)國內(nèi)甚囂塵上的可以完全依靠“國際供應(yīng)鏈”的神話被徹底打破。我國作為電子信息終端制造大國，一旦其他國家在 CPU 這種關(guān)鍵器件上卡脖子，我國卻缺乏有效的應(yīng)對和準(zhǔn)備，將會對整個電子信息行業(yè)甚至是國民經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生極具破壞性的影響。
▲2019 年 1-7 月我國從美國的芯片進(jìn)口額結(jié)構(gòu)
▲近年來中美電子信息領(lǐng)域摩擦情況
采用國外的 CPU 產(chǎn)品，國內(nèi)用戶對其內(nèi)部邏輯、軟件代碼缺乏控制，存在邏輯炸彈、軟件后門等安全性問題。同時，在一些關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、武器裝備等領(lǐng)域，由于使用周期非常長，相當(dāng)長時間內(nèi)可能都不需要對信息系統(tǒng)（包括 CPU 等元器件）進(jìn)行升級換代，這和消費級產(chǎn)品存在著根本性的差異，其對供應(yīng)鏈安全的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于性能要求。如果采用國外的 CPU 產(chǎn)品，一般會按照摩爾定律快速演進(jìn)，國內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施、武器系統(tǒng)所采用的工藝或技術(shù)相對落后的元器件，就非常可能遭遇生產(chǎn)線關(guān)閉的情況，對于一些系統(tǒng)級裝備，都需要進(jìn)行重新設(shè)計，增加不必要的成本。
相反，如果是采用國內(nèi)供應(yīng)商，涉及到武器和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的零部件，企業(yè)會保留相關(guān)產(chǎn)能和售后服務(wù)團(tuán)隊。另外，CPU 作為基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性的產(chǎn)品，是信息產(chǎn)業(yè)重要的發(fā)展方向，需要大量的創(chuàng)新要素包括人力、財力、產(chǎn)業(yè)政策等方面的投入，大量采購進(jìn)口芯片，抑制了國產(chǎn) CPU 產(chǎn)品的生態(tài)培育和成長。
也正是如此，黨中央、國務(wù)院以及地方政府對該領(lǐng)域的支持力度逐步加大，政策日趨完善，為產(chǎn)業(yè)后續(xù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。尤其是未來中美在科技領(lǐng)域競爭加劇的大背景下，國內(nèi)對國產(chǎn) CPU 的支持力度還會保持在高強度。（1）對 CPU 相關(guān)的元硬件研發(fā)引導(dǎo)、資金支持以及財稅優(yōu)惠政策有所傾斜；（2）支持企業(yè)通過兼并重組、國際合作等方式做大做強，提高國產(chǎn)化替代能力；（3）加強應(yīng)用端扶持，推動國產(chǎn)化采購工作，將基于國產(chǎn)芯片的整機(jī)產(chǎn)品列入政府采購清單，鼓勵軟件、周邊設(shè)備對國產(chǎn) CPU 進(jìn)行優(yōu)化和適配；（4）加強人才培養(yǎng)，2019 年 10 月工信部發(fā)布消息稱，將與教育部合作加強集成電路人才隊伍建設(shè)，將集成電路設(shè)置為一級學(xué)科，這將引導(dǎo)更多的高校、科研院所教師參與到集成電路研究當(dāng)中，相應(yīng)的研究生和本科生集成電路人才培養(yǎng)也會起來。
▲近年來我國 CPU 相關(guān)政策
2、 未來國產(chǎn) CPU 進(jìn)口替代潛力巨大
國內(nèi)仍將長期是全球最大的 CPU 消費市場。從主要下游行業(yè)來看：首先，智能手機(jī)將面臨著大量的換機(jī)需求，針對 5G 場景和應(yīng)用的 CPU 處理器也將得到較快推廣。目前，國內(nèi) 5G 手機(jī)已經(jīng)進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)，市場普遍預(yù)計到 2020 年年底，國內(nèi) 5G 手機(jī)有望進(jìn)入實質(zhì)性增長階段。
據(jù)中國信通院數(shù)據(jù)顯示，2019 年 10 月份，國內(nèi)市場 5G 手機(jī)銷量達(dá)到 78.7 萬部。2019 年國慶之前，三大運營商也啟動了 5G 套餐的預(yù)約，10 天內(nèi)預(yù)約量就超過 1000 萬人。其次，PC 雖然未來相對疲軟，但用戶基數(shù)非常龐大；服務(wù)器芯片市場將繼續(xù)在云計算、企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中受益，尤其是在國內(nèi)市場上，云計算市場規(guī)模增速未來幾年將持續(xù)保持在 30%以上。
最后，工業(yè)控制領(lǐng)域的嵌入式 CPU 需求廣闊，我國作為制造業(yè)大國，目前正在向制造強國轉(zhuǎn)型，智能化改造是重要方向，CPU 作為智能化的核心部件，將廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)當(dāng)中。
CPU 市場主要分為三類：黨政軍及重點行業(yè)、企業(yè)以及消費級市場，需求特點各異。黨政軍及重點行業(yè)市場，市場化程度相對較低，對安全性和定制化的要求遠(yuǎn)高于消費級市場，同時對生態(tài)的要求相對較低，這同國產(chǎn) CPU 當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀非常契合，因此這一板塊一直是國產(chǎn) CPU 的傳統(tǒng)和核心市場；企業(yè)級市場主要是高性能計算和嵌入式 CPU，這個領(lǐng)域?qū)ι鷳B(tài)的要求，高于黨政軍但弱于消費級市場，這個板塊是國產(chǎn) CPU 未來重要的增量市場；消費級市場則是國產(chǎn) CPU 長期要突破的目標(biāo)，尤其是桌面 CPU 性能、生態(tài)等方面還有巨大的差距，還需要重點彌補。
其中，黨政軍及重點行業(yè)是國產(chǎn) CPU 確定性最強的領(lǐng)域。在當(dāng)前貿(mào)易戰(zhàn)的大背景下，國內(nèi)關(guān)鍵 IT基礎(chǔ)設(shè)施、涉密、電子公文等領(lǐng)域正在推動自主可控試點，基于國產(chǎn) CPU 的信息產(chǎn)品已經(jīng)得到應(yīng)用，除了中央機(jī)關(guān)已經(jīng)明確大規(guī)模采購之外，地方政府部門也將開始相關(guān)國產(chǎn)化替代工作；對信息安全、供應(yīng)鏈安全高度敏感的軍隊，一直是國產(chǎn) CPU 的傳統(tǒng)市場，將來伴隨著國防信息化的加速，服務(wù)器、PC、嵌入式和移動 CPU 需求量均將增加；金融、電信、能源等重點行業(yè)領(lǐng)域也在加大基于國產(chǎn) CPU的服務(wù)器產(chǎn)品采購，未來使用范圍將逐步從非生產(chǎn)領(lǐng)域進(jìn)入核心領(lǐng)域，目前飛騰、兆芯、海光等產(chǎn)品在金融、電力等市場都有公開的應(yīng)用案例。
3、 未來國產(chǎn) CPU 在傳統(tǒng)領(lǐng)域存在追趕機(jī)會，AI、開源架構(gòu)帶來換道超車可能
傳統(tǒng) CPU 技術(shù)差距雖然巨大，但依然存在追趕上的可能 。
首先，國內(nèi)關(guān)于 CPU 的知識儲備趨于完善。主要設(shè)計企業(yè)無論是通過自研還是國際合作，都已經(jīng)在架構(gòu)方面積累了較為豐富的經(jīng)驗，包括架構(gòu)的升級、內(nèi)核的設(shè)計等，已形成了較多的參考案例，有望在現(xiàn)有平臺上實現(xiàn)躍升。
其次，國內(nèi)技術(shù)人才的積累也在日趨豐富。隨著國內(nèi)芯片設(shè)計市場的不斷擴(kuò)大，已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)沉淀了一批技術(shù)人才，龍頭設(shè)計企業(yè)如飛騰、龍芯、申威、海思等都具備了穩(wěn)定的核心設(shè)計團(tuán)隊。值得注意的是，教育部和科技部已經(jīng)將集成電路列為一級學(xué)科，未來高校細(xì)分專業(yè)設(shè)置的空間將更大，相關(guān)人才的培養(yǎng)也將加速。
最后，CPU 進(jìn)入后摩爾定律時期升級速度趨緩，國產(chǎn) CPU 離天花板較遠(yuǎn)，縮小差距存在可能。目前，英特爾的最新工藝水平已經(jīng)到了 14nm，后續(xù)再提升難度非常大，性能提升速度將顯著趨緩，尤其是英特爾在 10nm 上存在不小的障礙，新品遲遲未能推出。即使是工藝已經(jīng)升級到 7nm 的臺積電，后續(xù)離硅加工極限（3nm）已非常接近，空間非常小。而國內(nèi)企業(yè)制程和性能水平相對較低，所處的階段反而更會像英特爾發(fā)展的早期，如果能夠保證持續(xù)的研發(fā)投入，我們認(rèn)為在傳統(tǒng)通用 CPU 可以實現(xiàn)按照摩爾定律進(jìn)行追趕，進(jìn)而縮小差距。
▲英特爾桌面 CPU 加工工藝升級進(jìn)展
隨著人工智能、5G、邊緣計算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展和成熟，將對傳統(tǒng)計算需求形成巨大挑戰(zhàn)，并創(chuàng)造出新的計算技術(shù)需求，國內(nèi) CPU 企業(yè)如能在此期間不斷拓展產(chǎn)品譜系，將大有可為。同時，除了 X86 和國內(nèi)廣泛使用的 ARM 架構(gòu)之外，開源架構(gòu)未來也將成為重要選擇，中小企業(yè)也可以利用其免費特點，擺脫 Wintel 和 ARM-Android 體系的歷史包袱，實現(xiàn)換道超車。
目前，國際上主要的開源架構(gòu)為 RISC-V、Open-RISC、SPARC 等，其中 RISC-V 架構(gòu)正在受到市場的認(rèn)可，該架構(gòu)篇幅簡潔，指令集模塊化、指令集數(shù)量少，不但能夠?qū)崿F(xiàn)向后兼容，還解決了類似 X86、ARM 架構(gòu)在升級過程中出現(xiàn)的問題，沒有歷史包袱。對于 RISC-V 生態(tài)，目前國內(nèi)企業(yè)如阿里，已經(jīng)有所行動，全資收購的中天微已經(jīng)發(fā)布 RISC-V 第三代指令系統(tǒng)架構(gòu)處理器 CK902，平頭哥也在 2019 年發(fā)布了全球性能最強的 RISC-V 的 MCU 產(chǎn)品，具備發(fā)展 CPU 的潛力。另外，華為之前也表示，對 RISC-V 開發(fā)很有興趣，公司也是這個基金會的成員。
▲RISC-V 與 X86、ARM 指令集比較
▲開源架構(gòu) RISC-V 生態(tài)
智東西認(rèn)為，CPU被稱為“工業(yè)糧草”，是國家電子信息技術(shù)水平的體現(xiàn)。雖然中國信息產(chǎn)業(yè)近些年一直飛速發(fā)展，但一直沒有走出“缺芯”的局面。十幾年來，芯片進(jìn)口遠(yuǎn)超石油成為中國最大宗進(jìn)口產(chǎn)品，特別是其中市場化程度最高的CPU，基本依靠全進(jìn)口。但是，在政府的大力支持、 國際供應(yīng)鏈斷裂和信息安全風(fēng)險加劇的大背景下，國產(chǎn)CPU在經(jīng)歷了許多坎坷后，逐步實現(xiàn)了“從無到有”、“可用到好用”的轉(zhuǎn)變，“造不如買”的國際產(chǎn)業(yè)鏈邏輯已被打破。但是，雖然有國家政策的全力支持，但芯片行業(yè)更需要市場的磨礪與洗禮，經(jīng)過市場的充分競爭與淘汰，希望能很快看到一批走出國門，屹立世界的國產(chǎn)CPU企業(yè)。
