CPU（中央處理器）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心和大腦，也是國(guó)家大宗戰(zhàn)略物資，系統(tǒng)復(fù)雜研發(fā)難度高。我國(guó) 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(guó)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(guó)產(chǎn) CPU 設(shè)計(jì)單位成長(zhǎng)起來(lái)，產(chǎn)品覆蓋了高性能計(jì)算、桌面、移動(dòng)和嵌入式等主要應(yīng)用場(chǎng)景。
原標(biāo)題：
《國(guó)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(guó)產(chǎn) CPU 發(fā)展現(xiàn)狀 1、“十二五”開(kāi)始逐步踏上正軌
CPU 是計(jì)算機(jī)的大腦和心臟，是國(guó)家大宗戰(zhàn)略產(chǎn)品，也是一個(gè)巨復(fù)雜系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)主要由三部分構(gòu)成：CPU、內(nèi)存、外部設(shè)備（存儲(chǔ)、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(guó)家大宗戰(zhàn)略產(chǎn)品，尤其是進(jìn)入信息化、智能化時(shí)代，它就和工業(yè)化階段中的鋼鐵一樣，是整個(gè)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，應(yīng)用面廣，支撐作用強(qiáng)，是國(guó)家戰(zhàn)略安全、產(chǎn)業(yè)安全的重要保障。CPU 還是一個(gè)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(qiáng)調(diào)邏輯控制，還需要有強(qiáng)勁的計(jì)算速度，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度非常之高，全球能夠獨(dú)立研發(fā)高性能 CPU 的國(guó)家少之又少。
▲計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
我國(guó)處理器研發(fā)起步相對(duì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)就是一個(gè)大型的中央處理器，體積大，計(jì)算速度慢。當(dāng)時(shí)，我國(guó)使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是自主設(shè)計(jì)，且同國(guó)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(guó)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(lái)，以英特爾 4004 為標(biāo)志，美國(guó)真正意義上的微處理器面世，CPU 正式進(jìn)入商用時(shí)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(jì)算市場(chǎng)。
相反我國(guó)受限于國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)條件、國(guó)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)——專用 77 型微機(jī)，但喪失了第四代計(jì)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(kāi)始，一直到“九五”，國(guó)家對(duì)國(guó)產(chǎn) CPU 的支持力度明顯下降，主要科研支持計(jì)劃都未將其列入。直接的后果是，上世紀(jì) 90 年代中期，國(guó)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(jì)算機(jī)公司變成組裝廠，CPU 設(shè)計(jì)能力基本喪失。
但是，隨著國(guó)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(wèn)題又再次受到國(guó)家重視?！笆濉逼陂g要不要、能不能開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn) CPU 的爭(zhēng)論開(kāi)始爆發(fā)，此后科技部將信息產(chǎn)業(yè)部啟動(dòng)了發(fā)展國(guó)產(chǎn) CPU 的“泰山計(jì)劃”。雖然該計(jì)劃未能實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，但為國(guó)產(chǎn) CPU 的發(fā)展點(diǎn)燃了“星星之火”，這些火種演變成了現(xiàn)在國(guó)產(chǎn) CPU 設(shè)計(jì)的三支國(guó)家隊(duì)——飛騰、申威和龍芯。
除了“泰山計(jì)劃”外，科技部也在通過(guò)“863 計(jì)劃”對(duì)國(guó)產(chǎn) CPU 進(jìn)行支持。從“十一五”開(kāi)始，國(guó)家通過(guò)核高基重大科技專項(xiàng)對(duì)國(guó)產(chǎn) CPU 重點(diǎn)企業(yè)進(jìn)行了扶持?！笆濉币詠?lái)，國(guó)家通過(guò)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(guó)產(chǎn) CPU 產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)培育出了一批國(guó)產(chǎn) CPU 設(shè)計(jì)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(jì)機(jī)構(gòu)如龍芯、飛騰、申威、海思、紫光展銳等競(jìng)爭(zhēng)力正在提升，君正、兆芯、海光等新秀也在快速成長(zhǎng)，科研機(jī)構(gòu)包括中科院計(jì)算所、北大眾志、國(guó)防科大、江南計(jì)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(guó)產(chǎn) CPU 廠商具備完全自主發(fā)展能力，但多數(shù)仍依托國(guó)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(cuò)綜復(fù)雜，設(shè)計(jì)企業(yè)如果從頭開(kāi)始進(jìn)入，成功難度很大。國(guó)內(nèi)有部分完全自主架構(gòu)，如北大眾志完全自主開(kāi)發(fā)的指令集產(chǎn)品 UniCore，蘇州國(guó)芯、杭州中天、浙江大學(xué)共同設(shè)計(jì)的國(guó)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(shí)現(xiàn)了完全的自主，安全性最高，但是缺點(diǎn)也十分明顯，包括缺乏操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟硬件支持、開(kāi)發(fā)工具少（編譯器、調(diào)試器等）、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)困難、移植難度大等，所以一直以來(lái)在產(chǎn)業(yè)化上受到較大制約。目前，活躍在市場(chǎng)上的國(guó)產(chǎn) CPU 絕大多數(shù)都是采用同國(guó)外合作的方式，主要途徑包括購(gòu)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(jì)算機(jī)的發(fā)展史開(kāi)始說(shuō)起。早期的計(jì)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(jì)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(lái)，IBM 為了使自己的一系列計(jì)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(jì)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(lái)，形成一個(gè)抽象的機(jī)器架構(gòu)，編程人員在這個(gè)抽象機(jī)器上進(jìn)行編程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了與硬件的解耦。至此，處理器則從原來(lái)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(shí)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(lái)引導(dǎo) CPU 進(jìn)行加減運(yùn)算和控制計(jì)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(guò)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(jiǎn)指令集（以 ARM、MIPS、POWER等為代表）。其中，復(fù)雜指令集（CISC）通過(guò)增加可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的指令和多種靈活的編址方式，來(lái)提高程序的運(yùn)行速度。但直接后果就是需要對(duì)不等長(zhǎng)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(duì)硬件集成度、工藝、功耗均非常高。
相反，精簡(jiǎn)指令集（RISC）采用的等長(zhǎng)的指令，可以將一條指令分割成若干個(gè)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(jiǎn)單而且成本低。英特爾在早期研發(fā) CPU 時(shí)，精簡(jiǎn)指令集還未出現(xiàn)，而在精簡(jiǎn)指令集出現(xiàn)之后，英特爾也看到了精簡(jiǎn)指令集存在的明顯優(yōu)勢(shì)，但為了實(shí)現(xiàn)后向兼容，也不得不一條路走到黑，繼續(xù)推動(dòng) X86 復(fù)雜指令集的發(fā)展。
這兩類架構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。上世紀(jì) 90 年代，復(fù)雜指令集和精簡(jiǎn)指令集陣營(yíng)展開(kāi)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(shí)上的結(jié)盟（Wintel 體系），同時(shí)也在新的微內(nèi)核中融合了一些精簡(jiǎn)指令集的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(jiǎn)指令集一方，雖然指令集本身有優(yōu)勢(shì)，但是群龍無(wú)首且各自為戰(zhàn)，最終被 Wintel 體系打敗，且擠壓到嵌入式市場(chǎng)，后來(lái)在智能手機(jī)興起之后才覓得新的市場(chǎng)空間。尤其是 ARM，通過(guò)與 Android 的合作，在智能手機(jī)處理器市場(chǎng)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(chǎng)也不再局限于嵌入式和移動(dòng)領(lǐng)域，高性能計(jì)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(chǎng)份額
▲2019 年 10 月全球 X86 桌面 CPU 市場(chǎng)份額
復(fù)雜指令集和精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)在國(guó)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(guò)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(jiǎn)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的影響力較大。
▲復(fù)雜指令集與精簡(jiǎn)指令集對(duì)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(duì)于使用授權(quán)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，CPU 的完成度依次上升，設(shè)計(jì)難度依次下降，但自主程度也在降低。
1、架構(gòu)授權(quán)。該級(jí)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(lái)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(lái)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(jì)理念，類似于大樓的渲染圖，對(duì)被授權(quán)方的研發(fā)能力要求非常高，設(shè)計(jì)中出現(xiàn)任何錯(cuò)誤，都將造成投資失敗。目前國(guó)內(nèi)購(gòu)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(jí)模型和布線都需要設(shè)計(jì)，對(duì)自主設(shè)計(jì)要求非常高，也正是因?yàn)槿绱?，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(jì)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(guò) RTL 級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)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(jí)設(shè)計(jì)網(wǎng)表，并可以進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)成具有不同性能的器件，設(shè)計(jì)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(jì)，已有固定的拓?fù)洳季趾途唧w工藝，并已經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)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(lái)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(jì)和工藝已經(jīng)完成而不能更改，授權(quán)廠商對(duì)其實(shí)行全權(quán)控制，對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)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(fèi)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(xiǎn)、快速了解 ARM IP 的一種授權(quán)模式；這兩種模式下設(shè)計(jì)出來(lái)的芯片不能銷售，只能用于內(nèi)部研究。另外，它還設(shè)計(jì)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(shí)間為授權(quán)效力劃分，均較為昂貴，相對(duì)來(lái)說(shuō)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(fèi)，此后按照每顆芯片收取約 2％的版稅，這種授權(quán)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較適合創(chuàng)業(yè)公司，或者目標(biāo)明確的特定設(shè)計(jì)項(xiàng)目。
▲典型的授權(quán)結(jié)構(gòu)
3、 國(guó)產(chǎn) CPU 生態(tài)短板逐步補(bǔ)齊
從拿到授權(quán)到設(shè)計(jì)出產(chǎn)品，需要大量的資金、人員投入，以及國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的持續(xù)支持。在 2006年啟動(dòng)的核高基專項(xiàng)，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(wú)論是大 CPU（高性能計(jì)算、服務(wù)器）、還是中 CPU（桌面級(jí)）以及小 CPU（移動(dòng)和嵌入式）都取得了較大進(jìn)展，已有的產(chǎn)品通過(guò)不斷的優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了從“可用”到“好用”，一些量大面廣的領(lǐng)域，也實(shí)現(xiàn)了“零”的突破。從整體上看，國(guó)產(chǎn) CPU 芯片同國(guó)際差距擴(kuò)大的態(tài)勢(shì)逐步在逆轉(zhuǎn)。
高性能計(jì)算方面，國(guó)內(nèi)天津飛騰、海光、申威等處理器產(chǎn)品已經(jīng)在 E 級(jí)（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(shí)現(xiàn)了完全國(guó)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(jià)比優(yōu)勢(shì)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(chǎng)上具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(lái)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力相對(duì)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(guó)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(jí)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(guó)內(nèi)移動(dòng) CPU 設(shè)計(jì)能力快速成長(zhǎng)，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(chǎng)，我國(guó)移動(dòng)芯片同國(guó)際差距已并不明顯，華為海思和臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科在移動(dòng)處理器設(shè)計(jì)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(tái)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(kāi)的跑分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)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(duì)比
▲主流移動(dòng)芯片 GB5 跑分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)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(chǎng)上表現(xiàn)的十分突出。在傳統(tǒng) PC 市場(chǎng)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(huì)拉動(dòng)一波新的 PC 更換，進(jìn)而帶動(dòng)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(dòng)市場(chǎng)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(qiáng)大的影響力。ARM 占據(jù)了全球 95%的移動(dòng)芯片授權(quán)市場(chǎng)，而 Android 在移動(dòng)操作系統(tǒng)市場(chǎng)上的份額也高達(dá) 85%。而在中低檔服務(wù)器市場(chǎng)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(gè)或者兩個(gè)核心企業(yè)，引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)發(fā)展。但是在國(guó)內(nèi)，各處理器設(shè)計(jì)企業(yè)在指令集選擇上，山頭林立，各自為戰(zhàn)，但都沒(méi)能做大，對(duì)生態(tài)的領(lǐng)導(dǎo)能力較弱。而一般的軟件企業(yè)只會(huì)對(duì)一兩種微結(jié)構(gòu)進(jìn)行編譯，如果一種指令集在市場(chǎng)生態(tài)上處于弱勢(shì)，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(chǎng)成功。恰恰在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，處理器采用的指令集可謂是五花八門，但市場(chǎng)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(kù)以及應(yīng)用軟件企業(yè)造成非常大的困擾，無(wú)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(guó)家研發(fā)專項(xiàng)在推動(dòng)，還沒(méi)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(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)也在通過(guò)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(guó)電子開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)“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(guó)重要的自主操作系統(tǒng)研發(fā)廠商，長(zhǎng)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(qiáng)，2019 年中國(guó)電子對(duì)旗下業(yè)務(wù)進(jìn)行重大調(diào)整，旗下整機(jī)廠商中國(guó)長(zhǎng)城收購(gòu)天津飛騰，整機(jī)業(yè)務(wù)全面轉(zhuǎn)向 PK 體系，國(guó)產(chǎn) CPU 缺乏硬件支持的短板正在補(bǔ)齊。同時(shí)，處理器和操作系統(tǒng)廠商也在加強(qiáng)開(kāi)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(kāi)發(fā)、應(yīng)用推廣。
另一方面，國(guó)家也在加快推動(dòng)基于國(guó)產(chǎn) CPU 的整機(jī)品牌在黨政軍、重點(diǎn)行業(yè)的應(yīng)用，通過(guò)應(yīng)用帶動(dòng)生態(tài)建設(shè)。目前，相關(guān)項(xiàng)目推動(dòng)順利，服務(wù)器、筆記本、臺(tái)式機(jī)、移動(dòng)及嵌入式終端、外設(shè)企業(yè)多數(shù)都在參與國(guó)產(chǎn) CPU 的適配工作，基于國(guó)產(chǎn) CPU 的操作系統(tǒng)、通用軟件及應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)推廣工作都在有序進(jìn)行，國(guó)產(chǎn)化軟硬件平臺(tái)體系建設(shè)逐步完善。
從目前生態(tài)建設(shè)效果來(lái)看，鏈條越短的領(lǐng)域，生態(tài)建設(shè)的越完善。在整個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈中，高新性能計(jì)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?yàn)槿绱?，?guó)內(nèi)整機(jī)、外設(shè)企業(yè)分布較為密集，每家國(guó)產(chǎn) CPU 設(shè)計(jì)企業(yè)周圍都有大量的廠商集聚。相反，臺(tái)式機(jī)和筆記本市場(chǎng)由于對(duì)通用、應(yīng)用軟件要求較高，目前的整機(jī)種類相對(duì)少一些，但是主流的整機(jī)制造廠還均有產(chǎn)品推出。
▲國(guó)產(chǎn) CPU 配套軟硬件廠商
二、 國(guó)產(chǎn) CPU 發(fā)展機(jī)遇及前景展望 1、國(guó)際供應(yīng)鏈斷裂和信息安全風(fēng)險(xiǎn)加劇，倒逼國(guó)內(nèi) CPU 加快自主可控步伐
我國(guó) CPU 市場(chǎng)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(gòu)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年國(guó)內(nèi)智能手機(jī)產(chǎn)量高達(dá) 13.69 億臺(tái)，計(jì)算機(jī)整機(jī)產(chǎn)量也達(dá)到 3.2 億臺(tái)。雖然近些年，計(jì)算機(jī)整機(jī)和智能手機(jī)產(chǎn)量增長(zhǎng)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(jià)值非常高，市場(chǎng)規(guī)模依然非?？捎^。同時(shí)，服務(wù)器 CPU 伴隨著整機(jī)出貨的快速成長(zhǎng)，需求量增長(zhǎng)也較為迅速。
IDC 數(shù)據(jù)顯示，2018 年國(guó)內(nèi)服務(wù)器出貨量達(dá)到 330.4 萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng) 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(guò) 20%。另外，國(guó)內(nèi)在物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興計(jì)算領(lǐng)域，對(duì) CPU 也存在海量的需求。
國(guó)內(nèi) CPU 絕大多數(shù)都是進(jìn)口或者采購(gòu)國(guó)外企業(yè)在華產(chǎn)品。移動(dòng) CPU 除了華為能夠通過(guò)海思自給之外，其余都需要從國(guó)外或臺(tái)資企業(yè)（如高通、聯(lián)發(fā)科等）采購(gòu)；桌面 CPU 則更是嚴(yán)重依賴 X86 架構(gòu)，臺(tái)式機(jī)、筆記本 CPU 主要為英特爾、AMD 占領(lǐng)；服務(wù)器市場(chǎng)則主要為英特爾壟斷。2019 年前7 個(gè)月，我國(guó)芯片累計(jì)進(jìn)口額為 1645.71 億美元，繼續(xù)超過(guò)原油居國(guó)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(guó)智能手機(jī)產(chǎn)量及增速
▲2014-2018 年我國(guó)電子計(jì)算機(jī)整機(jī)產(chǎn)量及增速
▲2019 年 1-7 月我國(guó)集成電路進(jìn)口額結(jié)構(gòu)
▲2019 年 1-7 月我國(guó)處理器進(jìn)口額來(lái)源地排序
美國(guó)企業(yè)（英特爾、AMD、高通等）是我國(guó) CPU 產(chǎn)品的主要供應(yīng)商，其中直接從美國(guó)本土進(jìn)口的CPU 芯片體量也比較大。2019 年前 7 個(gè)月，我國(guó)累計(jì)從美國(guó)進(jìn)口處理器 64.87 億元，占到我國(guó)從美國(guó)芯片進(jìn)口額的 84%，占比非常之高。對(duì)美國(guó)處理器的過(guò)度依賴，成為我國(guó)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(tái)之后，美國(guó)對(duì)我國(guó)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(jí)，CPU 的供應(yīng)也成為問(wèn)題。2018 年以來(lái)，中興、華為、中科曙光、江南計(jì)算所等企業(yè)都已經(jīng)被美國(guó)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(guó)實(shí)施禁運(yùn)，這些企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)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(shì)明顯。除美國(guó)外，重點(diǎn)材料、元器件供應(yīng)國(guó)——日本和韓國(guó)，也開(kāi)始將關(guān)鍵產(chǎn)品禁運(yùn)作為政治籌碼，相互傾軋，斷供問(wèn)題至今尚未完全解決，曾經(jīng)國(guó)內(nèi)甚囂塵上的可以完全依靠“國(guó)際供應(yīng)鏈”的神話被徹底打破。我國(guó)作為電子信息終端制造大國(guó)，一旦其他國(guó)家在 CPU 這種關(guān)鍵器件上卡脖子，我國(guó)卻缺乏有效的應(yīng)對(duì)和準(zhǔn)備，將會(huì)對(duì)整個(gè)電子信息行業(yè)甚至是國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生極具破壞性的影響。
▲2019 年 1-7 月我國(guó)從美國(guó)的芯片進(jìn)口額結(jié)構(gòu)
▲近年來(lái)中美電子信息領(lǐng)域摩擦情況
采用國(guó)外的 CPU 產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)用戶對(duì)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(wèn)題。同時(shí)，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(zhǎng)，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可能都不需要對(duì)信息系統(tǒng)（包括 CPU 等元器件）進(jìn)行升級(jí)換代，這和消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品存在著根本性的差異，其對(duì)供應(yīng)鏈安全的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于性能要求。如果采用國(guó)外的 CPU 產(chǎn)品，一般會(huì)按照摩爾定律快速演進(jìn)，國(guó)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(duì)落后的元器件，就非?？赡茉庥錾a(chǎn)線關(guān)閉的情況，對(duì)于一些系統(tǒng)級(jí)裝備，都需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，增加不必要的成本。
相反，如果是采用國(guó)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(huì)保留相關(guān)產(chǎn)能和售后服務(wù)團(tuán)隊(duì)。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(cái)力、產(chǎn)業(yè)政策等方面的投入，大量采購(gòu)進(jìn)口芯片，抑制了國(guó)產(chǎn) CPU 產(chǎn)品的生態(tài)培育和成長(zhǎng)。
也正是如此，黨中央、國(guó)務(wù)院以及地方政府對(duì)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(shí)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(lái)中美在科技領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)加劇的大背景下，國(guó)內(nèi)對(duì)國(guó)產(chǎn) CPU 的支持力度還會(huì)保持在高強(qiáng)度。（1）對(duì) CPU 相關(guān)的元硬件研發(fā)引導(dǎo)、資金支持以及財(cái)稅優(yōu)惠政策有所傾斜；（2）支持企業(yè)通過(guò)兼并重組、國(guó)際合作等方式做大做強(qiáng)，提高國(guó)產(chǎn)化替代能力；（3）加強(qiáng)應(yīng)用端扶持，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)化采購(gòu)工作，將基于國(guó)產(chǎn)芯片的整機(jī)產(chǎn)品列入政府采購(gòu)清單，鼓勵(lì)軟件、周邊設(shè)備對(duì)國(guó)產(chǎn) CPU 進(jìn)行優(yōu)化和適配；（4）加強(qiáng)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(qiáng)集成電路人才隊(duì)伍建設(shè)，將集成電路設(shè)置為一級(jí)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(huì)起來(lái)。
▲近年來(lái)我國(guó) CPU 相關(guān)政策
2、 未來(lái)國(guó)產(chǎn) CPU 進(jìn)口替代潛力巨大
國(guó)內(nèi)仍將長(zhǎng)期是全球最大的 CPU 消費(fèi)市場(chǎng)。從主要下游行業(yè)來(lái)看：首先，智能手機(jī)將面臨著大量的換機(jī)需求，針對(duì) 5G 場(chǎng)景和應(yīng)用的 CPU 處理器也將得到較快推廣。目前，國(guó)內(nèi) 5G 手機(jī)已經(jīng)進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)，市場(chǎng)普遍預(yù)計(jì)到 2020 年年底，國(guó)內(nèi) 5G 手機(jī)有望進(jìn)入實(shí)質(zhì)性增長(zhǎng)階段。
據(jù)中國(guó)信通院數(shù)據(jù)顯示，2019 年 10 月份，國(guó)內(nèi)市場(chǎng) 5G 手機(jī)銷量達(dá)到 78.7 萬(wàn)部。2019 年國(guó)慶之前，三大運(yùn)營(yíng)商也啟動(dòng)了 5G 套餐的預(yù)約，10 天內(nèi)預(yù)約量就超過(guò) 1000 萬(wàn)人。其次，PC 雖然未來(lái)相對(duì)疲軟，但用戶基數(shù)非常龐大；服務(wù)器芯片市場(chǎng)將繼續(xù)在云計(jì)算、企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中受益，尤其是在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，云計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模增速未來(lái)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(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，目前正在向制造強(qiáng)國(guó)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(chǎng)主要分為三類：黨政軍及重點(diǎn)行業(yè)、企業(yè)以及消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，需求特點(diǎn)各異。黨政軍及重點(diǎn)行業(yè)市場(chǎng)，市場(chǎng)化程度相對(duì)較低，對(duì)安全性和定制化的要求遠(yuǎn)高于消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，同時(shí)對(duì)生態(tài)的要求相對(duì)較低，這同國(guó)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(guó)產(chǎn) CPU 的傳統(tǒng)和核心市場(chǎng)；企業(yè)級(jí)市場(chǎng)主要是高性能計(jì)算和嵌入式 CPU，這個(gè)領(lǐng)域?qū)ι鷳B(tài)的要求，高于黨政軍但弱于消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，這個(gè)板塊是國(guó)產(chǎn) CPU 未來(lái)重要的增量市場(chǎng)；消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)則是國(guó)產(chǎn) CPU 長(zhǎng)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(diǎn)彌補(bǔ)。
其中，黨政軍及重點(diǎn)行業(yè)是國(guó)產(chǎn) CPU 確定性最強(qiáng)的領(lǐng)域。在當(dāng)前貿(mào)易戰(zhàn)的大背景下，國(guó)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(dòng)自主可控試點(diǎn)，基于國(guó)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(gòu)之外，地方政府部門也將開(kāi)始相關(guān)國(guó)產(chǎn)化替代工作；對(duì)信息安全、供應(yīng)鏈安全高度敏感的軍隊(duì)，一直是國(guó)產(chǎn) CPU 的傳統(tǒng)市場(chǎng)，將來(lái)伴隨著國(guó)防信息化的加速，服務(wù)器、PC、嵌入式和移動(dòng) CPU 需求量均將增加；金融、電信、能源等重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域也在加大基于國(guó)產(chǎn) CPU的服務(wù)器產(chǎn)品采購(gòu)，未來(lái)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(chǎng)都有公開(kāi)的應(yīng)用案例。
3、 未來(lái)國(guó)產(chǎn) CPU 在傳統(tǒng)領(lǐng)域存在追趕機(jī)會(huì)，AI、開(kāi)源架構(gòu)帶來(lái)?yè)Q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(guó)內(nèi)關(guān)于 CPU 的知識(shí)儲(chǔ)備趨于完善。主要設(shè)計(jì)企業(yè)無(wú)論是通過(guò)自研還是國(guó)際合作，都已經(jīng)在架構(gòu)方面積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，包括架構(gòu)的升級(jí)、內(nèi)核的設(shè)計(jì)等，已形成了較多的參考案例，有望在現(xiàn)有平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)躍升。
其次，國(guó)內(nèi)技術(shù)人才的積累也在日趨豐富。隨著國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)市場(chǎng)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(jì)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(jì)團(tuán)隊(duì)。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(jí)學(xué)科，未來(lái)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(shí)期升級(jí)速度趨緩，國(guó)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(jí)到 7nm 的臺(tái)積電，后續(xù)離硅加工極限（3nm）已非常接近，空間非常小。而國(guó)內(nèi)企業(yè)制程和性能水平相對(duì)較低，所處的階段反而更會(huì)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(shí)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(jí)進(jìn)展
隨著人工智能、5G、邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展和成熟，將對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算需求形成巨大挑戰(zhàn)，并創(chuàng)造出新的計(jì)算技術(shù)需求，國(guó)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(shí)，除了 X86 和國(guó)內(nèi)廣泛使用的 ARM 架構(gòu)之外，開(kāi)源架構(gòu)未來(lái)也將成為重要選擇，中小企業(yè)也可以利用其免費(fèi)特點(diǎn)，擺脫 Wintel 和 ARM-Android 體系的歷史包袱，實(shí)現(xiàn)換道超車。
目前，國(guó)際上主要的開(kāi)源架構(gòu)為 RISC-V、Open-RISC、SPARC 等，其中 RISC-V 架構(gòu)正在受到市場(chǎng)的認(rèn)可，該架構(gòu)篇幅簡(jiǎn)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(jí)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，沒(méi)有歷史包袱。對(duì)于 RISC-V 生態(tài)，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)如阿里，已經(jīng)有所行動(dòng)，全資收購(gòu)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(qiáng)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(duì) RISC-V 開(kāi)發(fā)很有興趣，公司也是這個(gè)基金會(huì)的成員。
▲RISC-V 與 X86、ARM 指令集比較
▲開(kāi)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(guó)家電子信息技術(shù)水平的體現(xiàn)。雖然中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)近些年一直飛速發(fā)展，但一直沒(méi)有走出“缺芯”的局面。十幾年來(lái)，芯片進(jìn)口遠(yuǎn)超石油成為中國(guó)最大宗進(jìn)口產(chǎn)品，特別是其中市場(chǎng)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(guó)際供應(yīng)鏈斷裂和信息安全風(fēng)險(xiǎn)加劇的大背景下，國(guó)產(chǎn)CPU在經(jīng)歷了許多坎坷后，逐步實(shí)現(xiàn)了“從無(wú)到有”、“可用到好用”的轉(zhuǎn)變，“造不如買”的國(guó)際產(chǎn)業(yè)鏈邏輯已被打破。但是，雖然有國(guó)家政策的全力支持，但芯片行業(yè)更需要市場(chǎng)的磨礪與洗禮，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的充分競(jìng)爭(zhēng)與淘汰，希望能很快看到一批走出國(guó)門，屹立世界的國(guó)產(chǎn)CPU企業(yè)。
