CPU(中央处理器)是计算机系统的核心和大脑,也是国家大宗战略物资,系统复杂研发难度高。我国CPU 研发起步较早,但发展较为坎坷,步入正轨是在“十二五”之后。在国家集成电路产业政策和大基金投资等多重措施支持下,一大批国产CPU 设计单位成长起来,产品覆盖了高性能计算、桌面、移动和嵌入式等主要应用场景。

一、国产CPU 发展现状

1、“十二五”开始逐步踏上正轨

▲计算机结构简图

我国处理器研发起步相对较早,但发展历程比较坎坷,随着国内信息化的加速以及电子信息制造业的快速发展,“缺芯”的问题又再次受到国家重视。“十五”期间要不要、能不能开发国产CPU 的争论开始爆发,此后科技部将信息产业部启动了发展国产CPU 的“泰山计划”。虽然该计划未能实现既定目标,但为国产CPU 的发展点燃了“星星之火”,这些火种演变成了现在国产CPU 设计的三支国家队——飞腾、申威和龙芯。

除了“泰山计划”外,科技部也在通过“863 计划”对国产CPU 进行支持。

2、部分国产CPU 厂商具备完全自主发展能力,但多数仍依托国际合作

CPU 发展到今天,其内部架构和逻辑关系已经变得错综复杂,设计企业如果从头开始进入,成功难度很大。目前,活跃在市场上的国产CPU 绝大多数都是采用同国外合作的方式,主要途径包括购买指令集授权、技术合作等。

▲处理器结构演变过程

目前,全球CPU 指令集架构有两类——复杂指令集(X86)和精简指令集(以ARM、MIPS、POWER等为代表)。

这两类架构竞争十分激烈。上世纪90 年代,复杂指令集和精简指令集阵营展开了激烈厮杀。复杂指令集一方,英特尔凭借着与微软的事实上的结盟(Wintel 体系),同时也在新的微内核中融合了一些精简指令集的技术优势,在中低档服务器、PC、笔记本等主流领域占据了绝大多数份额;精简指令集一方,虽然指令集本身有优势,但是群龙无首且各自为战,最终被Wintel 体系打败,且挤压到嵌入式市场,后来在智能手机兴起之后才觅得新的市场空间。尤其是ARM,通过与Android 的合作,在智能手机处理器市场占据了绝大多数份额。在ARM 的64 位产品(ARM V8)推出之后,其市场也不再局限于嵌入式和移动领域,高性能计算、服务器和桌面也都成为其重要方向。

▲2018 年全球服务器CPU 市场份额

▲2019 年10 月全球X86 桌面CPU 市场份额

复杂指令集和精简指令集架构在国内均有授权或者技术合作。X86 授权的有兆芯、海光,兆芯是通过威盛获得的X86 授权,海光则是中科曙光和AMD 合作的产物。精简指令集授权的有龙芯(MIPS)、飞腾(兼容ARM V8 架构)、申威(Alpha)、海思(ARM)等。可以看到,ARM 架构在国内市场上的影响力较大。

▲复杂指令集与精简指令集对比

▲全球主要CPU 架构及授权情况

目前,CPU 授权主流的方式有三种:架构授权、软核授权和硬核授权,对于使用授权的企业来说,CPU 的完成度依次上升,设计难度依次下降,但自主程度也在降低。

1、架构授权。

2、软核授权。

3、硬核授权。

▲典型的授权结构

3、国产CPU 生态短板逐步补齐

从拿到授权到设计出产品,需要大量的资金、人员投入,以及国家产业政策的持续支持。

高性能计算方面,国内天津飞腾、海光、申威等处理器产品已经在E 级(每秒百亿亿次)超算原型机上得到应用,申威的处理器、加速器均实现了完全国产化。服务器芯片方面,飞腾、龙芯、海光、华为海思均有新品发布,其中飞腾2000+/64 核产品性能已经与英特尔主流E5 部分产品性能相当。

国内移动CPU 设计能力快速成长,已经处于全球领先地位。

▲飞腾最新桌面芯片与英特尔处理器对比

▲主流移动芯片GB5 跑分数据对比

处理器产品除了自身技术因素外,更多依托的是生态。所谓生态,就是产业链条上的企业形成的一种紧密的分工协作关系,类似于准同盟。生态的作用在CPU 市场上表现的十分突出。

▲Wintel 体系生态构成

▲ARM-Android 生态系统构成

但近两年来,国内企业也在通过各种途径建设生态,已经取得了一定的效果。

一方面,芯片和操作系统厂商联合打造的生态“雏形”已经显现。

另一方面,国家也在加快推动基于国产CPU 的整机品牌在党政军、重点行业的应用,通过应用带动生态建设。

▲国产CPU 配套软硬件厂商

二、国产CPU 发展机遇及前景展望

1、国际供应链断裂和信息安全风险加剧,倒逼国内CPU 加快自主可控步伐

我国CPU 市场规模和潜力非常大,庞大的整机制造能力意味着巨量的CPU 采购。

▲2016-2018 年我国智能手机产量及增速

▲2014-2018 年我国电子计算机整机产量及增速

▲2019 年1-7 月我国集成电路进口额结构

▲2019 年1-7 月我国处理器进口额来源地排序

美国企业(英特尔、AMD、高通等)是我国CPU 产品的主要供应商,其中直接从美国本土进口的CPU 芯片体量也比较大。

更为严峻的是,全球核心技术和关键产品武器化趋势明显。

▲2019 年1-7 月我国从美国的芯片进口额结构

▲近年来中美电子信息领域摩擦情况

采用国外的CPU 产品,国内用户对其内部逻辑、软件代码缺乏控制,存在逻辑炸弹、软件后门等安全性问题。

正是如此,党中央、国务院以及地方政府对该领域的支持力度逐步加大,政策日趋完善,为产业后续实现跨越式发展创造了良好的外部环境。尤其是未来中美在科技领域竞争加剧的大背景下,国内对国产CPU 的支持力度还会保持在高强度。

▲近年来我国CPU 相关政策

2、未来国产CPU 进口替代潜力巨大

国内仍将长期是全球最大的CPU 消费市场。

另外,工业控制领域的嵌入式CPU 需求广阔,我国作为制造业大国,目前正在向制造强国转型,智能化改造是重要方向,CPU 作为智能化的核心部件,将广泛应用于工控系统当中。

最后,党政军及重点行业是国产CPU 确定性最强的领域。

3、未来国产CPU 在传统领域存在追赶机会,AI、开源架构带来换道超车可能

传统CPU 技术差距虽然巨大,但依然存在追赶上的可能。

首先,国内关于CPU 的知识储备趋于完善。

其次,国内技术人才的积累也在日趋丰富。

最后,CPU 进入后摩尔定律时期升级速度趋缓,国产CPU 离天花板较远,缩小差距存在可能。

▲英特尔桌面CPU 加工工艺升级进展

随着人工智能、5G、边缘计算、区块链等技术的发展和成熟,将对传统计算需求形成巨大挑战,并创造出新的计算技术需求,国内CPU 企业如能在此期间不断拓展产品谱系,将大有可为。