CPU技术路线、分类及运行原理

​   1.  CPU：计算机核心

1.1.  CPU的定义和分类 CPU是计算机的运算和控制核心。CPU是中央处理器（Central Processing Unit）的简称，是对计算机的所有硬件资源进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为CPU的操作。CPU 包括运算器、控制器、寄存器等模块。其中运算器和控制器是CPU的核心模块，前者负责进行各种算术和逻辑运算操作，后者为“决策机构”，主要任务就是发布命令，发挥着整个计算机系统操作的协调与指挥作用。

CPU按用途可分为桌面、服务器、移动端CPU和嵌入式CPU。桌面CPU主要应用于个人计算机（台式机、笔记本电脑）。服务器CPU主要用于服务器，对运算性能和稳定性要求更高。桌面和服务器CPU主要厂商为Intel和AMD。移动端CPU主要用于各种手机和平板中，对功耗、可靠性要求较高，主流的移动端CPU厂商主要有苹果、高通、联发科、华为和三星五家品牌。嵌入式CPU主要用于汽车电子、工业控制与自动化、智能电网等领域，对功耗、稳定性有较高要求。

CPU按照指令集可分为CISC（复杂指令集）和RISC（精简指令集）两大类。CISC指令丰富、寻址方式灵活，以微程序控制器为核心，指令长度可变，功能强大，复杂程序执行效率高；RISC指令结构简单、易于设计，具有较高的执行能效比。CISC型CPU目前主要有X86架构，主要应用于桌面和服务器领域，RISC型CPU主要包括ARM、Alpha、MIPS、POWER、RISC-V架构等，主要应用于移动终端、物联网领域和网关、机顶盒等网络设备中。

 

1.2.  CPU的发展历史：走向高制程、多核、新IP之路 自1971年Intel推出了世界上第一款微处理器4004至今，全球CPU的发展历程可以划分为四个阶段：性能提升阶段（1970-1990年）、应用扩展阶段（1990-2000年）、多元发展阶段（2000-2010年）、多核集成阶段（2010年-至今），在不同阶段CPU发展呈现出不同特点。

芯片工艺制程越来越高。在一定程度上，芯片工艺制程越小，单位面积内容纳的晶体管数量就越多，就可以构建更为复杂、性能强大的电路。同时，芯片工艺制程越小，电子元器件的功耗就越小。因此，随着芯片工艺制程提高，芯片集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。根据台积电官网数据，公司7nm FinFET制程比10nm速度增快约20%，功耗降低约40%。

多核处理器的出现打破性能提升瓶颈。2005年CPU主频接近4GHz，单纯的主频提升已经无法明显提升系统整体性能，反而会导致CPU功耗急速上升。于是当年Intel推出双核奔腾D和奔腾四至尊版840，AMD也随后发布了双核皓龙和速龙64 X2处理器，经过十几年的强化升级，2023年Intel将会推出代号为Sierra Forest的128核至强处理器，AMD也将推出基于Zen 4c微架构的128核处理器Bergamo，多核已经成为提升CPU性能的重要手段。 IP降低CPU芯片设计难度。摩尔定律的经验表现为，芯片中晶体管数量呈现指数级上升趋势，同时，芯片构造的复杂度、设计难度、制造成本都显著增加，芯片设计公司难以单独完成芯片制作的全部流程，只能进行简单芯片设计。为了解决开发难度的问题，IP应运而生，芯片设计公司经常采用其他公司的IP以加快设计速度，不再从零做起，重复造轮子。ARM公司的快速壮大就是IP商业模式跑通的重要证明。

1.3. CPU架构演进：ARM大有可为 当前X86架构生态占据全球主要市场份额。微软公司和英特尔公司各自凭借自身规模效应和技术优势，使其产品Windows和Intel CPU占据了绝大部分市场份额，结成了“Wintel”技术联盟。截至2022年9月4日，在Intel的合作伙伴联盟中，包括了94家云和通信服务提供商、271家独立软件厂商、2940家原始设备制造商(OEM)、88家服务集成商以及4479家解决方案提供商。是整个产业中最庞大、最完善、应用最广泛的处理器架构之一，具有极高的生态壁垒。

ARM架构在高并发应用场景具有比较优势。ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器，全称为Advanced RISC Machine。ARM芯片比Intel x86芯片具有更高的功率效率，并且功耗更低，性价比更高。以ARM为代表的RISC通用架构处理器在场景多样化计算时代具备明显的优势。例如在分布式数据库、大数据、Web前端等高并发应用场景，单芯片核数更多的ARM架构处理器相比传统处理器拥有更好的并发处理效率。

ARM生态繁荣。在移动设备领域，ARM架构有着压倒性的市场和技术优势，根据软银2017年世界大会的数据，ARM在智能手机、调制解调器、车载信息设备、可穿戴设备等领域都占据统治地位。基于海量的市场空间，目前芯片领域的新工艺、新制程和新材料都率先在ARM架构上得以实现。可以预见未来ARM架构的CPU在并发性能、功耗、集成度等方面都会长期保持领先优势。

ARM是最活跃的体系架构生态。对于一些不太活跃的CPU架构，发行版就慢慢减少支持，甚至有不再支持的风险，由此会给软件开发、移植部署等带来诸多困难。根据《从端到云基于飞腾平台的全栈解决方案白皮书》数据，Linux内核对于几种CPU架构的维护活跃程度（选取较新的稳定版5.3.7内核，分别对比了六种CPU架构相关代码维护活跃程度）和代码维护活跃度，由高到底依次为ARM64（1468次）、x86（1329次）、PowerPC（879次）、MIPS（310次）、SPARC（114次）和ALPHA（64次）。

 

西方也在转向采用ARM架构。PC方面，在Mercury Research的2021年第四季度PC统计中，基于ARM处理器的PC在所有PC总出货销量中的占比达到了9.5%的新高，同比增加了6.1pct，环比增加1.2pct。2020年苹果旗下MacBook笔记本电脑、Mac一体机和平板电脑配置的M1芯片表现出ARM架构性能的潜力和低能耗优势。服务器领域，华为已经于2019年推出基于ARM架构的鲲鹏920服务器芯片，性能对标Intek至强8180。英伟达也在2020年推出了基于ARM架构的Grace服务器芯片。 信创事业发展可以更多利用ARM。随着中美科技脱钩，CPU架构也会成为博弈的焦点。ARM架构是未来芯片主流技术方向，目前芯片领域的新工艺、新制程和新材料都率先在ARM架构上得以实现。可以预见未来ARM架构的CPU在并发性能、功耗、集成度、场景多样化具备明显优势。西方由于原有技术路径拖累以及现有利益冲突，较难完全拥抱ARM架构，中国从0到1选择布局ARM架构，历史包袱较小，有望借助ARM架构夺得CPU技术高地。

2.  高壁垒大赛道，寡头垄断格局

2.1.  CPU市场规模庞大，海外寡头垄断 全球CPU市场较为稳定，疫情促进桌面CPU市场规模增加。CPU的重要应用领域包括桌面和服务器，在桌面领域，2015-2018年全球出货量增速呈现缓慢下降的趋势，但是整体出货量依然保持在2.6亿台/年左右。2019年开始全球桌面出货量出现回升，2020年疫情催生全球“线上化”浪潮，全球桌面出货量较前5年有较大增长，达到3.03亿台。在服务器领域，2020年全球服务器出货量达1,220万台，同比增长3.92%。

2020年国内桌面CPU出货量约5000万片，服务器CPU出货量约700万片。根据IDC数据，2020年中国PC出货量为4910万台，X86服务器出货量为344万台。假设平均每台PC用1片CPU，服务器主要为双路服务器（配置2片服务器CPU），则2020年中国桌面CPU市场出货量约5000万片，服务器CPU市场出货量约700万片。

 

 

Intel和AMD两大巨头垄断全球CPU市场。X86为当前全球信息化类CPU的主流架构，根据Mercury Research数据2021年Q3全球PC和服务器中，X86占比超过90%。Intel和AMD作为全球信息化类CPU中的两大巨头，在 2021年Q4，Intel占据全球X86总体市场的74%，AMD占比为26%。2021年两大CPU巨头Intel和AMD营收合计超过900亿美元。根据我们测算，2021年CPU国产化率超过10%。

 

2.2. CPU市场的竞争要素：性能和生态 CPU技术迭代快速，全球CPU巨头保持高研发投入。CPU行业技术壁垒较高，处理器迭代速度快，Intel和AMD作为行业巨头平均每1-2年迭代一次，在指令集、IPC和缓存容量等方面实现创新突破。2015-2021年Intel和AMD研发费用率整体保持平稳，维持在20%上下。

 

CPU有多个性能衡量指标。主频，CPU的工作频率，主频越高，CPU的运算速度也就越快。核心数，指硬件上存在着几个核心单元，CPU所能处理的数据和任务越多。线程数，线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，支持越多线程代表可以同时处理更多任务。多一颗核心就像多一个人，而多一个线程就多一只手。缓存，缓存是CPU与内存之间的缓冲地，在一定程度上，缓存容量越大越好。

 CPU生态包括硬件和软件。硬件方面，从指令集、IP核，到接口、板卡、整机厂商，各个硬件环节相互认证，形成硬件合作生态；软件方面，从操作系统、编译器、Java、.NET 等基件软件到办公软件、视频软件等上层软件，都存在相互适配，形成紧密的软件生态。 CPU生态一旦形成，十分稳固。生态比技术更重要，历史上曾出现过一些性能优越的CPU产品，但都败于Wintel生态。CPU生态一旦形成，就是寡头垄断格局，强者恒强。第三方厂商单靠商业手段很难打破竞争格局，只能依靠行政力量和足够大的内循环市场，才有可能成为新的世界级巨头。目前CPU行业由两大生态体系主导：一是基于 X86指令系统和 Windows 操作系统的 Wintel 体系；二是基于ARM指令系统和Android操作系统的AA体系。  

审核编辑：黄飞