数字芯片之通用处理器CPU

数字芯片是半导体行业里市场空间最大，技术壁垒最高的赛道。之前我们分析过的那些尖端设备和材料，主要都是为数字芯片打造的。

目前芯片设计这些赛道里，IGBT和模拟芯片领域都有IDM厂商，但数字芯片很少有做全产业链的，大家专注于自己的环节，分工合作。

这是因为IGBT和模拟芯片虽然技术和资金壁垒也很高，但生命周期长。数字芯片的发展却遵循摩尔定律，不但研发需要大量资金，晶圆代工需要大量资本购买设备，迭代又非常快。

等你把这一代产品全都配置好了，人家下一代产品又出来了，还得接着追，这就是数字芯片最难的地方。

数字芯片的工作原理简单来说就是通过晶体管控制电流的“开”和“关”，来表达数据信息的“1”和“0”，或者逻辑判断的“是”与“非”，所以数字电路也称开关电路或逻辑电路。

其组成主要就是工作在开关状态的晶体管，所以数字芯片的规模大小由其中的晶体管数量决定，摩尔定律说的也是每隔18个月晶体管数量增加一倍，因此晶体管数量对数字芯片性能起决定性作用。

数字芯片包含七种类别，分别是逻辑电路、通用处理器、存储器、单片系统SoC、微控制器MCU、定制电路ASIC和可编程逻辑器件。将来我们会对其中主要类别进行逐个分析。

简单的逻辑电路通常由门电路构成，基本是由与门、或门和非门电路排列组合而成，这些系列的电路也称为组合逻辑电路。

数量庞大的逻辑电路芯片经过不同的排列组合，理论上可以处理非常复杂的控制和运算问题。

但当下的芯片集成度很高，许多自成系统的逻辑电路可以集成在芯片内部，一个芯片就可以实现复杂的功能，也就没人愿意用大量小芯片去实现一个大系统。

所以目前逻辑电路芯片仅用于小型电子产品中，以及在大系统的通用大芯片之间的连接电路上。

通用处理器一般指服务器用和桌面计算用的CPU芯片，也包括GPU、DSP、APU等。

它是规模最大、结构最复杂的一类数字电路芯片，由海量逻辑电路组成，包含了控制、存储、运算、输入输出等完整的数据和信息处理系统，这次我们先分析CPU这一细分领域。

01 什么是CPU

CPU也叫中央处理器，是计算机的运算和控制中心，主要功能是完成计算机指令的执行和数据处理，因此CPU与内部存储器、输入输出设备被认为是计算机三大核心部件。

控制单元是CPU的控制中心，当下达指令时，控制单元负责将存储器中的数据发送至运算单元并将运算后的结果存回存储器中。

运算单元负责执行控制单元的命令，进行算术运算和逻辑运算。

存储单元是CPU中数据暂时存储的位置，其中寄存有待处理或者处理完的数据。寄存器相比内存可以减少CPU访问数据的时间，也可以减少CPU访问内存的次数，有助于提高CPU的工作速度。

按照处理信息的字长，CPU可分为四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等，后续还在不断拓展。

CPU作为集成电路的一部分，现在全球集成电路市场受益于5G、可穿戴设备和云服务等应用领域发展，依旧在稳步增长。

中国是全球最大的集成电路市场，增速也是全球最快，2012-2020年九年间集成电路产业市场规模复合增长率达到1681%。

集成电路进出口市场上，我国存在较大逆差，而且逆差还在拉大，国产化替代空间广阔。

CPU的下游市场涵盖服务器、桌面端、移动 PC端、智能手机以及物联网、人工智能、 汽车 电子、智能穿戴等新兴应用领域。

目前桌面端和移动PC端发展平缓，服务器受益于云化趋势增速较快，智能手机受益于5G换机潮迎来一波周期性机会，行业中长期发展还得看那些新兴领域，但新兴领域并不完全是CPU的增量市场，比如新能源 汽车 。

目前全球新能源 汽车 销量持续增长， 汽车 三化（电动化、智能化、共享化）势不可挡，电子成本占总成本的比率逐步提升，发展空间很大，2021年全球 汽车 芯片市场规模预计可达到440亿美元。

按应用场景划分，车用计算芯片可以划分为智能座舱芯片和自动驾驶芯片、车身控制芯片。

由于单纯一个的CPU已经无法满足智能 汽车 的算力要求，将CPU与GPU、FPGA、ASIC等通用或专用芯片异构融合的SoC方案成了各大AI芯片厂商算力竞争的主赛道。

不仅智能 汽车 ，在物联网和人工智能等领域，传统CPU也出现了不能适应市场要求的情况。

随着物联网设备灵活性要求日益提高，芯片向低功耗、高性能方向发展，MCU和SoC脱颖而出。

人工智能常用的AI芯片通常是针对人工智能算法做了特定加速设计的芯片，如GPU、FPGA、ASIC和神经拟态芯片。

虽然深度学习算法上CPU不如AI芯片，但做大规模推理，CPU比较有优势，再加上CPU优势领域的市场空间广阔，应用场景丰富，国内 科技 企业持续研发国产CPU依然势在必行。

目前CPU主要市场份额仍在海外企业手中。随着国内技术进步，国内CPU也在变得更好用，再加上政策持续加码，国产替代确定性较高。

02 CPU芯片架构

芯片架构也叫指令集架构，简单来说就是芯片的执行流程，不同指令集架构的芯片就是执行步骤的不同。

目前CPU指令集架构主要分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两大类。

复杂指令集支持的指令更多，每种运算都有自己的完整指令。由于只有少部分指令会反复使用，精简指令集就是对其进行精简，不用每种运算都有完整指令。

复杂指令集更适用于运算复杂的电脑CPU，精简指令集更适用于运算要求较低，功耗也较低的手机CPU。

在这两种指令集基础上又产生了不同的架构，也就是在指令集基础上实现对CPU内的控制单元、运算单元、存储单元等部件的一系列完整设计和安排。

03 X86架构

CISC的架构主要就是X86架构，目前Intel和AMD两家独大。

Intel和Windows组成了“Wintel”联盟，击败了苹果、IBM、摩托罗拉的Power联盟，垄断桌面市场长达20多年。直到目前，服务器、桌面和移动PC主要使用的还是X86架构处理器，Intel依然占据大部分市场。

后来随着AMD第二代Epyc处理器“罗马”问世，AMD服务器CPU市占率在短短两年内从1%增长到了8%。接着第三代Epyc处理器“米兰”发布，其服务器市场份额有望达到15%。

由于AMD服务器芯片性价比较高，又有台积电7nm制程技术加成，越来越多数据中心开始采购AMD的产品。

X86架构之所以覆盖范围这么广，除了起步早、性能高、兼容性好之外，还跟它生态完善有关，目前全球65%以上的软件开发商都为X86提供服务，你想自己设计一个架构，没有生态也就没有人使用。

现在X86架构在中国市场依然广阔，尤其是在服务器领域具有绝对优势，几乎占据全部服务器销量。其他非X86架构的服务器占比很小，主要都是ARM架构。

除了Intel和AMD双寡头以外，国内还有兆芯、海光和MPRC几家X86芯片商。目前X86架构的国产化替代还不太明显，兆芯2019年市占率仅01%。

04 ARM架构

RISC的架构有ARM、MIPS、Power PC、Alpha、RISC–V等。

如今超过90%的智能手机采用ARM架构，MIPS在嵌入式设备中应用广泛，而且随着性能提升，技术层面的融合，RISC架构也在不断向X86的应用领域渗透。

ARM架构由于具有成本低、功耗低、体积小、性能高等特点，非常适用移动通讯领域，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绝对统治地位。

目前ARM架构是非X86架构中应用最广泛，发展最成熟的架构，市占率达到了432%。

ARM完整产品线包括微控制器、微处理器、圆形处理器、实现软件、单元库、嵌入式内存、高速连接产品、外设以及开发工具。

目前国内外主要ARM厂商有ARM、联发科、高通Qualcomm、苹果、三星电子，飞腾、华为鲲鹏、展讯SPREAD TRUM。

世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。

联发科是世界上最大的ARM手机芯片供应商，苹果、三星、高通等行业巨头均在最近几年使用ARM架构，逐步实现基于ARM的全生态链。

截至2021Q1，联发科和高通是最主要的手机CPU供应商，市场份额分别为35%和29%，同比分别增长11%和-2%。

苹果市占率为17%，三星降至9%，华为海思由于受到美国升级制裁的影响，市场份额快速下滑，降至5%。

服务器方面，非X86目前参与者包括华为、飞腾、高通、亚马逊等。

华为鲲鹏服务器是ARM服务器的重要参与者，据华为称，鲲鹏出货量已占据市场50%，未来有望发挥其在移动市场的优势，借力云端协同，抢占服务器市场更多份额。

在桌面PC市场，ARM正逐渐被更多企业应用，2011年微软开始采用ARM的Windows系统，ARM开始进入X86的传统优势领域，如今苹果MacOS、新版Windows等均采用了ARM架构。

此外，ARM在物联网、 汽车 等领域均有很大发展潜质。ARM在公共事业、智慧城市、资产管理等领域均提供了解决方案。

05 MIPS等架构

MIPS、Alpha、Power等架构已经不是市场主流应用，但在特定领域内仍在被使用。

MIPS架构是一种简洁、优化、具有高度扩展性的RISC架构，能够提供最高的每平方毫米性能和当今SoC设计中最低的能耗，已经在移动和嵌入式工业领域销售了近三十年，目前市占率9%。

MIPS多线程CPU已经广泛应用于不同领域，以及许多移动设备的LTE调制解调器中。

国内外主要MIPS芯片商主要有MIPS公司、Ikanos、龙芯中科、北京君正。不过MIPS公司两度易主后，新公司已经转向RISC-V。

龙芯和申威分别获得MIPS及Alpha永久授权发展自主指令集，我国企业成为了该架构应用产品研发和全球生态构建的单一力量，应用的也都是国家非常注重安全的领域。

Power架构在相关市场的占有率也不过1%左右，但在高性能计算领域一直拥有相当重要的地位，其一些技术特性甚至可与Intel一较高下，然而市场参与者基本只有IBM。

06 RISC-V架构

RISC–V是目前业内最被看好，最有机会弯道超车的新架构，具有完全开源、架构简单、易于移植，适用于各种设备、完整工具链， 运行效率高等特点。

这种架构目前接受度逐渐提高，有望成为继X86和ARM架构之后第三大主流指令集架构。

由于RISC-V基金会为非盈利会员制组织，所以RISC-V本身是免费的，自 RISC-V 基金会于 2015 年成立以来，RISC-V 生态系统经历了爆炸式增长，2020年成员增长率达到133%。

物联网的兴起为上游产业链提供新的成长潜力，由于RISC-V具备开源等特性，与物联网更灵活和多样的要求相吻合。

而且自中美贸易战以来，中国企业存在受制于美国不能升级架构的风险，随着RISC-V逐渐被接受，为我国芯片厂商通过RISC-V架构实现独立自主提供可行性。

Semico Research 预测，到 2025 年，市场将消耗 624 亿个 RISC-V CPU 内核，2018-2025 年复合年增长率为 1462%。其中工业领域将以使用超过167亿个内核遥遥领先。

市场研究公司Tractica也预测，RISC- V的IP和软件工具市场在2018年为5200万美元，到2025年时将增长至 11亿美元。

目前RISC-V发展时间较短，尚未一家独大，相关生态还在发展。

短期内ARM架构依然会占据中高端市场，RISC-V主要在一些碎片化的新兴市场展开应用，如物联网的轻终端场景。

这些场景需要低功耗低成本，但是往往程序不用大改、对软件生态的依赖性不高、出货量又很大，符合RISC-V阶段性的发展目标。

RISC-V允许任何厂商设计、制造和销售RISC-V芯片和软件，因此吸引了大批 科技 公司入场。

GreenWaves、IBM、NXP、西部数据、英伟达、高通、三星、谷歌、华为、晶心 科技 、芯源股份、芯来 科技 、阿里平头哥、中天微、Red Hat 与特斯拉等100 多家 科技 公司加入其阵营。

07 国产CPU自主可控程度

国产CPU经历了将近20年的发展，也产生了一批有实力的企业，如前面提到的中科龙芯、天津飞腾、海光信息、上海申威、上海兆芯等。

这其中申威和龙芯自主可控程度最高。上海申威主要从事Alpha架构的研发，它是目前创新可信度最高的国产CPU厂商，基本实现完全自主可控，主供党政办公、军方和超算领域。

其次是飞腾和华为鲲鹏（海思）为代表的ARM架构国产厂商。ARM架构需要有ARM公司授权，主要有三种授权等级：使用层级授权、内核层级授权和架构/指令集层级授权。

其中指令集层级授权等级最高，企业可以对ARM指令集进行改造以实现自行设计处理器，目前海思、飞腾已经获得ARMV8永久授权。

如果他们基于V8授权发展出自己的指令集，其创新可信程度将显著提升，即使未来拿不到V9V10等新架构授权，依然可以维持先进性。

最后是海光和兆芯为代表的X86厂商，仅获得内核层级的授权，未来扩充指令集形成自主可控指令集难度较大。

移远通信是全球领先的物联网解决方案供应商，我们的使命是将设备和人员与网络和服务连接起来，推动数字创新并帮助构建更智能的世界。我们的产品可助力实现更为便捷、高效、舒适、富裕和安全的生活。

自 2010 年成立以来，移远通信迅速成为全球发展最快的蜂窝模组供应商，现已成为业内最大的蜂窝模组供应商。

大概说说公司产品，以个例说明

移远通信 RM500Q-AE 是一款专为 IoT/eMBB 应用而设计的 5G Sub-6 GHz 模块。采用 3GPP Release 15 技术，同时支持 5G NSA 和 SA 模式。RM500Q-AE 采用 M2 封装，与移远通信 LTE-A Cat 6 模块 EM06、Cat 12 模块EM12-G、EM120R-GL 和 EM121R-GL，以及 Cat 16 模块 EM160R-GL 兼容，方便客户从 LTE-A 迁移到 5G。

RM500Q-AE 模块为工规级模块，仅适用于工业级和商业级应用。

RM500Q-AE 几乎覆盖了全球所有主流运营商。集成多 星座 高精度定位 GNSS（支持 GPS、GLONASS、BeiDou 和Galileo）接收机，在简化产品设计的同时，还大大提升了定位速度和精度。

RM500Q-AE 内置丰富的网络协议，集成多个工业标准接口，并支持多种驱动和软件功能（如 Windows7/8/81/10、Linux、Android 等 *** 作系统下的 USB/PCIe 驱动等），极大地拓展了其在 IoT 和 eMBB 领域的应用范围，如工业级路由器、家庭网关、机顶盒、工业笔记本电脑、消费笔记本电脑、工业级 PDA、加固型工业
平板电脑、视频监控和数字标牌等。

L76 系列模块（L76、L76-L 和 L76B）

主要特点：
尺寸紧凑、使用方便
丰富的功能接口
可用于供电和数据传输的 Micro-USB 接口
模块工作状态指示灯
可提供适用的外部电池

该评估套件包含：
介绍 EVB 连接方式、EVB 配件的单页说明书
Micro-USB 数据线
GNSS 有源天线（33V）
包含 USB 驱动和相关文档的光盘

BG600L-M3 是一款支持 3GPP Release 14 协议规范的多模（LTE Cat M1、LTE Cat NB2 和 EGPRS）LPWA 模块。在 LTE Cat M1 网路下，模块可支持最大上行速率 1119 kbps 和最大下行速率 588 kbps。采用内置 MCP 以及支持 ThreadX 系统的 ARM Cortex A7 处理器，该模块功耗超低；与同类 LPWA 模块相比，其 PSM 功耗降低 70%、eDRX 模式下功耗降低 85%。

BG600L-M3 拥有一整套基于硬件设计而实现的安全功能，可让受信任的应用程序直接在 Cortex A7 TrustZone 引擎上运行。其封装尺寸为 187 mm 160 mm 21 mm，同时还具有低功耗、高集成度、高机械强度等特点，能最大限度地方便客户进行产品开发。模块采用 LGA 封装，特别适用于当代大规模生产的自动化贴片需求，易于 SMT 焊接和售后维护。

丰富的互联网协议、工业级标准接口以及丰富的功能，将模块的适用范围扩展到更广泛的 M2M 应用上，如无线POS、智能计量、追踪、可穿戴设备等。

AG550Q是移远通信开发的一系列车规级5G NR Sub-6GHz模块，支持5G NR独立组网（SA）和非独立组网（NSA）模式。采用3GPP Rel 15技术，该模块在5G NR网络下最高可支持212Gbps下行速率和 900Mbps上行速率，在LTE-A网络下最高可支持202Gbps下行速率和75Mbps上行速率。通过其C-V2X PC5直接通信功能（可选），AG550Q可广泛应用于车联网领域，为实现智能 汽车 、自动驾驶和智能交通系统的建立提供可靠解决方案。同时，该模块支持双卡双通（可选）和丰富的功能接口，为客户开发应用提供了极大的便利。其卓越的ESD和EMI防护性能，确保其在恶劣环境下的强大鲁棒性。

为满足不同的市场需求，AG550Q共包含多个系列型号：AG550Q-CN、AG550Q-EU、AG550Q-NA和AG550Q-ROW。同时，该模块向后兼容现有的GSM、UMTS和LTE网络，因此在目前没有部署5G NR网络的地区以及没有3G/4G网络覆盖的偏远地区均可实现连接。

AG550Q支持多输入多输出（MIMO）技术，在同一频段的发射端和接收端分别使用多个天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而大大降低误码率、改善通信质量。该模块支持高通 IZat 定位技术Gen9VT Lite（GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo和QZSS），结合其可选的QDR 30和多频GNSS接收机（L1/L2/L5），在简化产品设计的同时，还可提供更快、更精准、更可靠的定位服务。

该系列模块可为 汽车 原厂和一级 汽车 部件供应商提供安全可靠的互联 汽车 解决方案，也可以为 汽车 制造商提供智能灵活的自动驾驶 汽车 制造解决方案，可广泛应用于远程信息处理器（T-Box）、远程信息控制单元（TCU）、高级驾驶员辅助系统（ADAS）、C-V2X（V2V、V2I、V2P）系统、车载单元（OBU）、路边单元（RSU）和其他智能网联和 汽车 制造领域。

AF50T 是移远通信新推出的车规级、高性能、低成本的Wi-Fi 6 & BT 51 模块；支持2 2 MU-MIMO，最高数据传输速率可达17745Mbps。其超紧凑的封装尺寸195 mm 215 mm 23 mm，能最大限度地满足终端产品对小尺寸模块产品的需求，并帮助客户有效减小产品尺寸、优化产品成本。该模块用于与移远通信车规级LTE-A/5G 模块AG520R/AG550Q 搭配使用以建立可靠的LTE-A/5G+Wi-Fi/BT 应用方案。

采用SMT 贴片技术，AF50T 可靠性高、能满足复杂环境的应用需求。紧凑的LGA 封装使其尤其适用于尺寸受限、并要求可靠网络连接的场合。该封装类型适合大规模、自动化生产，能有效帮助降低生产成本、提高生产效率。

基于可靠的PCIe 20 接口，模块可实现高速率、低功耗的WLAN 无线传输。结合其紧凑尺寸、较低功耗、超宽温度范围以及高可靠性，AF50T 可满足车载领域各类应用需求。

QuecHub —端通过物联网协议网关桥接设备运行，另一端通过客户应用运行。通过单步加载即可立即使用可部署云的模组创造性地完成统一的云访问程序。该接口还提供支持轻松编码的 RESTful API 网关，从而实现设备与各种 Web 和移动应用的快速集成。

全球物联网设备连接 数增长势头强劲，IoT Analytics 预计 2025 年全球物联网设备（包括蜂 窝及非蜂窝）联网数量超 300 亿。据 GSMA 数据，中国 2020 年物联 网行业市场规模约 17 万亿，预计2025 年市场规模达到 28 万亿，CAGR 达 11%，中国引领全球物联网行业发展。模组承接物联网产业链上下 游两端，直接受益上下游高景气度。

国内物联网芯片厂商加快国产替 代进程，将显著降低模组厂商成本，带动中游模组需求增长。基于模 组自身的普适性及可定制性，模组行业充分受益于下游垂直应用的多 元需求，市场空间广阔；鸿蒙的推出将为下游应用场景带来增量；中 国移动开启 5G 通用模组集采，推动模组价格下行，促进 5G 行业应用 拓展，进一步带动 5G 模组需求爆发。

车载模组是 汽车 接入车联网的重要底层硬件，可应用于 汽车 主机、T-BOX、OBD、OTA 等车载的不同领域。伴随通信技术迭代和智能 汽车 的发展，车载模组 需求迎来爆发。佐思汽研预计 2025 年全球 汽车 无线通信模组装载量将 到达 2 亿片，2020-2025 年 CAGR 达 15%，其中中国 汽车 无线通信模组 装载量将达到 9000 万片，2020-2025 年 CAGR 达 19%；5G 模组渗透率 提升，佐思汽研预计 2025 年中国车载 5G 无线通信模组的装配率达到 35%左右。

由于车规级产品对实施传导、安全性、稳定性等各方面性 能要求相比消费级、工业级产品更为严苛，同时 5G 车规级模组集成 度进一步提升，车载模组尤其是 5G 车载模组单产品价值量更高。未 来智能网联 汽车 将逐渐普及，车载模组渗透率持续提升，行业有望迎 来量价齐升的发展机遇。

公司具备完整的车载模组产品线，覆盖 5G、 LTE、C-V2X、Wi-Fi6 和高精度 GNSS 定位等前沿技术，基于全球领 先的车规级平台研发了丰富的产品，契合 汽车 厂商对智能 汽车 升级换 代的技术连续性需求。公司与高通等领先的芯片厂商合作，推出的产品与上游芯片面世时间相差较短，可保证客户最新车型在技术上处于 领先优势；

公司量产经验丰富，已为全球超过 60 家主流 Tier 1 供应商 和 30 多家知名整车厂提供车载前装和后装智能连接设计，主要应用于 T-BOX、车载导航系统等场景中，在全球已交付量产项目近 50 个。公 司国内 4G 通信模组市场份额排名第一，伴随着智能 汽车 景气度的高 增，车载模组市场将为公司打开长期增长空间。

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