半导体系列（三）：芯片设计篇之CPU研究，国产CPU到底行不行

CPU又称中央处理器，作为计算机系统的运算和控制核心，是半导体产业技术最密集、最具战略价值的产品，是一个国家技术势力的象征。

目前CPU的市场基本被美国的两大公司垄断，分别是大哥Intel和小弟AMD，两家几乎占领了99%的市场份额。

目前Intel和AMD以X86指令集和微软共同建立了庞大的生态系统并且不对外开放，这样一来，中国队想要自己做CPU的空间不多了。

01 CPU定义

CPU在半导体行业中是人们常接触到的一种芯片，最常见的应用就是在电脑中，其中有名的有Intel的 i9-11980HK 和AMD的 R7-5800X 。

按照CPU种类来分类，可以分为服务器CPU、家用电脑CPU、嵌入式设备CPU和手机CPU，服务器CPU需要更出色的性能、稳定性和安全性，要求服务器365天开机运行，连续工作，一个服务器可以安装多个CPU；而家用电脑CPU性能要求相对较低，容量较小，不要求连续工作，一个电脑只能安装一个CPU；嵌入式设备和手机对CPU的性能要求相对更低。

按照CPU指令集架构来分类，CPU可以分为RISC和CISC。

CISC 即复杂指令系统计算机，物如其名，CISC是比较复杂的，指令系统比较丰富，有特定的指令来完成对应的功能，可以处理特殊任务。

RISC及精简指令集计算机，把精力集中在经常使用的指令上，对不常用的功能，通过组合指令来完成，实现简单高效的特点，一次RISC不能处理特殊任务。通俗来说就是经常用的功能简单化，不经常用的功能复杂化。

这其中CISC代表的指令集有X86，RISC代表的指令集有ARM、MIPS、RISC-V、Alpha、SPARS，除了这两种之外，还有我国自主研发的指令集DEC和LoongArch。

02 六大国产CPU

首先我们来了解一下什么是CPU的生态环境， CPU的生态环境就是一块CPU推出后，系统和软件对它的支持和优化有多少， 比如国产CPU龙芯就没有一个好的生态，不论是采用MIPS还是自主研发的LoongArch都不能支持Windows系统。

自主建立生态环境又难于上青天，而生态如果没有建立，软件商店就不会有软件（比如QQ在Linux中停更），这也是国产CPU发展最大的瓶颈之一。

目前国内有六大CPU设计厂商，他们是华为、飞腾、兆芯、申威、龙芯、海光（均未上市），他们分别以不同的方式参与CPU的设计。

CPU国产替代的故事得从Intel开始。

Intel趁着PC的东风迅速发展，建立了X86架构，标识了一套通用计算机指令集合，并且与微软一起在X86指令集上建立了庞大的生态。

目前的X86指令集不对外授权，只被英特尔和AMD所掌握，而X86又是PC、服务器领域做得最好的，别的指令集的生态环境远远抵不过X86，留给中国队的发展空间实属有限。

中国队CPU分为3个路线。

其一是由 龙芯 和 申威 代表的：自研指令集

龙芯最初采用的是MIPS精简指令集，制作通用CPU，主要产品是自主可控消费类例如服务器、台式机、嵌入式、航天器等领域。

申威最初采用的是Alpha精简指令集，主要应用在超级计算机和军事领域。

龙芯和申威都因为生态的原因，很难发展起来，尤其是龙芯，想要打入服务器和台式机市场必须有很好的生态。

龙芯因为MIPS的分崩离析，开始发展自己的指令集—— LoongArch ，它是完全有龙芯自主研发，可以兼容MIPS生态， 并且开始尝试用二进制翻译兼容ARM、X86处理器，龙芯的目标是在2025年消除指令集之间的壁垒，彻底搞定兼容问题。

申威也因为Alpha被收购，开始发展自主研发的指令集—— SW64 ，它是由Alpha改进而来，申威制作的神威·太湖之光超级计算机便采用SW64指令集，被称为“国之重器”，在国际上都有一定的地位，多项指标全球第一。

第二路线是由 华为 和 飞腾 代表的：ARM指令集授权

华为芯片“四大天王”麒麟、鲲鹏、巴龙、升腾中，除了巴龙以外，均采用ARM指令集授权来开发。这其中最著名的就是“麒麟”了，在手机领域一度领先，直至海外因畏惧华为的崛起，开始了制裁华为事件，就此“麒麟”短暂隐身。

飞腾也是国内目前使用ARM架构制作CPU的厂商之一，其技术不弱于高通，目前公司也被美国列入黑名单，其芯片制造环节同样被卡脖子，可能成为第二个华为。

除了华为和飞腾以外，国内以ARM架构制作芯片的厂商还有很多，例如贵州华芯通、展讯通信等。

第三路线是由 兆芯 和 海光 代表的：合资获取X86授权

兆芯的X86架构授权是源自于VIA公司将部分X86处理器相关技术、资料等IP产权以1.18亿美元价格卖给兆芯。兆芯基于X86的生态和技术，性能方面普遍高于龙芯，但还是不能和英特尔比肩。

海光的X86架构授权是通过和AMD合资公司来拥有AMD授权IP，但并不是完整的技术转让，而是阉割后的残缺版，所以性能上面和AMD锐龙、高通骁龙差一个档次。

03 RISC-V

RISC-V近些年流行的新型指令集，它是一种开源式指令集，对使用者免费开放，也是这种特性使它被众多专家认为是中国处理器产业的一次机会，而且可能是最后一次机会。

目前全球CPU的市场格局是以X86架构垄断PC、服务器行业；ARM架构垄断移动设备行业，这两家几乎涵盖了所有CPU市场需求。

X86架构归“Wintel”（英特尔+微软）所属，是一种封闭指令集，不对外授权， 简单说就是谁也别想用，就我自己能用 ；ARM架构属于可授权指令集+可授权设计， 简单说就是你用需要经过我同意并且收费，你想再它基础上设计还得再经过我同意并且再收费。

正因为如此，RISC-V作为开放式指令集，被中国队大力支持，看作救命稻草。

那RISC-V究竟有没有那么好呢？我们主要得看两方面： 一个是它的生态好不好，生态是决定指令集发展空间的最大因素；另一个就是它到底是不是彻头彻尾的免费，日后会不会再被卡脖子。

第一，RISC-V的生态怎么样。

RISC-V具有性能高、功率低、面积小、易于扩展等技术特点，最重要的是它的开源、免费的独特属性，为其带来众多合作商，影响力逐步扩大。

从2015年组织RISC-V基金会成立是的25个成员，到现在已经有超过300多个单位的加入，其中包括阿里、谷歌、华为、英伟达、高通、中科院、麻省理工等等。

日前，有知情人士表明，英特尔将以20亿美元收购RISC-V领域的重量级公司SiFive，这也表明了英特尔的态度。

虽然英特尔靠X86架构在PC、服务器领域无人能敌，但是移动设备一直是他的心病，ARM在移动设备领域是他无法抗衡的，而RISC-V的出现，给了机会。

但是看好归看好，ARM的垄断地位依旧很难撼动，RISC-V后续可能与X86联手对抗ARM，但更大的可能是打入嵌入式设备市场中，做物联网领域的“一哥”。

总体来说，不论是PC、服务器，还是移动设备，都很难被RISC-V介入，相反一些嵌入式设备比如空调、冰箱、扫地机器人、电动车等等发展环境更好。

第二，RISC-V是否永远免费。

RISC-V源于2010年，加州大学伯克利分校的一个研究团队研发，当时他们因为市场已存在的指令集相当复杂，且成本和门槛太高，所以建立了新的指令集。

“开源架构RISC-V将永久免费，成为人类共有财产。相较于X86和ARM架构的高门槛，开源架构RISC-V将带来芯片设计的革命”——RISC-V架构开发者之一Krste Asanovic博士。

这是RISC-V架构开发者的原话，表明该指令集是完全开源免费的，到目前为止他们也很好的履行了，甚至把基金会总部搬离美国，迁移至瑞士（永久中立国）以防止美国地方政策的限制。

尽管RISC-V从表现来看做得很优秀，但抽丝剥茧，终究还是有隐患在的。

实现RISC-V指令级架构的处理器内核有很多个不同的微架构实现，而微架构实际的模式是分不同类型的，其中有开放的、需授权的以及封闭的。

虽然基于RISC-V开发CPU不需要支付授权费用，但如果直接用RISC-V内核设计，也是需要支付授权费的。通俗来说就是你用我不需要收费，但是想在它的基础上设计得经过我同意，甚至收费（我们目前是全免费，但我有权利在以后收些钱）。

总结来说，目前全球的指令集呈现以X86、ARM、RISC-V三足鼎立的局势，RISC-V作为新时代的弄潮儿得到了各大厂商的认可，有发展的空间，但它不足以撼动其他两个指令集的地位，不过可以预料到的是，等RISC-V成长起来，仍然有可能对我国CPU发展卡脖子，我们需要保持隐患意识，在跟随洋人步伐的同时，发展自身CPU业务。

纵观国内厂商在电脑CPU领域，龙芯以自研为主，开发属于中国的指令集，目前已经可以满足一些党政领域以及机密工作的需求，但打入家用电脑领域仍需要提升CPU的生态和性能；服务器CPU中，申威在超算上小有成绩；华为近期也有消息称完成40nm去美化工作线投产，在明年更将攻破20nm的工作线，麒麟可能会重新归来；一些未上市公司如芯来 科技 、平头哥等也有在尝试RISC-V领域。

种种迹象都在证明，虽然我们起步慢了30年之久，但国产CPU一直在突破，路途艰辛却一路披荆斩，长夜漫漫，但黎明终将到来。

全文由各种资料查证，如有专业领域上的错误，希望可以抛砖引玉，有所探讨。

芯片全产业链图（绿底已经写完）

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随着科学的不断发展，生活当中各种各样的电子产品层出不穷，但是这些电子产品都要使用各种各样的材料进行组合，其中最关键的就是各种电子产品当中的C P U。这可以说是一个中心处理器，可以帮助电子产品进行快速的计算和分析，使我们更加便捷的使用这些电子产品，比如说，日常所使用的手机和电脑在生活当中，就可以分析日常的习惯并且记录，并且保证每次使用的时候可以更加方便，所以说C P U的发展前景还是非常不错，未来的发展强劲。根据数据进行了统计来看的话，近几年的发展速度基本呈指数升涨，C P U市场前景和发展趋势还是非常广阔，我们国家政府对国产CPU领域政策支持不断的提高，对该领域的支持力度也在逐步加大，政策日趋完善，为的就是能够支持企业通过兼并重组和国际合作的方式，把CPU做得更强更大，提高国产化能力，加强应用扶持，推动国产化采购工作，将国产C P U芯片制作更完善能够加强人才的培养，而且我们国家仍然是最大的C P U消费市场需求量非常大。比如说计算机用户基数就十分庞大，和其他的电子政务以及交通，金融，水利通信等，这些方面的信息基础设施领域都需要我们国家C P用应用来进行保证。所以说C P U对未来行业应用具有很好的示范和引领作用C P U作为智能化的核心部件，在未来一定会广泛应用于各种系统当中，所以说C P U未来的发展前景非常的广泛，无论是我们国内还是国际都可以保证C P U的快速发展，因为我们国内市场对于CPU的使用基本上都是通过进口来维持。所以说，未来国内C P U的潜力巨大。

集成电路市场。（1）产业链

集成电路产业链相应划分为上游产业支撑环节、中游设计制造环节、下游应用环节，具体如下：

其中，中游设计制造环节主要分为集成电路设计、集成电路制造和封装测试等三个主要部分，每个部分配套不同的制造设备与生产原材料等辅助环节。龙芯中科属于集成电路设计行业，主要从事处理器及配套芯片的设计工作。

（2）商业模式

集成电路行业经过多年发展，在产业分工不断细化的背景下，行业的商业模式逐渐从原有的单一 IDM 模式转变为 IDM 模式与 Fabless 模式并存的局面。龙芯中科采用 Fabless 模式，该模式可有效降低大规模固定资产投资所带来的财务风险，同时，该模式下集成电路设计企业能够根据市场行情及时调整生产采购计划，进一步提升生产运营的灵活性。

（3）行业发展现状

集成电路设计行业位于集成电路产业链上游，属于技术密集型产业，对技术研发实力要求极高，具有技术门槛高、产品附加值高、细分门类众多等特点，集成电路设计能力是一个国家在集成电路领域能力、地位的集中体现。

按地域来看，目前全球集成电路设计仍以美国为主导，中国大陆是重要参与者之一。根据 CICPC 和芯途研究院的数据统计，2019 年全球集成电路设计领域，美国公司依然处于主导地位，全球市场占有率达到 55%，其次韩国公司为 21%，欧洲公司为 7%，中国台湾地区公司为 6%，日本公司为 6%，中国大陆地区公司仅为 5%。2020 年全球前十大集成电路设计公司营收排名中有 6 家美国公司， 前三名分别是高通、博通以及英伟达，均为美国企业。中国台湾地区的联发科技、联咏科技和瑞昱半导体分别排名第四、第八和第九位。欧洲戴乐格半导体排在第十位。

我国集成电路设计企业的数量自 2012 年以来逐年增加，并逐步进入到全球市场的主流竞争格局中，截至 2020 年底，我国集成电路设计企业达到 2,218 家， 出现良好的发展势头。

   虽然我国集成电路设计业发展迅速，但仍然存在两方面问题。一是我国在核心通用芯片设计领域，如 CPU、存储器及高性能模拟芯片基础较为薄弱，国内对于国外公司在核心芯片领域的依赖程度较高。二是行业整体实力不强，行业集中度较低。

数据来源：中国半导体行业协会

2、CPU 行业

（1）行业概述

CPU 是计算机的运算和控制核心，是对计算机的所有硬件资源（如存储器、输入输出单元）进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元；同时，计算机系统中所有软件层的 *** 作，最终都将通过指令系统映射为 CPU 的 *** 作。从硬件层面，CPU 中的硬件系统主要是为了实现每一条指令的功能，解决指令之间的连接关系，因此指令系统是计算机硬件的语言系统，其决定了计算机的基本功能。而指令系统需要通过处理器核进行实现，最终形成芯片产品。

从软件层面，软件是由按一定规则组织起来的许多条指令组成，完成一定的数据运算或者事务处理功能。而 *** 作系统是管理电脑硬件与软件资源的程序，能够在硬件管理中处于支配地位；应用软件是利用计算机解决某类问题而设计的程序的集合，需要依赖于 *** 作系统的支持才能运行；只有具备 *** 作系统等关键基础软件的开发能力，才能为搭建全新的基于该指令系统的应用软件生态提供支撑。

综上，CPU 生态包含软硬件两个方面，从指令系统出发，硬件上通过 IP 核形成芯片，并最终用于板卡、整机厂商等不同领域的应用终端；软件上形成包括 *** 作系统、编译器、Java、.NET 等基础软件，最终实现应用于政企、教育、能源、交通等不同领域的应用软件。CPU 生态体系是硬件和软件的结合，是产业上下游交互的产物， 因此生态壁垒一旦建立便是长期稳定牢固的。

指令系统属于计算机中硬件与软件的接口，指令系统的设计十分重要，是构建 CPU 生态的重中之重。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 *** 作系统的 Wintel 体系；二是基于 ARM 指令系统和Android *** 作系统的 AA 体系。Intel 于上世纪 80 年代自研 X86 指令系统架构， 凭借先发优势迅速扩大市场份额并构建生态优势，并通过与 Windows 联盟形成“Wintel”联盟逐步占领桌面 CPU 市场；ARM 则在苹果、高通、三星、华为、英伟达等方面的努力下，凭借其指令系统开源、异构运算、可定制化等一系列优势，立足于低功耗的移动市场。Wintel 体系与 AA 体系正是凭借对 *** 作系统和CPU 芯片的垄断，设定了一系列技术规范与标准，构建了庞大的软件生态体系， 从而主导着主流 CPU 市场。

围绕 CPU 芯片和 *** 作系统两个基点，CPU 行业内存在 Wintel 体系和 AA 体系的两种模式：（1）在 Wintel 体系中，CPU 厂商生产芯片， *** 作系统厂商提供 *** 作系统；（2）在 AA 体系中，CPU 厂商对芯片或系统厂商进行指令系统或CPU IP 核授权， *** 作系统厂商提供基础版 *** 作系统，由整机厂商定制专用芯片和发行版 *** 作系统。龙芯中科充分吸收上述两类模式的优点，以 CPU 销售为主业，并开发与龙芯 CPU 相配套的面向信息化应用的基础版 *** 作系统 Loongnix 以及面向工控应用的基础版 *** 作系统 LoongOS，支持 *** 作系统厂商及整机厂商研制发行版 *** 作系统。

CPU 是信息产业中最基础的核心部件，设计技术门槛高、研发周期长，且具有极高的生态壁垒。Wintel 体系起步较早，目前在桌面和服务器市场中占主导地位；AA 生态体系则主要应用于移动平台，在移动芯片市场占主导地位。目前， 国内 CPU 产品大多数是基于 X86 和 ARM 指令系统。近些年，随着国内处理器设计和基础软件研发水平提升，独立于 Wintel 和 AA 的其他生态体系开始出现， 如龙芯中科推出的基于 LoongArch 指令系统的生态体系。支持 LoongArch 的CPU 市场占有率目前尚低，但随着相关CPU 产品性能的提升和生态的不断完善， 其竞争力正不断增强。

国产 CPU 企业目前主要有 6 家，分别是龙芯中科、电科申泰、华为海思、飞腾信息、海光信息、上海兆芯。按采用的指令系统类型可大致分为三类：第一类，是龙芯中科和电科申泰，早期曾分别采用 MIPS 兼容的指令系统和类 Alpha指令系统，现已分别自主研发指令系统；第二类，是华为海思和飞腾信息，采用ARM 指令系统；第三类，是海光信息和上海兆芯，采用 X86 指令系统。

（2）市场情况

1）全球市场情况

CPU 的重要应用领域包括桌面和服务器，每台桌面通常只有一颗 CPU，而每台服务器的 CPU 数量不定。桌面领域，2015 年至 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 年全球桌面出货量较前 5 年有较大增长。服务器领域，根据IDC 数据，2020 年全球服务器出货量达1,220 万台，同比增长3.92%。

2）国产 CPU 市场情况

国内桌面领域，近年来出货量同样呈现缓慢下降的趋势，但是整体出货量依然保持在 0.5 亿台/年左右。国内服务器领域，根据 IDC 数据，2020 年中国服务器出货量为 350 万台，同比增长 9.80%。近两年采用国产 CPU 的桌面和服务器产品发展迅速，但市场份额仍不足 5%，增长空间巨大。

（3）行业壁垒

集成电路行业属于技术与资本密集型相结合的行业，而 CPU 作为集成电路行业的明珠具有更高的进入壁垒。具体如下：

1）技术壁垒

CPU 作为计算机的运算与控制核心，对通用计算处理能力等性能指标有较高的要求，属于集成电路设计中的最高端产品。掌握 CPU 核心设计能力需要长期积累，需要一批从业经验丰富的高素质工程人员长期持续的研发投入和持续迭代演进，即使引进国外 CPU IP 核，如果没有足够的工程实践和时间积累也很难做到引进消化吸收，技术储备需要较长周期。

2）生态壁垒

CPU 产品需要研发配套的基础软件，包括如 BIOS、编译系统、 *** 作系统、虚拟机等的配套软件支持。这些基础软件需要高端人才以及长期的技术积累才能形成高水平成果。不同 CPU 指令系统的 *** 作系统、应用软件之间形成了独立的生态体系，不同生态体系承载的软件生态的应用数量、类型和丰富程度迥异，从而构成软件生态壁垒。

3）资金和规模壁垒

集成电路企业的产品必须达到一定的资金规模与业务规模，才能通过规模效应获得生存和发展的空间。由于 CPU 产品设计研发周期长及成功的不确定性大， 而电子产品市场变化又十分迅速，经常会出现产品设计尚未完成而企业已面临倒闭，或产品设计完成而已不满足目标市场的要求等局面。因此，资金和规模是行业的重要壁垒。

4）人才壁垒

CPU 及其配套基础软件需要高端人才以及长期的研发投入才能形成高水平成果。而行业内具有丰富经验的高端技术人才相对稀缺，且较多集中在少数领先厂商，因此，人才聚集和储备成为新兴企业的重要壁垒。

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