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。

软硬件生态发展太快了，国内很多软件厂商在针对ARM架构做开发和优化，生态上可以说的是巨大优势。
能耗比均衡，TDP 20多W的8核桌面CPU，100到150W的64核服务器CPU，在16、14纳米制程下比intel的低太多了。
其实个人认为飞腾在产品上最大的优势，就是他是国内中立的CPU企业，可以针对国内厂家需求和使用环境，针对性的定制、改进CPU设计和功能。比如飞腾的PSPA安全架构标准，就是为国 家等保20和可信计算30定制的。还有就是下一代腾云S5000，收集了很多国内云计算和整机厂商的意见进行了改进。这一块华为都是比不了的。龙芯更不可能，天天想着自己当老大呢。

Intel公司、AMD公司。
Intel公司中Intel是生产CPU的老大哥，它占有80%多的市场份额，Intel生产的CPU就成了事实上的x86CPU技术规范和标准。最新的酷睿2成为CPU的首选。AMD公司目前使用的CPU有好几家公司的产品，除了Intel公司外，最有力的挑战的就是AMD公司，最新的Athlon64x2和闪龙具有很好性价比，尤其采用了3DNOW 技术，使其在3D上有很好的表现。
国产CPU市场概况CPU处理器主要面向的市场有PC、服务器、嵌入式、智能手机、安防监控、汽车电子、视频和多媒体处理。

芯片的架构就好比建房子的框架结构，框架是设计房子的关键，造芯片也是类似的道理，设计前就要先选择好架构。目前除了ARM架构，还有X86、RISC-V和MIPS。
四大架构的基本介绍与特点
1、X86主要使用在PC端的CPU，1978年发明，目前是英特尔公司运营，主要应用在Inter、AMD的CPU，它的特点是性能高、速度快、兼容性好。

2、ARM架构是32位指令集，由英国Acorn公司1983年发明，它的特点是成本低、功耗低，被苹果、三星、华为、高通等客户广泛应用在移动通讯和嵌入式系统中。

3、RISC-V架构是开源的指令集，起步比较晚，由RISC-V基金会在2014年发明。它的特点是模块化、简化、可扩展，可以根据场景设计合适的指令集，使用者有三星、英伟达、西部数据等，用在工控，电器，服务器，传感器等产品的CPU。

4、MIPS架构是精简指令集，1971年MIPS公司发明，特点是简洁、优化方便、高扩展性，主要代表的产品是龙芯。
ARM架构在芯片市场占95%的份额，已经形成了完整的生态链
ARM公司在移动芯片市场有95%的份额，通过授权赚取专利费，去年的营收达到16亿美元。采用ARM架构必须授权才可以，目前全球设计的芯片都是按ARM公司的方案，开发的软件也是按照这个方案来设计，所以各种各样的手机都不会有兼容性的问题，经过好多年的积累，已经形成了一套完整的架构体系。
除了ARM架构，还在开发的RISC-V架构有望可以发起挑战，但有很大的难度
除了ARM架构，目前还在开发的RISC-V架构有望展开竞争。因为ARM授权费不断上涨，印度政府大力协助开发RISC-V，我国也在上海将其列入研究的对象，中科院在内的160多家企业加入到科研中。这个开源的指令集受到大家的关注，令ARM公司感到了很大压力。ARM是封闭的指令集，不能随意进行更改，架构不够灵活，而开源的RISC-V设计者可以根据不同的需求自由定制，更改指令集。RISC-V架构是后起之秀，目前还在开发阶段没有正式投入使用，无法建立完善的生态圈，缺乏大型公司的支持，要想与ARM竞争，还有很长的路要走。
目前，常用的处理器架构有ARM、x86、MIPS、RISC-V等，按照指令集分为CISC和RISC两种。不同的架构应用场合不同，下文具体说一说。
1、x86架构
我们使用的电脑以及公司的服务器，大部分采用了x86架构的处理器，以intel和AMD的处理器为主。

x86架构的处理器采用了CISC指令集 （复杂指令集计算机），x86架构的CPU分为x86和x86-64两类，目前主流的是x86-64，即64位的处理器。
2、ARM架构
我们的手机几乎全部使用了ARM架构，采用了RISC指令集（精简指令集） ，ARM的优势在于低功耗，因此非常适合手机等终端使用，x86架构的处理器无法解决低功耗的问题，所以移动终端很少使用x86架构的处理器。
华为麒麟处理器、苹果的A系列处理器、高通骁龙处理器无一例外的采用了ARM架构，此外大部分的工控系统、智能家居的控制系统、家庭的机顶盒等也采用了ARM架构。
随着美国“禁售令”的影响，ARM中断了与华为的业务往来，ARM这家公司走进了人们的视野，ARM公司成立于1991年，是一家英国的公司，后来被日本软银收购。ARM公司只出售IP（技术知识产权），不设计和制造自己的芯片，位于ARM架构的最顶端。 如果ARM不再给华为授权，那么华为的麒麟处理器、凌霄处理器等均会受到一定的影响，无法使用最新的架构。
3、MIPS架构
MIPS架构同样是一种RISC（精简指令集）的处理器架构，1981年由MIPS 科技 公司开发并授权，广泛用于电子产品、网络设备、个人 娱乐 设备等。比如家庭使用的无线路由器如果是MTK芯片，那么大部分是MIPS架构的处理器。
这里说一下我国自主的“龙芯”处理器，中科院计算所购买了MIPS的永久性结构授权，兼容MIPS架构的处理器，也就是可以贴上“兼容MIPS指令集”的商标，所有核心的架构都是自己研发的。
4、RISC-V架构
RISC-V架构是基于精简指令集（RISC）的开源架构，可以自由地用于任何目的，允许任何容人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件，并不需要ARM、MIPS那样需要经过授权，受到各种使用的限制。
相比x86、arm架构，RISC-V比较“年轻”，RISC-V诞生于2010年，由加州大学伯克莱分校发布。
RISC-V架构可以说是解决国产民用处理器困局的终极方案。从长远利益来看，基于各种x86、arm等架构的处理器属于“假自主”，仍然受到intel、arm等授权的限制，比如最近由于“禁售令”影响，arm中断与华为的业务往来，停止相关授权服务，长远来看，对华为的麒麟处理器可能会造成比较大的影响。
目前，国内很多厂商参与了RISC-V生态系统，建立了RISC-V产业联盟，包括了原微电子、紫光展锐、安徽华米等，去年小米发布了基于RISC-V指令集的可穿戴芯片黄山1号。RISC-V是ARM架构最大的威胁，前景虽好，但是毕竟还在起步阶段，随着技术的迭代，相信一定会推动RISC-V建立强大的生态系统。
以上就是目前常见的CPU架构，x86是PC和服务器的主流，ARM是移动设备的主流，RISC-V可能是未来的主流。

每一种构架都有在自己的行业里有很大的优势，ARM主要就是在移动终端，最大的就是手机行业。

现在世界上芯片构架技术比较好的有四种，也是主流的构架技术，分别是X86、ARM、RiSC-V和MIPS，而手机行业主要的就是ARM公司。
ARM
ARM架构是一个32位精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。它主要从事低费用、低功耗、高性能芯片研发，所以ARM处理器非常适用于移动通讯领域，所以全世界99%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例，使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM主要是面向移动、低功耗领域，因此在设计上更偏重节能、能效方面。

在智能手机、智能电视、可穿戴设备、移动基站、企业服务器、医疗器械、智能驾驶以及物联网等其他 科技 领域基本上都适用ARM架构。从 *** 作系统到上层应用软件都是基于arm架构开发的，所以它在移动设备上基本上形成了一个完整的产业链。现在很多的CPU都是基于ARM Cortex A5、A8、A9，A15微架构的。

在手机芯片设计领域，就拿华为来说。华为设计芯片通常先从ARM取得芯片设计构架然后再进行设计，设计完成之后再最终交给台积电进行代工，这才是一个完整芯品的设计流程。就像建造一栋房子，先有基本的构架，然后才有设计师的设计，制造。而且不止华为，例如苹果，三星，英特尔都是基于ARM构架的。
X85
X86主要面对的是计算机行业的。它是微处理器执行的计算机语言指令集，指一个intel通用计算机系列的标准编号缩写，也标识一套通用的计算机指令集合。1978年6月8日，x86架构诞生。它的CPU基本上是1G以上、双核、四核大行其道，通常使用45nm甚至更高级制程的工艺进行生产。X86结构的电脑采用“桥”的方式与扩展设备进行连接，所以可以使电脑更容易进行性能拓展。

它在近三十年基本上垄断了个人电脑的 *** 作系统行业，同时也拥有着大量的用户。它有着成熟用户应用、软件配套、软件开发工具的配套及兼容等工作，还有许多第三方软件和软件编程工具来帮助用户去使用。

RISC-V

RiSC-V架构是基于精简指令集计算原理建立的开放指令集架构，它在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。这种指令集不会垄断或者盈利，它架构简单，完全开源，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。它可以根据需要，来设计基于它的一些处理器，例如服务器CPU，家用电器cpu，工控cpu和总在传感器中的CPU。

MIPS
MIPS架构是一种采取精简指令集的处理器架构，1981年被开发出来。可以说它是RISC的一个小的分支，但是又不同于RISC。毕竟RISC是开源的，MIPS是在它的基础上发展的比较好，比较成功的。

基于MIPS的MCU的应用涉及了很多的行业之中，在工业、办公自动化、 汽车 、消费电子系统和先进技术中都有很大的应用。
在2007年8月16日，MIPS 科技 宣布，中科院计算机研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集授权。
如果有什么自己的想法和意见，请在下方评论中指出，谢谢观看。

真心说CPU架构及微指令集不是十分的难，但是难的是要搞出对应的开发工具性软件否则没用，国内没有公司开发过这类工具性软件，说大家不爱听的话，如果国外全面封锁工具性软件，不要说集成电路产业，就算是机械加工，都没法过日子了，所有的图纸设计软件都是用的国外的，国内没有一家公司在搞，全是拿别人的。

提问的还忘了alpha（已经作古多年的DEC留下的顶尖处理器遗产，当年远远优于x86），中国申威处理器。

16核用于桌面和服务器，260众核（（64+1）4）用于超算，该架构不仅数值计算能力强大（太湖之光），还有着无与伦比的单位算力的低功耗。

IBM的PP和MIPS都具有嵌入式应用的强大优势，而手机AP就是典型的嵌入式应用。

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