2022年CPU行业发展现状分析.docx

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1、2022年CPU行业发展现状分析1 .国产CPU孰能率先崛起国产CPU的“后发劣势”明显,在“十五”期间启动发展国 产CPU的泰山计划,2006年正式启动的“核高基专项”让国 产CPU快速发展。在国家支持下,孵化出鳏鹏、飞腾、龙芯、 兆芯、海光、申威等批优质国产CPU公司。我们选取其中 较为成熟的海光CPU为例,介绍CPU设计过程中的核心和关 键,结合之前的回顾,以及对现有国产CPU的理解,回答以 下三个问题:国产CPU有哪些路线?国产CPU短板在何处? 国产CPU每条路应该怎么走?1.1 CPU是如何设计的?基本构成:一般来讲,CPU根据不同的产品规格定义, 需要在块基板上封装1至4颗裸片。

2、裸片的内部结构非常 复杂,主要功能模块包括处理器核心(Core)、片上网络、各类 接口控制器等;除硬件电路外,裸片中还集成了复杂的程序 代码(“微码系统”)。图10 : CPU基本构成以海光CPU为例,各部分功能如下:1）处理器核心。 每颗“裸片具有8个处理器核心（含高速缓存）,不同规格的海 光CPU包含1至4颗裸片,进而具有数量不等的处理器核心。 处理器核心是CPU的关键的控制、计算部件,决定了 CPU 最主要的技术特征。2）片上网络。片上网络是CPU内部数 据传输的通道,包括控制网络和数据网络。片上网络的带宽、 延时对多核处理器的性能影响较大。3）接口控制器。不同的 接口控制器用于连接CP

3、U所搭载、控制的不同外部设备。例 如:内存控制器用于访问DDRSDRAM内存,PCIe控制器用于 连接PCIe设备,USB控制器用于访问USB设备,SATA控 制器用于读写SATA设备等。4）微码系统。微码系统由微码 程序和对应的执行硬件组成。通过微码程序的运行,将复杂 的X86指令翻译成相对简单、规整的微码指令。微码系统直 接影响处理器的安全,包括变更安全算法（国密密钥）、利用微码系统修复些安全漏洞、扩展安全指令集等。5) HMI/xHMI多片互联控制器。HMI/xHMI具有高带宽、低延时 特点,可以完成裸片间和处理器间的高速互联,从而实现 MCM和Chiplet的片上封装,以及双路服务器架

4、构设计。图n ： cpu设计流程频酶来管库以海光CPU为例,需要经过以下设计步骤:1)架构设 计。处理器系统架构设计包括处理器功能逻辑设计和微结构设 计,对处理器功能、性能和生态至关重要。在架构设计环节 中,功能逻辑设计是指基于对产品预期和产品定义,规划出处 理器产品的模块架构、功能逻辑,以及指令集、数据结构、 接口协议等;微结构设计是规划出集成电路裸片的具体实现 方式,包括流水线设计、逻辑单元设计、高速缓存结构、片上 网络、接控制器设计等。2）电路设计。电路设计是将处理 器芯片各个功能模块用硬件语言设计出来,形成可供晶圆代 工厂使用的电路版图。处理器核心的微结构精巧,流水线级数 多,主频高,

5、电路代码设计复杂。3）微码系统设计。微码系 统设计包括微码软件编程、微码执行硬件研发。微码软件包 括微码程序、微码编译器和微码补丁。微码系统设计贯穿处理 器设计全过程,通过微码补丁形式还可以修复部分硬件设计 缺陷。4）安全模块设计。安全模块设计包括处理器安全架构、 专用硬件、软件、密钥管理等,贯穿处理器设计全过程,在 处理器量产后仍需要为可能出现的安全漏洞提供及时、有效的 修复方案。5）仿真模拟。仿真模拟是指利用专用软件、高性 能仿真模拟器对处理器核心和电路设计进行模拟验证。海光 高端处理器电路规模大,必须使用仿真加速专用硬件来提高仿 真模拟的效率。6）产品设计。产品设计根据终端应用需求, 规

6、划公司具体产品配置及内部构成。产品设计过程还需要考 虑基板开发、后端设计、工程样机系统设计、产品测试、测试 板卡和工具软件开发等工作。7）流片工艺优化。晶圆代工厂基于公司提供的电路版图 进步设计出掩膜,然后经过复杂的雕刻过程生产出裸片。 公司流片工艺团队需要和公司芯片设计、晶圆代工厂工程团 队形成深度的技术互动,不断升级芯片雕刻工艺,验证流片 艺流程,提升晶圆制造良率。流片艺优化环节可分为流片 工艺升级、晶圆加工流程验证、晶圆级测试等环节。8）基板 及封测艺开发。公司将处理器封测工作委托给外部封测代 厂完成,但是基板开发、封装工艺流程验证、测试程序开发 等仍需要公司完成。9）硅后验证。处理器完

7、成封装以后,需 要进行大量的测试工作,统称为硅后验证。硅后验证工作量 较大,需要进行工程样机系统设计、产品测试、测试板卡和 具软件开发等大量支持产品市场应用的验证测试工作。1.2 国产CPU各条路怎么样?目前国产CPU的服务器主要应用于电信运营商、金融、 互联网等领域,例如,电信运营商云服务资源池系统支撑云 业务应用,银行和证券公司查询、交易系统,互联网的搜索、 计算服务、存储等应用;国产CPU的工作站主要应用场景为 工业设计和应用、图形图像处理,例如VR、AR图形渲染场 景,以及智能工厂数字李生应用等。当前,国产CPU公司根 据使用的架构走出三条不同的道路:1)X86架构:兆芯、海光。此种模

8、式属于IP内核授权 的模式,目前是仅内核层级的授权,优点是技术门槛低、性 能起点高、没有生态壁垒,缺点是自主可控的程度低,且购 买授权的成本较高。以这条路线发展,不存在生态壁垒,可以 借鉴本文1.3中AMD崛起的路线和策略,在技术上通过不断 迭代逐步缩小差距。但是这种购买授权的方式,没有从根本 上解决自主可控的需求,在中美关系不明朗的背景下,确实面 临授权中断的风险,市场上一些激进的声音甚至认为使用 X86的不能称为“国产芯片”。2) ARM架构:飞腾、鳏鹏。此种模式为指令集架构授 权,自主化程度相对较高,ARM主要有三种授权等级：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

9、以实现自行设计处理器,此前海思、飞腾已经获得ARMV8 永久授权,今年4月Arm确认Armv9架构不受约束,华为海思 可获授权。以这条路线发展,存在较高的技术门槛,ARM架 构目前在桌面和服务器端的生态远不如X86,但是指令集架构 的永久授权,一定程度上满足了自主可控的需求,但是依然 存在未来更新版本被断供的风险。图12 :服务器端X86架构销售量占比绝对领先3) MIPS等自主架构:龙芯、申威。此种模式是自主研 制的指令集,高度自主可控,但是技术门槛高,生态构建极 其困难。以这条路线发展,最大的困境是生态上的建设,如 何在落后的情况下,建立起可靠可持续的生态,是重要课题。 CPU的下游应用市

10、场主要分为:政务及重点行业市场、企业 级市场、消费级市场。其中,政务及重点行业市场对安全性 以及自主可控要求最高,同时对生态的要求相对最低,是与 国产CPU前期发展水平相匹配的,因此这部分市场是国产 CPU成长的根基所在。未来,随着产品性能不断优化,生态 逐步趋于完善,企业级市场将为国产CPU提供巨大市场空间。基于目前国产CPU替代市场的主要特征,我们认为,使 用ARM架构的国产CPU,将在短期内受益于重点领域信创 市场的快速增长;使用自主架构的国产CPU,生态建立需要 一定的时间,中长期看,有望实现党政及特殊领域的大面积甚 至全面替代;使用X86架构的产品,性能和生态显著较好, 短期内可利用

11、成本优势打开一部分企业市场,但长期看受外 部影响较大,存在较大的不确定性。1.3 国产CPU到底弱在哪?想要探讨国产CPU未来的走势,就必然要面对个十分 现实的问题:国产CPU到底弱在哪里?我们认为,国产CPU 与全球领先水平的差距主要概括为:性能差距、生态差距。 性能上,国产CPU存在明显劣势。表3 :国产PC芯片性能差距较大!厂商Mr CPU指令集授权方式内核主频艺合作方资方谣3A5OOOLoongArch自研4核2.3-2.5GHZ12nm中科院申威SW42MSW-64自研4核2.0GHz28nm江南计算所獭D2000ARMv8指令集构授权8核2.0-2.6GHZ14nm国防科大海光Hy

12、gon3250X86IP核授权8核2.8GHz14nmAMD/中科陽光，囲KX-U6880AX86IP醴权8核3.0GHz16nm,VIA/上海国资委Intel酷有 i9-12900KSX86自研16核5.5GHzlOnm釆为I库1、单核性能不行还是核数不够多?目前国产CPU的关键问题还是在于单核的性能较弱。Intel还在做4核产品的时候,国内核高基计划就已经实现了 8核产品的研制,但是整体性能完全劣后于Intel同期产品。2、艺不行还是设计能力不行?目前国产CPU的主要差距在于设计能力上。以Intel和 完全自主的龙芯对比,Intel在130nm艺就做到了主频3.8G, 而龙芯的3A1000

13、在同等工艺和核数前提下,主频只有1G, 如果将Intel产品降到1G,性能是龙芯的5倍。纵向对比看, 同样以龙芯为例,其第二代产品3A2000在没有提升主频的前 提下,通过设计能力的改进,性能提升了 2.5倍;3A3000提 升至28nm制程后,主频提升至1.5G,性能提升1.6倍;3A4000在原工艺基础上,通过设计提升性能2倍;3A5000提 升至14nm制程,性能提升1.6倍;目前在研的3A6000,据龙 芯介绍,其性能已经达到了 Intel在14nm的性能水平。从纵 向发展历程来看,相同工艺条件下,设计能力提升带来的产品 性能提升十分显著,在fabless模式下,设计能力的差距显得 尤

14、为重要。3、产品性能完全决定用户体验?产品性能是影响用户体验的重要因素,但是系统优化同 样重要。例如,在2010年iPad就风靡全球,但当时的CPU 性能只有!ntel的1/2到1/3左右,但是用户体验和评价都很 好,就是得益于苹果的系统优化。而国产CPU由于积累不够, 即使在产品性能已经能满足某些重点领域信创的要求的情况 下,用户体验依然比Intel差些。性能差距只是外在表现,我们认为造成这种差距的内因, 主要有以下几点:1、微架构设计能力存在显著差距。所谓微架构,即在指 令集架构体系之内的种结构设计,是CPU内部晶体管的一 种排列方式,属于指令集架构体系的框架之内,例如Intel的Icel

15、acke. Broadwel! Intel和AMD不断更新微架构,实现性 能的不断迭代提升,国产CPU的微架构在乱序执行、高速缓 存、多核互联等技术上,由于起步较晩,都与先进水平有一 定差距。表4 : Intel与AMD近年微架构迭代Intel CPU 年代代号与艺（nm ）AMD CPU 年代 !代号与艺（nm ）2023Sapphire Rapid72022Genoa52021Icelake102019Rome72017Skylake142017Naples14122015Broadwell142014Kaveri282013Haswell222012Piledriver322012Ivy

16、 Bridge222011Bullduzer322011Sandy Bridge322011Llano322008-2010Nehalem322007-2009K10452006-2008Conroe452003-2007K865651999-2004 K7桑釆皆）库2、定制化水平差导致精细度不足。Intel针对特定领域和 客户,会采用高度定制化的设计,例如人工设计版图、采用 锁存器Latch替换触发器flipflop、全定制设计关键单元等方 案。定制化的实现需要多年的技术积累和人力投入,目前国产 CPU很难实现,基本还是采用传统的EDA工具生成版图和 做版图优化的方式,精细度远低于定制化产品

17、。3、使用通用EDA工具缺乏协同。Intel等欧美大厂许多 都有自研的EDA工具或拓展,以及成熟的flow,设计过程中 出现的问题可以与EDA部门直接协同解决,显著提升了设计 效率和设计能力,不断拓展边界,而国产CPU厂商目前普遍 采用的是外购的EDA工具,缺少与设计工具的协同,且国产 EDA工具竞争力较弱,这环节也难以实现自主可控。4、与Foundry配合不够密切。在生产模式上,Intel是典 型的IDM厂商,AMD虽然是Fabless厂商,但与之前分拆出 去的Global Foundries保持密切联系，两者都能实现设计与制 造环节的密切配合与协同。国产CPU由于起步晩、规模小以 及国内芯

18、片制造能力弱，都是Fabless模式,难以与Foundry 实现密切配合,限制了产品技术发展的速度。落后的软硬件生态系统是制约国产CPU发展的另一瓶颈。 X86是目前桌面和服务器领域的绝对主流架构,所以选用 X86架构的受影响最小,可以直接使用Windows系统及软件, ARM架构的生态在全球范围内逐渐完善，而使用自主架构的 面临巨大挑战。生态系统很重要的一点是能够吸引全球程序 员共同参与的各类应用软件开发的盈利模式、知识产权分享 机制等制度安排。以龙芯自主研制的LoongArch架构为例, 需要耗费大量时间和人开发编译器,芯片流片成功后,还 需要移植Linux内核、Android系统等,后期

19、系统的软件也涵 盖了驱动层、中间层到应用层,还需要不断针对这种架构进行 迭代优化。前期即使大量投入,如果软件上适配和推广不足,销量受限,软件开发者便会激励不足,用户更少,引起恶性 循环,商业模式便会出现问题。1.4 每条路线关键是什么?X86：专注技术,师夷长技,形成自身迭代能力对于使用X86架构的公司来说,基于良好的技术基础以 及继承X86完整的生态,可以通过模仿先进产品及技术路线, 率先实现非关键领域的国产替代,并在此基础上尽快吸收关 键技术,形成自身的迭代能力。以海光信息为例,AMD仅提 供技术授权以及针对技术授权的部分服务支持,不会提供后 续更新技术,相关技术面临迭代风险。海光按照协议

20、和AMD 同时在该技术授权的基础上进行产品研发,在2016年推出的 第一代典型CPU系海光185,与AMD基于该技术的第一代 产品AMD EPYC 7551有少许差距,但差距较小,不存在代际 差异;19年受到美国商务部影响后,海光推出海光二号,并 为适应国内用户使用需求,增加了国密算法等安全增值功能, 证明了公司已经完成了对AMD授权技术的消化吸收。海光三 号成功流片、海光四号完成了电路设计和性能模拟,证明了 公司全面掌握了高端处理器设计技术,具备了产品迭代研发 能力。表5 :海光芯片部分IP核已能实现国产替代IP核名称IP工具提供方所属功能模块获取情况后续替代情况E12G PHY公司6SER

21、DES外采DDR4/3 PHY公司6DDR外采可以通过武汉芯动等国内USB3/USB2 PHY公司6USB外采IP提供商逬行替代USB控制器公司6USB外采SATA控制器AMDSATAAMD授权PCIE控制器AMDPCIEAMD授权自研替代DDR控制器AMDDDRAMD授权豆元来管库ARM:短期内抓住行业机会,发展已获授权指令集202I年苹果发布了 M!芯片,与以往选用X86架构不同, M!芯片采用基于Arm-ISA的内部处理器和CPU微体系结构, 是苹果首款针对Mac设计的SoC,根据苹果的的宣传材料, 在10W的功耗限制下,Ml芯片可提供传统X86笔记本处理 器2倍以上的CPU性能。苹果M

22、l 一经上市受到广泛关注, 其性能也被用户认可。但苹果Ml的成功,不足够说明ARM 在桌面和服务器端已经可以超越X86。苹果Ml性能的高水平 的表现主要是基于苹果微架构上的优势以及工艺上的领先。 微架构方面,采用了“疯狂堆料”的方式,并采用了台积电的 5nm艺。这部分的优势显著,并且在能耗方面显著优于X86, 至于类似视频剪辑等功能,可以直接交给解码、编码的硬件 单元完成,使用体验更佳,但是这种方式的问题在于,成本 过高,苹果可以用很高的整机利润去摊平这部分处理器成本, 但是国产CPU显然难以复制。自主指令集:产品性能+生态融合,协调步伐除本身的性能要求需要符合用户基本需求外,生态融合 也是需

23、要同步跟进的关键点,否则只能面向些软件需求极 低的下游,市场空间局限性大。破局之计以龙芯为例,自研 指令集LoongArch充分考虑了兼容需求,可以通过“指令系统 创新+二进制翻译”的方式,运行其他平台上的二进制应用程 序,从而达到生态融合的目的。为支持芯片销售及应用,龙 芯还开发了基础版操作系统及浏览器、Java虚拟机、基础库 等重要基础软件,并以两种方式免费提供给客户。2 .国产CPU量价拐点已现2.1 价:逐渐市场化CPU定价策略已经较为成熟:阶梯价格+项目特价。考 虑到芯片行业的特点并参照国际同行业领先芯片企业的定价 模式,CPU行业主要采用阶梯价格策略,接受针对项目的单 独特价申请。

24、阶梯价格主要适用于服务器厂商客户的日常采购 （根据采购数量区间阶梯变动）,特价一般用于战略级竞争 项目（最主要）、产品适配导入项目、产品促销等。以海光 芯片为例,CPU价格已经逐渐市场化。2018年,公司研发的首款海光一号产品刚刚面世,初期 产量较小,研发适配工作量大,公司主要比照同行业领先厂商 竞品价目表的价格进行定价,定价策略较为保守,产品平均 单价较高。2019年下半年开始,公司形成了阶梯价格与特价 相结合的定价机制,并稳定执行至今,产品销售均价较2018 年整体下调。2020年以后,全球芯片行业供应链相对紧张, 原材料价格呈现上涨趋势,公司对新代际产品较上一代产品 定价有所上涨。表6

25、:海光芯片价格逐渐市场化（元）!项目2021 年 1-6 月2020年度2019年度2018年度 7000系列8952.077494.226913.3211507.247100系列5192.055206.516913.3211507.247200系列11926.8015687.72-5000系列6702.627721.514189.835570.525100系列468.432830.704189.835570.525200系列7872.529363.17-3000系列1231.40963.771250.45-3100系列-833.671250.45-3200系列1231.401402.33-热

26、先弟皆库2.2 量:弹性极大CPU的下游应用市场主要分为:政务及重点行业市场、 企业级市场、消费级市场。其中,政务及重点行业市场对安 全性以及自主可控要求最高,同时对生态的要求相对最低, 是与国产CPU前期发展水平相匹配的,因此这部分市场是国 产CPU成长的根基所在。测算CPU市场规模,实际应该分 为:测算整体市场规模（可参考历史静态数据）、可国产替 代市场规模。从整机形态,可分为PC、服务器两个方向。整 体静态市场,2021年,根据IDC数据,全球PC出货近3.5亿 台,全球服务器出货超过1300万台。考虑国产CPU未来较 长一段时间主要聚焦国内市场,国内出货量更有代表性。整体市场,PC C

27、PU需求超过5000万颗/年,服务器CPU 需求约800万颗/年。根据行业惯例,一台PC对应颗CPU, 2021年中国PC出货量超过5000万台,则整体PC CPU需求 超过5000万颗。根据IDC数据,服务器市场超过85%的服务 器为2路服务器,即一台服务器对应2颗CPU,则中国区整 体服务器CPU需求约为800万颗。假设PC CPU价格为!000 元/颗,服务器CPU为8000元/颗,则PC CPU市场规模超过 500亿元,服务器CPU静态市场规模约640亿元。图17 : 202I年中国PC出货超过5000万台（百万台）中国PC出货量一左元来智库yoy-右中短期看,确定性最高的是,可国产化

28、市场规模。国产PC CPU年化市场规模约为200亿元。考虑PC采购不同机构 性质,分为核心替代（公务员群体）、重点替代（事业编制 群体）、逐步替代（国有企业群体）、可选替代（一般企业 工作人员）,假设四类替代群体,稳定期后,国产PC采购比 例分别为80%、60%、40%、10%。根据国际统计局数据,可 得四类群体整体人员数量。假设单科PC CPU价格为!000元, 则PC CPU整体规模为1020亿元。假设PC5年完成折旧,则 国产PC CPU年化市场规模约为200亿元。国产服务器CPU静态市场规模约为139亿元。根据IDC 服务器数据统计,可知党政、通信、金融等重点行业2021年 服务器出货量,假设党政、通信、金融、其他行业国产服务 器采购比例分别为80%/40%/30%/10%,参照服务器CPU市场 价格,假设服务器CPU价格为8000元/颗,保守假设国产服 务器全部为2路服务器（一台服务器配置2颗CPU）,则国 产服务器CPU年化市场规模约为139亿元。国产服务器CPU动态市场规模超过200亿元。值得注意 的是,拉长10年维度看,PC市场整体出货量相对稳定,服务 器市场出货量随数据量、云计算催化,长期依然是增量市场。 考虑以上测算仅为静态数据,若考虑动态空间,假设服务器市 场未来5年维持复合10%增速,则2026年,国产服务器 CPU市场规模将超过200亿元。