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1、CPU 技术与产业白皮书（2023 年）目 录1. 概念及内涵11.1. CPU 基本概念11.2. 产品分类21.2.1. 基于指令集21.2.2. 基于应用领域41.3. 产业链供应关系61.3.1. 产业链上游61.3.2. 产业链下游82. 产品发展历程82.1. 国外产品发展历程82.2. 国内产品发展历程113. 产业发展现状123.1. 全球发展现状123.2. 国内发展现状154. 未来发展趋势175. 未来应对建议18 3 1. 概念及内涵1.1. CPU 基本概念CPU 是 Central Processing Unit（中央处理器）的简称，由采用超大规模的集成电路组成制造
2、，是实现计算机的运算核心和控制核心。CPU 包括运算器、控制器、高速缓冲存储器、内部数据总线、控制总线及状态总线输入/输出接等模块。图 1 CPU 基本架构图CPU 的主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器进行指令解码，将指令分解成一系列的微操作，连接到各种能够进行所需运算的CPU 模块部件，发送控制命令，从而完成指令的执行。目前在信息化系统中使用的CPU 主要是微处理器。微处理器是（Micro Processor）是采用大规模集成电路实现的中央处理器 CPU，形式上一般是一个芯片，或者芯片SOC 中的一个模块。微 19 处理器根
3、据应用领域，大致可以分为三类：通用处理器（MPU，主要用于高端CPU）、微控制器（MCU）和专用处理器。本文中除非另作说明，对“微处理器”和“CPU”不加区分的使用。1.2. 产品分类CPU 是一个庞大的家族，可以按照指令集、应用领域进行分类。图 2 CPU 产品分类1.2.1. 基于指令集指令集是CPU 所执行的指令的二进制编码方法，是软件和硬件的接规范。日常交流中有时也把指令集称为架构。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 型 CPU 目前主要是 x86 架构，RISC 型 CPU 主要包括 ARM、RISC-V、MIPS、POWER
4、架构等。（1） x86 架构：主导桌面/服务器CPU 市场基于CISC（复杂指令集）的 x86 架构是一种为了便于编程和提高存储器访问效率的芯片设计体系，包括两大主要特点：一是使用微代码，指令集可以直接在微代码存储器里执行，新设计的处理器，只需增加较少的晶体管电路就可以执行同样的指令集，也可以很快地编写新的指令集程式；二是拥有庞大的指令集，x86拥有包括双运算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到存储器以及存储器到寄存器的多种指令类型。（2） ARM 架构：崛起移动市场ARM 架构过去称作进阶精简指令集机器，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，近年来也因其低功耗多
5、核等特点广泛应用在数据中心服务器市场。早期ARM 指令集架构的主要特点：一是体积小、低功耗、低成本、高性能；二是大量使用寄存器，且大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快；三是寻址方式灵活简单，执行效率高；四是指令长度固定，可通过多流水线方式提高处理效率。（3） RISC-V 架构：物联网时代的新选择RISC-V 是加州大学伯克利分校设计并发布的一种开源指令集架构，其目标是成为指令集架构领域的 Linux，主要应用于物联网（IoT）领域，但可扩展至高性能计算领域。RISC-V 采用 BSD License 发布，由于允许衍生设计和开发闭源，吸引了一大批公司的关注，目前已有不少公司开发基
6、于 RISC-V 的IP 核，如 Si-Five、台湾晶心、阿里平头哥等已可提供基于RISC-V 的处理器 IP 核，部分企业如兆易创新、北京君正等已开发出基于RISC-V 的MCU芯片等。但整体上，由于 RISC-V 产业生态还比较薄弱，未来的发展仍有较长一段路要走。（4） MIPS 架构：RISC 先驱MIPS 是高效精简指令集计算机体系结构中的一种，MIPS 的优势主要有三点：一是发展历史早，MIPS 在 1990 年代已经广泛使用在服务器、工作站设备上。二是在学术界影响广泛，计算机体系结构教材都是以MIPS 为实际例子。三是 MIPS 在架构授权方面更为开放，授权门槛远低于 x86、A
7、RM，在 2019 年曾经有开放授权的实际动作，并且 MIPS 允许授权商自行更改设计、扩展指令，允许二次授权。（5） POWER 架构：逐渐退出历史舞台POWER 架构是由IBM 设计的一种RISC 处理器架构，POWER在大型机领域独具优势。POWER3 是全球首款 64 位架构处理器，开始应用铜互联和SOI（绝缘体上硅）技术。直至 POWER9 依然追求最高性能，不仅具备乱序执行、智能线程等技术，还实现了 SMP（对称多处理技术）的硬件一致性处理。POWER 架构 CPU价格高昂，主要应用于高端服务器领域，市场份额逐渐减少。1.2.2. 基于应用领域微处理器根据应用领域，大致可以分为三类
8、：通用微处理器（MPU, Micro Processor Unit）、微控制器（MCU, Micro Controller Unit） 和专用处理器， 本文涉及的中央处理器（ CPU, Central Processing Unit）属于通用微处理器。（1） 通用微处理器CPU 通常按照面向的市场分为用于服务器、桌面（台式机/笔记本）、超级计算机等。另外，近年的网络安全、嵌入式应用也对CPU 性能提出较高要求，很多网络安全、嵌入式系统使用和桌面、服务器相同级别的CPU。（2） 微控制器MCU 微控制单元，是用于控制类应用的低性能、低功耗 CPU。 CPU 的主频一般低于 100MHz，通常率与
9、规格做适当缩减，并将内存、常用外设接计数器、USB、A/D 转换、UART、PLC、DMA等周边接，甚至 LCD 驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，主频、功耗都可以很低，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如在智能制造、工业控制、智能家居、遥控器消费领域，以及汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都大量使用MCU。（3） 专用处理器专用处理器实现面向某一领域的特定功能。例如数字信号处理器（DSP，Digital Signal Processor），DSP 芯片也称数字信号处理器，是一种专用于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。DS
10、P 一般专用于某种专用的计算，一般不会像 CPU 一样运行通用的操作系统。DSP广泛应用于数字控制、运动控制方面的应用主要有磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控制、马达控制、电力系统控制、机器人控制、高精度伺服系统控制、数控机床等。其它专用处理器还有深度学习处理器、数据库加速处理器、安全处理器、类脑计算芯片等。1.3. 产业链供应关系1.3.1. 产业链上游CPU 的产业链上游包括支撑集成电路设计和制造的 EDA 辅助设计工具和IP 服务，半导体制造设备、芯片生产测试流程。目前CPU 的产业链上游企业多为国外知名厂商，具有垄断优势，国产化程度较低。图 3 CPU 产业链上下游分布（
11、1） EDA 辅助设计工具(Electronic design automation)EDA 工具（Electronic Design Automation，电子设计自动化）是用来辅助芯片设计的专用软件工具，是集成电路设计业的基础。 EDA 是需要多年积累的高复杂软件。从功能类别上，EDA 工具可分为：设计自动化软件如逻辑综合、布局布线等；分析验证软件如仿真、时序分析、物理验证等。从设计对象类别上，EDA 工具可分为：模拟电路设计软件；数字电路设计软件；工艺辅助设计软件等。（2） IP 服务IP 核，又称知识产权核（Intellectual Property Core），是指具有预先设计的功能
12、并且重复用于其它系统的电路模块。IP 核类似于软件模块，形成了成熟的 IP 设计服务市场。芯片公司无需对芯片每个细节进行设计，通过购买成熟可靠的 IP 方案，实现某个特定功能。这种类似搭积木的开发模式，缩短了芯片开发的时间，有利于抢占市场。（3） 半导体制造设备半导体制造设备是CPU 芯片制造的基础，半导体制造流程包括硅片制造、晶圆制造、封装测试三个环节，整个制造流程中晶圆代工厂设备占比最高约为 80%、检测设备占 8%、封装设备约占 7%，硅片制造设备及其他占 5%。全球的主要生产厂商集中在欧美、日本、韩国以及中国台湾等地，国外比较知名的企业如美国应用材料（AMAT）、荷兰阿斯麦（ASML）
13、、东京电子等凭借资金、技术优势逐渐垄断了全球半导体设备市场，我国在高端半导体制造设备领域与国外还有很大差距。（4） 芯片生产测试流程在芯片生产环节，主要的供应链节点包括流片、封装和测试。在流片、封装、测试方面，国际主流的企业是台积电、三星等，工艺水平最高达到 5nm。以流片环节为例，2019 年全球十大半导体流片代工厂分别为：台积电、三星、格芯、联电、中芯国际、 TowerJazz、华虹半导体、VIS、PSC、DongbuHiTek。其中境内厂商有中芯国际、华虹半导体，境内企业占全球市场份额的比重低于 10%，境内工艺水平最高达到 14nm。目前最先进的制程被 Intel、台积电、三星等公司垄
14、断。测试机台研发企业，主要有 Advantest、 Hontec 等。1.3.2. 产业链下游CPU 的产业链下游包括各类整机厂商、行业解决方案、应用系统，其中最重要的是服务器、桌面和嵌入式系统等硬件设备厂商。我国CPU 市场规模和潜力非常大，庞大的整机制造能力意味着巨量的CPU 采购。据数据统计，2018 年国内计算机整机产量达到 3.2 亿台。2018 年国内服务器出货量达到 330.4 万台，同比增长 26%，其中互联网、电信、金融和服务业等行业的出货量增速也均超过 20%。另外，国内在物联网、车联网、人工智能等新兴计算领域，对 CPU 也存在海量的需求。美国企业（Intel、AMD、高
15、通等）是我国 CPU 产品的主要供应商，其中直接从美国本土进的 CPU 芯片体量也比较大。以 2019 年前 7 个月为例，我国累计从美国进处理器 64.87 亿元，占到我国从美国芯片进额的 84%，占比非常之高。对美国处理器的过度依赖，成为我国信息产业发展的一大软肋。2. 产品发展历程2.1. 国外产品发展历程从整个CPU 的技术发展历史来看，大致可以分为以下几个阶段：第一阶段：计算性能提升1971-90 年代初：CPU 主要向计算性能提升方向发展，晶体管数量由千级提升至百万级。第二阶段：多媒体及个人应用出现90 年代初-2000 年初：CPU 向个人应用及多媒体方面发展，包括音、视频及通信方向，同时晶体管数量由百万级提升至千万级。第三阶段：多元化发展2000 年代初-2010 年：出现 64 位处理器产品，CPU 产品开始向多元化发展，包括服务器、桌面、移动端等，同时工艺制程得以提升。第四阶段：多核技术出现，集成化更高2010 年至今：CPU 核心数量、频率得以大幅发展，主频突破3GHz，实现多核/多线程技术，AMD 第 1 代 APU（CPU 集成 GPU单元）开始出现。阶段时间事件第一阶段：计算性能提升1971 年Intel 公司推在出了世界上第一台微处理器 4004。这是第一
