CPU行业专题研究:国产替代成长空间广阔


发布时间:

2023-02-08

中央处理器 CPU(Central Processing Unit)作为 PC及服务器的大脑, 是计算机的运算和控制核心。CPU 与内部存储器和输入/输出设备合称 为电子计算机三大核心部件。CPU 的本质是一块超大规模的集成电路, 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。

CPU行业专题研究:国产替代成长空间广阔

1. CPU 是 PC 及服务器的大脑
1.1. CPU 是计算机的核心配件

中央处理器 CPU(Central Processing Unit)作为 PC及服务器的大脑, 是计算机的运算和控制核心。CPU 与内部存储器和输入/输出设备合称 为电子计算机三大核心部件。CPU 的本质是一块超大规模的集成电路, 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。CPU 的内部 结构可分为控制单元,运算单元和存储单元三大部分。据此,CPU 的工 作原理可以拆解为:控制单元根据指令,将存储器中的数据发送至运算 单元,经运算单元处理后的数据再存储在存储单元中,最后交由应用程 序使用。根据冯诺依曼体系,CPU 的工作流程又可分为五大阶段:取指 令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数阶段和结果写回阶段。

1.2. CPU 指令集分为复杂和精简两类

指令集是 CPU 性能体现的重要标志。指令集一般被整合在操作系统内 核最底层的硬件抽象层中。指令集属于计算机中硬件与软件的接口,它 向操作系统定义了 CPU 的基本功能。指令集包括指令格式、寻址方式和 数据形式。一台计算机的指令集反映了该计算机的全部功能,机器类型 不同,其指令集也不同,因而功能也不同。CPU 要有较好的性能,需要 具备功能齐全、通用性强、内含丰富的指令集。


 

按照指令集,CPU 可划分为复杂指令集(CISC,Complex Instruction Set Computer)和精简指令集(RISC,Reduced Instruction Set Computer) 两大类。其中,复杂指令集 CISC:由一条指令完成一个复杂的基本功能; 单条指令集功能强,指令类型丰富完善,编译后指令数量较少,通用场 景下性能具有优势。复杂指令集以 x86 架构为代表,主要用于桌面 PC 及服务器领域,配套软硬件丰富完善。精简指令集 RISC:由一条指令完 成一个基本动作,多条指令组合完成一个复杂的基本功能;译码效率高, 偏向低功耗领域优化。精简指令集以 ARM 架构为代表,主要用于手机、 平板等移动终端,软硬件生态逐步建设完善。

1.3. CPU 主流架构为 x86 与 ARM 架构

如今 CPU行业在全球形成了 Wintel和 AA两大信息化生态体系,均由 美国主导。Wintel 体系即 “Windows+Intel” ,由 Windows 操作系统与 X86 指令集组成,其实质是 Microsoft 与 Intel 的商业联盟。在硬件上, Wintel 通过捆绑销售,掌控了对产业链下游生产商的控制权;而 Intel 作 为芯片 IDM 厂商,占据了市场话语权。在软件上,Windows 平台凝聚了 大批的开发者,使 Microsoft 能快速迭代出不同层次的应用软件产品。

Wintel 体系在软硬件市场上构建起强大的生态壁垒,在桌面及服务器 CPU 市场所向披靡。AA 体系即“Android+ARM” ,由 Android 操作系 统与 ARM 指令集组成。其中,谷歌公司负责安卓系统及其软件生态的 搭建,ARM 公司负责 ARM 指令集的扩展更新、微结构设计和编译器的 开发,并对 AA 体系下的公司出售授权。随着 HTC、三星、华为等手机 终端企业的快速崛起,高度符合移动互联网时代需要的 AA 体系逐渐占 领了移动终端市场。

目前,除了主流的 X86、ARM 架构外,还有 MIPS、POWER、RISCV 等架构,其余架构简介如下:

MIPS 架构:由 MIPS 科技公司开发并授权,广泛被使用在许多电 子产品、网络设备、个人装置与商业装置上。最早的 MIPS 架构是 32 位,最新的版本已经变成 64 位。它包含大量的寄存器、指令数 和字符、可视的管道延时时隙,这些特性使 MIPS 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。

POWER 架构:由 IBM 公司设计开发,具有高度通用、高性能等 特性,支持从嵌入式系统到超级计算机等平台,在汽车、医疗设备、 军事、航空航天等领域都有一席之地。可以说 Power 是适用于物联 网、网络和无线、工业和环境控制系统、个人计算、企业服务器以 及手持设备和移动设备等领域的一款 CPU 架构。

RISC-V 架构:RISC 系列指令集的第五代产品。2010 年,加州大 学伯克利分校的研究团队设计出 RISC-V。虽然与 ARM 同属于精简 指令集架构,但 RISC-V 推出晚,没有背负向后兼容的包袱,架构 短小精悍。目前 RISC-V 被认为最适合应用在 IoT 市场。因为 IoT 市场更为灵活,客户需求相对多样化,目前尚无任一架构统一市场, RISC-V 具有低功耗、低成本、灵活可扩展及安全可靠的特性。

X86 架构仍是主力,ARM 架构正奋起直追。X86 架构起步较早,生态 环境具有明显优势,目前 X86 架构占领了服务器、桌面和 PC 电脑市场 绝大部分份额。根据 IDC 统计,截至 2020 年,X86 架构服务器CPU 在全球服务器市场中销售量占比超过 97%,处于显著领先的地位。随着 5G 的发展,移动终端正在快速取代传统 PC 在终端市场中的地位。根据 IDC 数据,移动终端在全球终端(包括个人电脑、平板电脑和智能手机)出 货量所占的比例已经由 2010 年的 44.7%上升到了 2018 年的 77.6%,预 计到 2023 年将超过 80%。而 ARM 架构占领了绝大多数移动终端,将对 X86 架构全球市场份额发起挑战。


 

相比 X86 架构的高性能,ARM架构拥有低功耗的错位优势。X86 架构 的强项是设计超高性能的 PC 和服务器处理器。在移动设备行业,X86 架 构下的复杂指令集难以放入移动设备体积较小的处理器中。而为了保持 高性能,X86 架构处理器会使得移动设备温度过高、耗电过快。例如, Intel i7 处理器平均发热率为 45 瓦;基于 ARM 的片上系统发热率最大 瞬间峰值约 3 瓦,功率是 Intel i7 处理器的 1/15。

1.4. CPU 三大研制环节对应不同细分产业链

现代 CPU 产品研制主要有设计、制造、封装与测试三大环节。CPU 设 计环节是决定芯片功能、性能最为关键的研发环节,由芯片设计工程师 基于 CPU 指令集,使用专业 IC 设计软件进行设计,过程极为复杂、繁 琐。CPU 制造环节是最为复杂、难度最大的环节,具备技术密集型、资 本密集型的特征。芯片的制造过程又称为“流片”,是在完成 CPU 电路 设计以后,交给晶圆代工厂进行生产,需要从沙子中提纯出单晶硅切割 成晶圆,再使用光刻机在晶圆上融刻芯片版图的复杂电路结构,最后形 成晶圆。晶圆完成封装后形成最终的 CPU 产品,此时测试厂商对 CPU 产品进行测试,通过测试的 CPU 可开始量产,未通过测试的 CPU 则要 重返设计层面检查修正。

CPU产业链主要由上游基础环节、中游制造环节以及下游应用环节构 成。中游芯片设计商、制造商、封装测试商向上游基础环节采购软硬件 工具、材料、设备来实现芯片生产,继而实现下游各领域的应用。上游 基础环节影响供给成本,下游应用环节决定行业需求。上游基础环节: 主要包括 EDA 软件、IP、半导体设备、半导体材料。中游生产环节:主 要包括 CPU 研制的三大环节:设计、制造和封装测试。下游应用环节: CPU 广泛应用于通讯、汽车、电力、物联网、人工智能、工业、医疗等 行业领域。

2. CPU 行业具备寡头垄断特质
2.1. 全球 CPU 市场呈现双寡头垄断格局

Intel 霸主地位强势,AMD 欲与之争锋。目前 X86 架构占据了服务器、 桌面及 PC 电脑等终端的主要市场份额,其中代表厂商为 Intel 和 AMD, 尤以 Intel 产品市场占有率遥遥领先。根据 Passmark 发布的 AMD及 Intel的 CPU 市场份额报告,可以看出二者的市场份额占比和变化趋势:AMD 在 2021 年 Q3 季度实现了最高 39.7%的纪录,跟 Intel 形成 4:6 的格局; 但难抵随后的下滑趋势,到 2022 年 Q1 季度已经跌倒了 34.3%,Intel 则 以 65.6%的份额拉大了双方的差距。可见 Intel 具备强势的霸主地位, AMD 近期虽脚步放缓但处于持续追赶状态。


 

2.2. 双雄在竞争中迭代,占据全球 CPU 市场

从英特尔公司和 AMD 公司的较量中,看 CPU 的历史变迁。二者的发 展历程可大致划分为四个阶段:第一阶段是发家起步期,第二阶段是初 始合作期,第三阶段是正面交锋期,第四阶段是持续较量期。

发家起步期(1968-1975 年):1968 年英特尔公司成立,次年后 AMD 公 司成立,两家公司创始人都来自仙童半导体,创立之初也都聚焦于存储 领域,但创业境况却大不相同。因为与英特尔创始人的技术出身不同, AMD 创始人原本是仙童的销售高管,所以在创业初期 AMD 的融资显 得举步维艰。

初始合作期(1975-1985 年):因发家背景不同,英特尔坚持以技术创新 为本,而 AMD 定位为“第二供应商”主攻性价比,各自发展路线与自 身能力匹配。20 世纪 70-80 年代,日本政府颁布“超大规模集成电路” 计划,通产省组织日立、NEC、富士通、三菱、东芝等五家公司领衔大 举发展半导体产业,存储领域的竞争变得异常激烈。随着 1975 年第一个 桌面计算器 Altair8800 的诞生,拉开了计算机微型化时代的序幕。AMD 和 Intel 抓住时代机遇,纷纷由存储领域战略转型,聚焦于微型处理器领 域。此时想要快速扩大生产 PC 的 IBM,搭建了英特尔和 AMD 之间合 作的桥梁。IBM 公司原本一直由英特尔供货,但由于英特尔产能不足造 成了供货紧张,IBM 公司要求英特尔找到第二家供应商。因此,英特尔 找到了 AMD 并签订了五年技术合作协议,全面授权 AMD 生产 8086 微 处理器。因此,AMD 利用当时并不完善的专利和知识产权保护制度, 获得了仿制并超越英特尔产品的契机。

正面交锋期(1985-1997 年):英特尔在 1985 年发布了热销产品 386 后, 正式对外宣布明确了其主营业务是微处理器。英特尔转战微处理器领域 后,先发优势明显。但 1986 年,AMD 公司就克隆出市场定位和性能与 Intel 80286 微处理器匹敌的 AM286。次年,英特尔在与 AMD 合约到期 前单方面撕毁了合作协议,宣布独家生产 386。为此,AMD 将英特尔告 上了法庭。在此后长达 7 年的官司中(1987-1994 年),AMD 虽以胜诉 告终,但也错过了 PC 发展的黄金时段。

持续较量期(1997 年-至今):在 AMD 和英特尔分道扬镳后,AMD 制造 了与英特尔 X86 架构兼容的产品,而英特尔采用了与之相反的策略,想 通过研发不兼容 X86 架构的处理器来消灭竞争对手,但最终由于缺乏配 套软件应用而失败,AMD 也因此得以趁胜追击。在全力追赶英特尔的过 程中,AMD 取得了较为可观的进度。AMD 的收入在 2017 年至 2021 年 期间增长了两倍多,从 53 亿美元增长到 160 亿美元。与此同时,英特 尔在此期间的年收入增幅只有约 25%,从 2017 年的近 630 亿美元增长 至 2021 年的 790 亿美元。

2.3. 英特尔:CPU 的先行者

英特尔公司成立于 1968年,是全球最大的个人计算机零件和半导体芯 片制造商。英特尔于 1971 年推出了全球第一个微处理器。微处理器所带 来的计算机和互联网革命,改变了整个世界。英特尔为计算机工业提供 关键元件,包括性能卓越的微处理器、芯片组、板卡、系统及软件等, 这些产品是标准计算机架构的重要组成部分。

从单核到多核。自英特尔在 1978 年推出第一颗 x86 处理器 8086 后, CPU 的发展方向一直都是整合更多的指令集与外部控制器,以及更高的 主频。单核性能的提升除了架构以外很重要的一点是取决于频率和缓存, 而频率限于 CPU 温度和功耗不可能增长太快,缓存限于 CPU 面积和成 本同样不能快速增长,这样频率和缓存只能依靠半导体工艺的进步来逐步提升。当 CPU 的单核效能与频率都到瓶颈之后,英特尔与 AMD 都开 始向多核发展。 第一款双核处理器问世。2005 年 4 月,英特尔的第一款双核处理器平台 包括采用英特尔 955X 高速芯片组、主频为 3.2 GHz 的英特尔奔腾处理 器至尊版 840,此款产品的问世标志着一个属于多核心的新时代已经来 临。


 

第一款四核处理器问世。2006 年,Pentium D 处理器的继任者是非常经 典的 Core 2 Due 处理器,而且他们还用当年炮制首款双核处理器的手法 造出了首款四核处理器 Core 2 Quad。首款桌面级的四核处理器诞生于 2006 年 11 月 2 日,首发产品为 Core 2 Extreme Edition QX6700。

制成和架构交替进步。从 2005 年开始,英特尔就制定了一套“钟摆计 划”(Tick-Tock 战略)。Tick-Tock 就是时钟 “嘀嗒” 的意思,一个嘀嗒 代表着一秒,而在 Intel 的处理器发展战略上,每一个嘀嗒代表着 2 年一 次的工艺制程进步。每个 Tick-Tock 中的“Tick”,代表着工艺的提升、 晶体管变小,并在此基础上增强原有的微架构,而 Tick-Tock 中的“Tock”, 则在维持相同工艺的前提下,进行微架构的革新,这样在制程工艺和核 心架构的两条提升道路上,总是交替进行。

从 6 核到 10 核。2013 年英特尔推出的 Corei7-980X 是首款 6 核处理器, 桌面市场的第一颗真 8核处理器是英特尔在2014年推出的Corei7-5960X, 后来,Corei7-6950X 成为首款桌面的 10 核处理器,生产工艺从 22nm 升 级到 14nm,核心数量从上代 Core i7-5960X 的 8 核增加到 10 核,晶体 管数量也从 26 亿增加到 32 亿。 英特尔开启混合架构新时代。2017 年,英特尔推出了第七代 Core X 系 列处理器,包括 Skylake-X 与 Kabylake-X 两种不同架构的处理器, SkylakeX 处理器多了 12 核、14 核、16 核、18 核的产品,并且用 Core i9 取代 Core i7 成为英特尔消费级市场上最强处理器的代名词。Intel 的 Lakefield 项目于 2020 年正式上市,从此 Intel 开启混合架构新时代。

英特尔过去五年业绩稳重有升,但 2022 年 Q2 遭遇下滑。英特尔 22Q2 营收 153 亿,较二季度业绩指引 180 亿低 15%,主要由于 CCG 和 DCAI 业务不及预期;净利润亏损 4.5 亿,2017 年 Q4 以来首次季度亏损。英特尔出现季度亏损,历史上是小概率事件。数据显示,自 1993 的以来近 30 年的时间里,英特尔只出现三次季度亏损。


 

在 2022年投资者大会上,英特尔首次披露了 2022-2024年的全新英特尔 至强产品路线图。至强 Xeon 是主要用于"中间范围"的企业服务器和工 作站。在英特尔的服务器主板上,最多达八个 Xeon 处理器能够共用 100MHz 的总线而进行多路处理。目前,英特尔最新款服务器 CPU仍旧 是 2021 年推出的第三代至强(Xeon)可扩展处理器(代号 Ice Lake),其主 要亮点包括:采用英特尔最新的 10nm 工艺,单个芯片最多包含 40 核。 与上一代 20 核 Cascade Lake 相比,IPC 性能提升 20%;在主流数据中心 工作负载上性能平均提升 46%;74%的 AI 推理性能增加;与 5 年前的老 系统相比,平均性能提升 2.65 倍。

2.4. AMD:CPU 的挑战者

AMD公司成立于 1969年,是一家生产微处理器、提供闪存和低功率处 理器解决方案的公司,是英特尔公司最强劲的竞争对手。

以“第二供应商”发家,靠质量赢得口碑。为了达到业界最高的质量, AMD 在起步之初就选择美国军工领域标准 MIL-STD883 作为 AMD 产 品质量的标准。严格的质量标准下,产品性能优势显著,助力 AMD 产 品打开市场。例如,当时 AMD 替代 Intel 的 Am1506 产品,其散热能力 比原版还强 30%。 研发全速前进,不断拓展产品矩阵。1969 年,AMD 第一款产品 Am9300 是一款 MSI 移位寄存器,其基于 2 英寸晶圆,取得了当时行业领先 40% 良率。此后,公司推出了逻辑计数器 Am2501。1971 年,又推出了 MSI 乘数芯片 Am2505、Am3101。截至 1971 年,短短三年间,AMD 公司推 出了 67 款产品,其中 8 款是自主产权的产品。

与英特尔携手前进,巩固“第二供应商”地位。1976 年,英特尔推出了 整合指令集代码的 CPU,同年,两家公司达成授权合作,AMD 获得了 英特尔开发 CPU 的代码使用权,进一步巩固了“第二供应商”的地位。 1981 年,AMD 和英特尔签署了行业最重要的授权协议,AMD 获得了英 特尔 X86 系列处理器的授权。1983 年,AMD 成为了全球第九大集成电 路制造商。


 

英特尔停止授权,陷入官司大战。1987 年,Intel 宣布停止对 AMD 进行 386 产品授权。AMD 面对反向攻关 386 产品的难题,度过了一段艰难的 岁月。最终,仅仅 18 个月,AMD 拿出了 Am386 这款优秀的处理器产 品,其能耗甚至比 Intel 的 386 芯片更好,且完全兼容 Windows 等各项 软件。其上市一年后销售收入就达到 1.1 亿美元,销售量超过 100 万枚。

官司胜利后,AMD 加大研发力度。1990 年代初 AMD 加大自主研发力 度,并于 1995 年成功推出首款自研微处理器 K5,用于对抗英特尔当时 风头正劲的奔腾处理器。随后几年又陆续推出 K6、K7 等系列,即 AMD 为世人熟知的速龙系列。 在自研过程中,AMD 逐渐对英特尔形成赶超之势。1999 年,AMD 抢先 跨越 CPU 主频 1GHz 的大关,发布了 K7 微架构的 Athlon(速龙,俗称: 阿斯龙,代号:Pluto),Athlon 诞生标志着 AMD 第一次超越 Intel,首次 迎来技术研发的高光时刻。2003 年,AMD 率先推出兼容前期产品的 X86 架构 64 位速龙芯片。2005 年,AMD 推出性能领先的 X86 双核 CPU。

新 CEO 上任后改变发展轨迹,AMD 迎来黄金时期。2014 年底,苏姿 丰成为 AMD 新任 CEO,管理团队适时根据市场环境进行了策略调整, 开始将产品定位长期聚焦在高性能计算市场,重点市场包括数据中心、 个人电脑、游戏主机等。面向高性能计算,争夺高端市场,逐渐成为 AMD 发展的主要策略。2017 年春季,AMD 发布了研发已久的利剑——Zen 架 构 Ryzen 品牌八核心桌面级处理器系列。R7 1800X、R7 1700 以及随后 跟进的 R5、R3 系列 CPU 在多数细分市场对 Intel 的 i7、E3、i5 系列处 理器构成了极强的竞争优势。

2.5. 寡头竞争效应下,全球 CPU 市场规模稳步增长

在 Intel和 AMD的寡头竞争效应下,技术快速迭代叠加产品的全面推 广,全球 CPU市场规模稳步增长。根据全球半导体贸易统计组织(WSTS) 的数据,2013-2018 年,全球 CPU 行业呈现快速增长趋势,行业总收入 年均复合增长率为 9.33%;2019 年,受国际贸易影响,全球 CPU 行业 总收入略有下降;2020 年,因贸易摩擦缓解,加之数据中心、5G 商用、 智能汽车等需求的增加,全球 CPU 行业市场规模上升至 3612 亿美元, 同比增长 9.32%,市场重回稳步增长态势。


 

3. 国产化助力打破 CPU 行业垄断格局
3.1. 国产 CPU 起步较早,但发展历经坎坷

国产 CPU 起步较早,但发展历经坎坷,大致可概括为开始起步、发展 受限、初具规模三大阶段。 国产 CPU 事业开始起步(1950-1970 年):1956 年,半导体科技被列为 国家新技术四大紧急措施之一。1965 年,我国自主设计研发了与国际水 平相差不大的晶体管 109 机,又于 1968 年研发了小规模集成电路 106 机。 国产 CPU 事业发展受限(1971-1990 年):70 年代以后,超大规模集成 电路快速发展,以 Intel 4004 为标志的真正意义上的微处理器面世,CPU 正式进入商用时代。此后按照摩尔定律持续快速演进,Intel 也由此开始 统治全球桌面和高性能计算市场。但当时的国内受限于经济条件、国际 技术封锁等原因,虽然研制出了基于大规模集成电路的第三代计算机系 统——专用 77 型微机,但丧失了第四代计算机系统(基于超大规模集 成电路)的研究能力。从“七五”开始,一直到“九五”,国家对国产 CPU 的支持力度明显下降,主要科研支持计划都未将其列入。上世纪 90 年 代,国内大量处理器研究单位关闭,人员大批流失,大学也很少设置硬 件专业,计算机公司变成组装厂,CPU 设计能力基本丧失。

国产 CPU 事业初具规模(1991 年至今):随着国内信息化与电子硬件制 造业的快速发展,“缺芯”的问题再次受到国家高度重视。从“十五”开 始,国产 CPU 自主性的问题再度提上议程,产业政策不断加码。在核高 基、泰山计划、863 计划等的大力支持下, 国产 CPU 奋力追赶,以鲲 鹏、海光、龙芯、飞腾、兆芯、申威等为代表的厂商全力打造出“中国 芯”。时至今日,国内终于培育出了一批国产 CPU 设计单位和研究机构, 发展逐渐走向正轨。 中美关系走向影响国产 CPU事业的发展进程。CPU行业的发展和国防需求、国际关系息息相关。半导体起源于美国国防工业,从 50 年代年至 今,CPU 等电子组件在国防和武器系统中无处不在。1978 年中美关系正 常化,此时国家对于 CPU 在国防建设中的重视程度有所下降,国产 CPU 事业陷入停滞。而 20 世纪 90 年代后,中美竞争全面展开,CPU 事业又 重新受到了国家的高度重视。由此可见,中美关系紧张、对国防需求的 迫切度提高,会加速我国自主芯片的发展进程。

3.2. 国产 CPU 紧跟全球发展进程,择优引进和自主研发并进

国产 CPU 架构各异,三大路线各有所长,择优引进和自主研发并进。 国产 CPU 主要采用 X86 架构、ARM 架构、MIPS 架构和 Alpha 架构, 不同架构下厂商的自主化程度也有所区别。采用 X86 架构的代表厂商有 兆芯和海光,使用 IP 内核授权方式,基于指令集进行 SOC 集成设计, 自主化程度偏低,。采用 ARM 架构的代表厂商有飞腾和华为,使用 ARM 指令集授权方式,基于指令集授权自主设计 CPU,自主化程度较高。采 用 MIPS 架构和 Alpha 架构的代表厂商有龙芯和申威,自研指令集自主 设计,自主化程度极高。

3.3. 国内 CPU 市场呈现多点开花局面,国产化道路曲折而光明

国产 CPU目前呈现三大阵营,主要包括自主架构阵营、x86阵营和ARM 阵营。其中,自主架构主要包括龙芯与申威;x86 阵营包括上海兆芯和 天津海光(中科曙光参股)ARM 阵营包括飞腾(中国长城拟参股)和华 芯通。


 

多点开花但各阵营力量单薄,自主可控的发展道路仍然漫长。虽然中国 在 CPU 发展上已经实现多点开花,并初步建立了自主可控的软硬件生 态,但与国外巨头相比,各个阵营的力量仍然比较单薄。X86 阵营下, 以海光信息为例,虽然得到 AMD 的授权和支持,其 CPU 在综合性能上 比较领先,但由于其成立时间较短,产品的稳定性有待市场检验,这需 要较长时间的大规模应用来验证。更为重要的是,国内团队对于 AMD 先进 CPU 的消化、吸收再创新需要多年时间,并且未来能否实现可持续 的技术创新,能否自主扩展指令集存在一定的不确定性。ARM 阵营下, ARM 架构服务器虽然有低功耗、并发优势,但 ARM 单核性能相对于 x86 较弱。值得一提的是,ARM 服务器的重要推动者高通计划放弃在这 个领域的进一步投入,因此 ARM 服务器的前景有待进一步观察。自主 架构阵营下,龙芯和申威虽然已经初步建立软硬件生态,但在实力上仍 然弱小,无法与国外成熟的 Wintel 生态相抗衡,需要政策的持续支持。 集成电路市场需求不断扩张,CPU行业将保持快速增长趋势。我国集成 电路行业持续高速发展,2013 年到 2020 年的复合年均增长率为 19.73%,复合增长率是全球增速的近三倍,持续保持高速增长趋势。2020 年总销售额高达 8848 亿元,同比增长 17.01%。受益于人工智能、大数 据、5G 等技术的发展,预计我国集成电路中的 CPU 行业将在未来继续 保持快速增长趋势。

3.4. CPU 战略地位显著,国产化势在必行

俄乌冲突外溢多重危机,国家大安全战略下,仍将维持对国产 CPU的 强支持。俄乌冲突爆发后,越来越多的迹象显示现代战争已经不仅限于 热战,更像是一场信息科技战争。对比 1991 年海湾战争中的信息化、数 字化形态,眼下的俄乌冲突更体现了现代战争的智能化、算力化形态。 俄乌冲突表明,战争打响后 CPU 生产等高技术企业瞬间就会变成攻城 掠地的马前卒,杀伤力不亚于精确制导武器。突破国外技术垄断,实现 自主可控,不仅仅局限于技术和商业层面。面对残酷的现代化战争,全 球不确定性和风险加剧,保卫国家安全离不开国产 CPU 的建设。

中美两国科技博弈加剧,自主可控的需求长期不变,科技强国的道理永 不过时。自特朗普时代开始,美国便有计划地在 CPU 领域恶意打压中 国。美国商务部颁布禁令,不仅禁止向中国出口使用美国设备制造的高 端芯片,还将部分中国企业列入黑名单,不许其获取美国某些半导体技 术。面对美国不断升级的制裁手段,中国需持续加速国产替代进程,予 以国产 CPU 企业更强有力的政策、资金、人才支持,相信国产 CPU 经 过此次淬炼必将迎来突破性新生。 美国芯片出口管制新规全面打击信创 CPU流片。2020年10月的美国芯 片出口管制新规增加三个外国直接产品规则,范围内的所有实体及产品 几乎受到“0%含美量”制裁,与此前华为待遇类似。28 家实体清单企业 无法进口含美技术的芯片成品,无法在含美产线进行流片;性能可以达 到英伟达 A100 及以上的含美技术的芯片成品均无法进口,且中国企业 设计的性能可以达到相关标准的芯片产品也无法在含美技术产线流片; 最终用途为中国超算的含美技术的整机、芯片、组件等都禁止进口。2022 年 10 月 21 日为上述产品运输到中国最终用户的最后日期。此外,新规 还限制美国国籍人员参与中国涉及上述业务的工作,对我国芯片产业实 行全方位限制。

对于国产化厂商的影响较大。对于六大信创 CPU 厂商,首先鲲鹏、海 光、飞腾、申威为实体清单企业,无法使用美国技术和产品进行流片; 其次,六家厂商目前正在销售的主力芯片制程都在 16nm 及以下(飞腾 16nm/7nm、申威 16nm、兆芯 16/7nm、景嘉微 14nm、海光 14/7nm、龙 芯 14/12nm、鲲鹏 7nm),因而美国此次新品出口管制新规对信创芯片实 现了全面打击。

美国芯片出口管制新规短期影响可控,短期依靠备货,中长期需要去A 化产线快速成长。美国芯片出口管制新规的目的是彻底封杀中国的超算 行业,AI 计算只能采用相对低端的芯片,通用计算领域使中国芯片厂商 限制在成熟制程内发展,先进制程芯片成品只能进口,使中国企业的自 主芯片与美国芯片出现代差。短期应对措施可提前备货,参考华为,提 前的备货应可以支持至少 2 年维度的芯片供应。2020 年 5 月,华为被突 然实施 0%含美量制裁,至今华为 7nm 制程的鲲鹏芯片仍在持续供货。 中长期需要去 A 化产线快速成长。28nm 芯片供货后将优先满足芯片消 耗量较大的信创 PC CPU 的使用需求。未来有可能通过 Chiplet 等先进封 装技术,实现类似于 14nm 芯片的性能表现,从而满足服务器芯片的使 用需求。同时非去 A 化的 14nm 产线乐观情况下也有机会在未来较快跑 通。

4. 国产 CPU 六大主流厂商发展模式各异
4.1. 海光:国产 X86 CPU 的领航者

海光信息是一家从事高端处理器、加速器等计算芯片产品和系统研发的 公司,是国产 X86 CPU 领航者。公司发展经历了四大里程碑:2014 年, 海光有限公司成立;2016 年,公司与 AMD 合资成立海光集成、海光微 电子两家子公司,并获得高端处理器的技术授权;2020 年,公司变更为 股份有限公司,中科曙光成为公司第一大股东;2022 年,公司于科创板 上市。


 

公司股权结构合理,聚集了各方优势。中科院体系、地方国资等资源优 势在股权结构中得以发挥。公司不存在单一股东及其一致行动人通过实 际支配公司股份表决权能够决定公司董事会半数以上成员选任或足以 对股东大会的决议产生重大影响,公司无控股股东、无实际控制人。

公司营收持续高增,盈利能力提升显著。2016-2021 年海光信息收入复 合增速 257%,2021 年收入规模达到 23.1 亿元,同比增长 126%。2021 年归母净利润转正,达到 3. 27 亿元。公司 2022 年 Q3 营收 12.90 亿元, 同比增长 63.60%,归母净利润 1.76 亿元,同比增长 6.06%,扣非归母净 利润 1.68 亿元,同比增长 12.77%。公司 2022 年 Q3 营收高增主要源于 公司加大市场开发力度,产品线进一步丰富,服务器厂商对国产高端处 理器的需求持续增加。

公司持续加大研发投入。公司秉承“销售一代、验证一代、研发一代” 的产品研发策略,已经建立完善的高端处理器的研发环境和流程,产品 性能逐代提升,功能不断丰富。 2022 年 Q3 公司研发费用为 3.34亿元,营收占比达 25.87%。 公司产品种类多样,核心竞争力强。公司主要产品包括海光通用处理器 (CPU)和海光协处理器(DCU)。海光 CPU 系列产品海光一号、海光 二号已经实现商业化应用,海光三号完成实验室验证,海光四号处于研 发阶段;海光 DCU 系列产品深算一号已经实现商业化应用,深算二号 处于研发阶段。公司产品核心优势在于,海光 CPU 系列产品兼容 X86 指令集以及国际上主流操作系统和应用软件。产品性能优异,软硬件生 态丰富,安全可靠,得到了国内用户的高度认可,已经广泛应用于电信、 金融、互联网、教育、交通等重要行业或领域。

4.2. 兆芯:合资 CPU 的探路者

上海兆芯是一家专注于研发自主可控 x86处理器的厂商,是合资 CPU 的探路者。公司于 2013 年由台湾威盛与隶属于上海市国资委的上海联 和投资公司所合资成立,威盛持股 20%,上海国资委持股 80%。威盛与 Intel 交叉授权协议,拥有设计、生产 X86 芯片权利。兆芯专注 x86 处理 器研发,技术授权来自威盛。2020 年 10 月 26 日,威盛作价 2.57 亿美元 将部分 X86 技术出售给兆芯,兆芯拥有了部分 X86 技术产权。


 

公司坚持自主创新与兼容主流的发展路线。兆芯同时掌握中央处理器、 图形处理器、芯片组三大核心技术,具备相关 IP 自主设计研发的能力。 兆芯凭借成熟的软硬件生态,为用户提供性能卓越、兼容性优异且安全 可靠的通用处理器和芯片组等产品,推动信息产业的整体发展。

公司研发卓有成效,多款产品已实现量产。公司已成功研发并量产多款 通用处理器产品,并形成“开先”PC 处理器和“开胜”服务器处理器两 大产品系列。兆芯产品性能持续提升并达到行业主流同等水平,产业化 成果突出。其生态体系成熟,支持构建台式机、笔记本、一体机、云终 端等多种类型的桌面整机,以及服务器、存储等产品。此外,在嵌入式 领域也已经有不同规格基于兆芯通用处理器的工业主板、模块化电脑、 工业整机、Box PC、工业级服务器、网络安全平台等产品推出。

4.3. 鲲鹏:垂直生态的领导者

鲲鹏是华为在芯片领域布局的重要一环,是垂直生态的领导者。鲲鹏芯 片诞生于 2020 年,主要聚焦通用计算领域。华为针对不同的计算场景, 自研打造了一系列芯片矩阵,除了主要应用在服务器领域的鲲鹏,还包 括手机 SoC 芯片麒麟、人工智能芯片昇腾、5G 基站芯片天罡、5G 终端芯 片巴龙,以及凌霄、NB IoT 等一系列其他专用芯片。在一系列芯片矩阵 中,华为致力于围绕“鲲鹏+昇腾”双引擎形成两大计算产业,其中鲲鹏 计算产业是基于鲲鹏处理器的基础软硬件设施、行业应用及服务,涵盖 从底层硬件、基础软件到上层行业应用的全产业链条,可为下游各大行 业应用提供全面、完整、一体化信息化解决方案。

鲲鹏计算产业拥有完备的技术和商业基础。鲲鹏满足高性能、低功耗、 低延时的绿色计算要求,有巨大的市场空间, 同时又有中国电子技术标 准化研究院、Arm 中国、华为等行业翘楚支持。发展鲲鹏计算产业已经 具备了技术和商业基础。鲲鹏计算产业是基于 Kunpeng 处理器构建的全 栈 IT 基础设施、行业应用及服务,包括 PC、服务器、存储、操作系统、 中间件、虚拟化、数据库、云服务、行业应用以及咨询管理服务等。


 

鲲鹏计算产业计划分三个阶段实现。开放、共享的生态体系是鲲鹏计算 产业成功的基础,要构建全行业、全场景鲲鹏计算产业体系,完成鲲鹏 计算产业从关键行业试点到全行业、全场景产业链建设目标,分为三个 阶段来实现:试点阶段、推广阶段、深化阶段。试点阶段重点打造标杆 行业典型场景,推广阶段注重行业拓展和数字化业务创新的发展机会, 深化阶段打通全行业全场景,最终实现鲲鹏处理器完整生态结构的构建。

鲲鹏产品优势明显,远超行业平均水平。华为 2019 年 1 月对外发布鲲 鹏 920 处理器,是业界最高性能 ARM-based 处理器,采用国产芯片唯 一、先进的 7nm 工艺,集成 64 个核心。鲲鹏 920 实现 ARM 架构 业界性能最强,集成四大结构包括网络、存储、主控芯片和 CPU 于单 一封装中。在 SPECint 基准测试中,鲲鹏服务器测试得分超过 930,超 行业基准 25%,同时电力效率高同业 30%,实现更强性能的同时降低功 耗。鲲鹏产品 920 对标 XEON8180, 且在海量存储场景优势明显。在 SPEC 测试中,48 核的鲲鹏 920 与 IntelXEON8180 的性能相当,而 64 核的测试性能要优于 XEON8180。且 48 核的鲲鹏功耗为 150W 低于 XEON8180 的 205W。此外,进一步对比内存等指标和集成网卡等特点, 鲲鹏 920 在海量存储的应用场景中更有优势。

4.4. 飞腾:PK 生态的主导者

飞腾信息技术有限公司是国内领先的自主核心芯片提供商,是PK生态 的主导者。公司由中国电子信息产业集团、天津市滨海新区政府和天津 先进技术研究院于 2014 年联合支持成立。中国电子旗下两大子公司,中 国软件(麒麟操作系统)+中国长城(飞腾芯片),组成国产基础软硬件 PK 体系(对标 Win-tel),飞腾芯片扛旗 PK 体系 CPU。中国长城为飞 腾的第一大股东(持股 28%),天津滨海新区金投集团持股 25%。 近年来营利双升,信创高景气助力公司更上层楼。2021年,飞腾实现营 收 22.18 亿元,同比增长 74%;净利润 6.53 亿元,同比增长 91%。净利 率为 29%,同比增加 2%。2022 年 H1, 飞腾实现营业收入 11.85 亿元, 净利润 2. 51 亿元。ARM 是中国国产 CPU 未来发展重要方向,飞腾在 党政市场市占率较高,获得党政客户广泛认可,在 2022 年下半年招标有 望加速背景下,预计飞腾全年有望保持较快增长。


 

公司产品对标国际水准,提供自主先进的国产化解决方案。飞腾系列国 产高性能、低功耗通用计算微处理器的设计研发和产业化推广。飞腾联 合众多国产软硬件生态厂商,提供基于国际主流技术标准、中国自主先 进的全国产信息系统整体解决方案,支撑国家信息安全和重要工业安全。 飞腾芯片产品主要包括高性能服务器 CPU(飞腾腾云 S 系列)、高效能 桌面 CPU(飞腾腾锐 D 系列)、高端嵌入式 CPU(飞腾腾珑 E 系列) 和飞腾套片四大系列,在国内政务办公、云计算、大数据以及金融、能 源和轨道交通等行业信息系统领域已实现批量应用。

公司携手中兴通讯,助力智慧银行建设。公司与中兴通讯合作推出远程 智慧银行视频中台解决方案,是中兴通讯全渠道远程智慧银行解决方案 的子模块。采用完全开放的架构,使用飞腾 CPU 平台的服务器(基于飞 腾 FT-2000+/64 处理器平台机架式服务器 ZXCLOUD R5910 G1)、存储 和网络设备,银河麒麟操作系统,视频会议系统,云电脑应用,可快速 完成云上部署,提供服务。

4.5. 龙芯:自主可控程度最高的 CPU

龙芯中科是一家全面掌握处理器 IP 和指令系统、操作系统等核心技术 的公司,打造了自主可控程度最高的 CPU。公司成立于 2008 年,前身 出自中科院计算机所,2021 年开始市场化运作,2022 年 6 月在科创板 上市。公司经营主要采用 Fabless 模式:公司主要负责芯片的设计工作, 形成集成电路设计版图,将晶圆制造、封装、部分测试等环节委托给相 关制造企业及代工厂商加工完成。公司业务收入主要来自向客户销售处 理器及配套芯片与提供基础软硬件解决方案。北京天童芯源科技有限公 司和北京中科算源资产管理有限公司分别持有公司接近 20%的股份。 信创产业推进下公司业绩持续高增。公司 2018-2021 年收入复合增速 84%,归母净利润复合增速超 200%。公司 2021 年实现营业收入 12 亿 元(归母净利润 2.4 亿)。其中工控类芯片、信息化类芯片、解决方案分 别占比 24.61%、54.71%、20.68%。从业务占比变化看,2020 年开始信 息化类芯片实现大幅度增长,主要系 3A4000 系列产品性能成倍提升, 对虚拟化、安全机制等方面的支持加强,符合目前已进入快速增长阶段 的关键信息基础设施领域的应用需求。


 

龙芯产品均基于自研的 LoongArch 架构。区别于使用国外授权主流 X86 和 ARM 架构的公司,龙芯从建立之初强调“自主可控”,最新产 品 3A5000/3B5000 处理器是基于自研的 LoongArch 架构。公司目前已 经全面掌握 CPU 指令系统、处理器 IP 核、操作系统等计算机核心技 术,打造自主开放的软硬件生态和信息产业体系。龙芯中科芯片产品在 电子政务、能源、交通、金融、电信、教育等行业领域已获得广泛应用。

公司不断推出新产品,为多场景提供解决方案。2022 年 8 月 21 日,世 界传感器大会在郑州开幕。龙芯中科董事长胡伟武在大会开幕式发表主 旨演讲并发布龙芯 2K0500 及其解决方案。胡伟武在演讲中表示,基于 自主核心技术能力,龙芯成功打造 2K0500 芯片。该芯片是一款高集成 度处理器芯片,片内集成64位LA264处理器核(基于龙架构LoongArch), 可为工控互联网应用、打印终端、BMC 等提供多种解决方案。

4.6. 申威:特征领域的引领者

为解决在国防和网络信息安全无“芯”可用的困境,国家于2003年创建 国家高性能集成电路(上海)设计中心,负责对国产自主可控芯片进行 设计开发,并将芯片命名为“申威”。在国家 863 计划支持下,于 2006 年成功研制出第一代国产 64 位通用处理器——“申威 1”;在国家“核 高基”专项支持下,于 2010 年成功研发世界首款 16 核通用处理器SW1600, 该芯片成功应用于国内首台采用国产处理器的千万亿次计算机系统— —神威蓝光超级计算机系统。

神威·太湖超级计算机搭载了 40960 颗申威 26010 处理器。2016 年,搭 载 40960 颗申威 26010 处理器的神威·太湖超级计算机荣获世界性能榜 首,速度比第二名 “天河二号”快近 2 倍,效率提升 3 倍。2016 年, 成都申威科技有限责任公司成立,从事对申威处理器的产业化推广。

申威现已形成申威高性能计算处理器、服务器/桌面处理器、嵌入式处理 器三个系列的国产处理器产品线,以及申威国产 I/O套片产品线。多线 程处理器方面,公司产品为申威 26010,主要用于超算。单核处理器方 面,公司产品为申威 111,产品已达到国军标 B 级标准,可以面向军工、 工控等领域应用。多核处理器方面,公司具有 221、411、421/421M 等一 系列产品,满足桌面和服务器领域需求。

申威自主可控软件生态系统采用 Linux开源移植+自主研发相结合的方 式。和 Wintel 体系以及 X86-Linux 体系比较,申威软件生态系统在基础 软件和部分应用软件上都有对应的自主软件产品,有力地支撑了申威处 理器平台的产业化发展。

4.7. 主流 CPU 厂商横向对比情况

CPU是信创工程硬件生态的核心,国产 CPU企业在信创浪潮中大有可 为。CPU 作为信创底层硬件基础设施中的核心,提供最底层的计算能力, 是信创国产化替代过程中的重中之重,当前主流芯片架构为 ARM 和 X86, 均为国外主导(主要有 Intel、AMD) ,芯片国产化率较低,目前国内 CPU 企业有 6 家, 海思、龙芯、兆芯、飞腾、申威,各有优势和侧重点。

5. 国产 CPU 发展前景广阔
5.1. 国产 CPU 由数字经济新基建和信创双轮驱动

当前 CPU行业主要由数字经济新基建和信创两条主线驱动。1)数字经 济新基建:主要为超算中心、智算中心等建设过程中的增量采购;2)信 创:党政信创进入常态化模式,行业信创接棒爆发,对国产化率有明确 目标。整体而言,服务器行业进入更为市场化发展的阶段,除考虑自主 可控的强弱要求和股东背景外,性能、生态、性价比、功耗等均是相关 企业衡量的重要指标。 短期内,鲲鹏、海光、飞腾三家最有望受益于行业信创及新基建的爆发 节奏。客观来看,当下国产服务器 CPU 无论在性能还是生态方面都有较 大的进步空间,短期订单的爆发是前期“天时、地利、人和”的集中表 现,远期格局还存在不确定性;长维度看,各家均有弯道超车的机会, 仍然是资金投入、技术团队、迭代能力决定未来的企业核心竞争力。

5.2. 信创 CPU 的 PC 端和服务器端未来前景广阔

中性情况下,预计未来信创 PC 年出货量可达 1122 万台。因获取实际 PC 数量数据较为困难,我们假设一名工作人员配备一台电脑,以员工人 数近似替代 PC 存量数据。内网机以及军队、党政单位的 外网机替换强度都较大,重要行业中短期内替换强度相对较低,我们预 计未来保守/中性/乐观情况下每年信创 PC 出货量分别为 748/1122/1456 万台。

中性情况下,预计 2025年信创 PC及服务器出货量分别达到1000及100 万台。根据 IDC 数据,2020 年我国 PC 及服务器市场出货量分别为 4910 万台及 350 万台,IDC 预计至 2025 年我国 PC 及服务器出货量将分别达 到 6766 万台及 564 万台;2018H1 按照销售额计算,我国互联网、政府、 电信、金融分别占据中国 X86 服务器需求的 42%、16%、13%、7%,根 据 2018 年我国 X86 服务器 330 万出货量,保守测算政府部门 X86 服务 器年出货量达到 50 万台以上,金融+电信两大行业出货量合计可以达到 50 万台,除互联网以外的其他行业服务器年出货量合计 100 万台。我们 预计中性情况下,到 2025 年我国信创 PC 出货量将达到 1000 万台,信 创服务器出货量将达到 100 万台,信创化率分别为 14.78%及 17.82%。