2020处理器行业研究报告.pptx

,2020处理器行业研究报告,发展状况,发展展望,01,02,目录,发展机遇,主要企业,02,03,发展状况,01PART,发展规划,国产CPU研发起步较早但发展历经坎坷，随着国内信息化的加速以及电子信息制造业的快速发 展，“缺芯”的问题又再次受到国家重视。“十五”期间要不要、能不能开发国产CPU的争论开始 爆发，此后科技部将信息产业部启动了发展国产CPU的“泰山计划”。虽然该计划未能实现既定目 标，但为国产CPU的发展点燃了“星星之火”，这些火种演变成了现在国产CPU设计的三支国家队飞腾、申威和龙芯。除了“泰山计划”外，科技部也在通过“863计划”对国产CPU进行支持。从“十一五”开始， 国家通过核高基重大科技专项对国产CPU重点企业进行了扶持。“十二五”以来，国家通过集成电 路产业优惠政策、产业基金等措施扶持国产CPU产业，国内培育出了一批国产CPU设计单位和研究机 构，发展走向正轨。其中，传统的设计机构如龙芯、飞腾、申威、海思、紫光展锐等竞争力正在提升，君正、兆芯、 海光等新秀也在快速成长，科研机构包括中科院计算所、北大众志、国防科大、江南计算所、北京 大学、浙江大学等都在积极参与，形成了百花齐放的局面。,CPU发展到今天，其内部架构和逻辑关系已经变得错综复杂，设计企业如果从头开始进入，成功 难度很大。国内有部分完全自主架构，如北大众志完全自主开发的指令集产品UniCore，苏州国芯、杭 州中天、浙江大学共同设计的国产嵌入式CPUC-Core等。提到指令集架构，则要从计算机的发展史开始说起。早期的计算机系统，软件的编写都是直接面 向硬件系统的，即使是同一厂商的不同计算机产品，他们的软件和硬件都是不能通用的，软件和硬件 紧紧耦合在一起，不可分离。,CPU发展,目前，全球CPU指令集架构有两类复杂指令集（X86）和精简指令集（以ARM、MIPS、POWER等为代表），这两类架构竞争十分激烈。上世纪90年代，复杂指令集和精简指令集阵营展开了激烈厮杀。复杂指令集一方，英 特尔凭借着与微软的事实上的结盟（Wintel体系），同时也在新的微内核中融合了一些精简指令集的技术优势， 在中低档服务器、PC、笔记本等主流领域占据了绝大多数份额；精简指令集一方，虽然指令集本身有优势，但是 群龙无首且各自为战，最终被Wintel体系打败，且挤压到嵌入式市场，后来在智能手机兴起之后才觅得新的市场 空间。,CPU份额,复杂指令集和精简指令集架构在国内均有授权或者技术合作。X86授权的有兆芯、海光，兆芯是通过威盛获得的X86授权，海光则是中科曙光和AMD合作的产物。精简指令集授权的有龙芯（MIPS）、飞腾（兼容ARMV8架构）、申威（Alpha）、海思（ARM）等。可以看到，ARM架构在国内市场上的影响力较大。,指令集对比,CPU架构,目前，CPU授权主流的方式有三种：架构授权、软核授权和硬核授权，对于使用授权的企业来说，CPU的完成度依次上升，设计难度依次下降，但自主程度也在降低。（1）架构授权。该级别授权允许被授权方研发芯片，兼容授权方发展出来的指令集架构，主要好处在于 可以分享授权方建立起来的软件生态红利。（2）软核授权。软核通常是用HDL文本形式提交给用户，它经过RTL级设计优化和功能验证，但其中不 含有任何具体的物理信息。（3）硬核授权。硬核是基于半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并已经过工艺验证，具有可保证的性能,。,CPU授权,发展机遇,02PART,国产CPU在高性能计算、桌面、移动及嵌入式领域均实现较快发展，。在2006年启动的核高基专项，以及后续大基金持续支持下，政府和企业均在发力，无论是大CPU（高性能计算、服务器）、还是中CPU（桌面级）以及小CPU（移动和嵌入式）都取得了较大进展，已有的产品通过不断的优化升级，实 现了从“可用”到“好用”，一些量大面广的领域，也实现了“零”的突破。高性能计算方面，国内天津飞腾、海光、申威等处理器产品已经在E级（每秒百亿亿次）超算原型机上得到应用，申威的处理器、加速器均实现了完全国产化。桌面处理器方面，飞腾、龙芯、兆芯等均有产品推出，且近年来产品性能提升明显。飞腾传统的桌 面产品是FT1500/4A产品，工作主频在1.5GHz-2.0GHz之间，最大功耗15W，主频相当于奔腾4的早期 产品，但同主流酷睿处理器差距较大，民用市场竞争力相对较弱。,国内CPU情况,国内移动CPU设计能力快速成长，已经处于全球领先地位。相比传统的PC和服务器市场，我国移动芯片同国际差距已并不明显，华为海思和台湾联发科在移动处理器设计领域都处在全球领先地位。2019年9月，华为海思发布麒麟990和麒麟9905G产品，这两款芯片使用台积电二代的7nm工艺制造， 整体性能较前一代产品麒麟980提升10%左右。从公开的跑分数据来看，麒麟990多线程跑分均高 于高通最新推出的骁龙855和骁龙855+，单线程高于骁龙855，略低于骁龙855+。,主流芯片对比,恰恰在国内市场上，处理器采用的指令集可谓是五花八门，但市场销售量都不大，每款产品出货量很低， 这就给操作系统、中间件、数据库以及应用软件企业造成非常大的困扰，无所适从，操作系统、软件企业与 处理器芯片适配积极性不是很高，因此很多还是在依托国家研发专项在推动，还没能形成内生的配套机制。,芯片生态处理器产品除了自身技术因素外，更多依托的是生态。所谓生态，就是产业链条上的企业形成的一种紧 密的分工协作关系，类似于准同盟。生态的作用在CPU市场上表现的十分突出，在典型的CPU生态结构中，一 般需要一个或者两个核心企业，引领整个行业发展。而一般的软件企业只会对一两种微结构进行编译，如果 一种指令集在市场生态上处于弱势，软件企业就不愿意选择该指令集进行优化，这种指令集也很难获得市场 成功。,但近两年来，国内企业也在通过各种途径建设生态，已经取得了一定的效果。一方面，芯片和操作系统厂商联合打造的生态“雏形”已经显现。参考Wintel和ARM-Android模式，电子信息央企中国电子开始加强对“PK体系”的建设，目前该体系已经 推进到2.0版本。P、K分别是天津飞腾（Phytium）和银河麒麟（Kylin）的英文名称首字母， 银河麒麟是我国重要的自主操作系统研发厂商，长期与飞腾芯片进行优化适配。另一方面，国家也在加快推动基于国产CPU的整机品牌在党政军、重点行业的应用，通过 应用带动生态建设。目前，相关项目推动顺利，服务器、笔记本、台式机、移动及嵌入式 终端、外设企业多数都在参与国产CPU的适配工作，基于国产CPU的操作系统、通用软件及 应用软件的开发推广工作都在有序进行，国产化软硬件平台体系建设逐步完善。从目前生态建设效果来看，链条越短的领域，生态建设的越完善。在整个计算机产业链中， 高新性能计算和服务器是产业链最短的，涉及的软件应用最少，正因为如此，国内整机、 外设企业分布较为密集，每家国产CPU设计企业周围都有大量的厂商集聚。相反，台式机 和笔记本市场由于对通用、应用软件要求较高，目前的整机种类相对少一些，但是主流的 整机制造厂还均有产品推出。,芯片生态,芯片厂商,芯片生态,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。据国家统计局数据统计，2018年国内智能手机产量高达13.69亿台，计算机整机产量也达到3.2亿台。国内CPU绝大多数都是进口或者采购国外企业在华产品。移动CPU除了华为能够通过海思自给之外， 其余都需要从国外或台资企业（如高通、联发科等）采购；桌面CPU则更是严重依赖X86架构，台式机、 笔记本CPU主要为英特尔、AMD占领；服务器市场则主要为英特尔垄断。2019年前7个月，我国芯片累 计进口额为1645.71亿美元，继续超过原油居国内进口产品首位。其中，处理器及控制器芯片（主要为CPU）进口额749.71亿美元，占到芯片进口额的46%。,CPU市场,美国企业（英特尔、AMD、高通等）是我国CPU产品的主要供应商，其中直接从美国本土进口的CPU芯片体 量也比较大。2019年前7个月，我国累计从美国进口处理器64.87亿元，占到我国从美国芯片进口额的84%，占比 非常之高。除美国外，重点材料、元器件供应国日本和韩国，也开始将关键产品禁运作为政治筹码，相互倾轧，断供问题至今尚未完全解决，曾经国内甚嚣尘上的可以完全依靠“国际供应链”的神话被彻底打破。我国作为电 子信息终端制造大国，一旦其他国家在CPU这种关键器件上卡脖子，我国却缺乏有效的应对和准备，将会对整个 电子信息行业甚至是国民经济社会发展产生极具破坏性的影响。,芯片进口情况,党中央、国务院以及地方政府对该领域的 支持力度逐步加大，政策日趋完善，为产业后 续实现跨越式发展创造了良好的外部环境。尤 其是未来中美在科技领域竞争加剧的大背景下， 国内对国产CPU的支持力度还会保持在高强度。（1）对CPU相关的元硬件研发引导、资金支 持以及财税优惠政策有所倾斜；（2）支持企业通过兼并重组、国际合作等方式做大做强，提高国产化替代能力；（3）加强应用端扶持，推动国产化采购工作，将基于国产芯片的整机产品列入政府采 购清单，鼓励软件、周边设备对国产CPU进 行优化和适配；（4）加强人才培养，2019年10月工信部发布消息称，将与教育部合作加强集成电路人 才队伍建设，将集成电路设置为一级学科， 这将引导更多的高校、科研院所教师参与到 集成电路研究当中，相应的研究生和本科生 集成电路人才培养也会起来。,CPU相关政策,国内党政军、重点行业市场空间广阔，未来国产CPU进口替代潜力巨大。国内仍将长期是全球最大的CPU消费市 场。从主要下游行业来看：首先，智能手 机将面临着大量的换机需求，针对5G场景 和应用的CPU处理器也将得到较快推广。 目前，国内5G手机已经进入预热状态，市 场普遍预计到2020年年底，国内5G手机有 望进入实质性增长阶段。据中国信通院数 据显示，2019年10月份，国内市场5G手机 销量达到78.7万部。目前飞腾、兆芯、海光等产品在金融、电力等市场都有公开的应用案例。,芯片案例,发展展望,03PART,未来国产CPU在传统领域存在追赶机会，首先，国内关于CPU的知识储备趋于完善。主要设计 企业无论是通过自研还是国际合作，都已经在架构方面积累了较为丰富的经验，包括架构的升级、 内核的设计等，已形成了较多的参考案例，有望在现有平台上实现跃升。其次，国内技术人才的积累也在日趋丰富。随着国内芯片设计市场的不断扩大，已经在行业内 沉淀了一批技术人才，龙头设计企业如飞腾、龙芯、申威、海思等都具备了稳定的核心设计团队。 值得注意的是，教育部和科技部已经将集成电路列为一级学科，未来高校细分专业设置的空间将 更大，相关人才的培养也将加速。,芯片发展,随着人工智能、5G、边缘计算、区块链等技术的发展和成熟，将对传统计算需求形成巨大挑战，并创造出新的计算技术需求，国内CPU企业如能在此期间不断拓展产品谱系，将大有可为。同时，除了X86和国内广泛使用的ARM架构之外，开源架构未来也将成为重要选择，中小企业也可以利用其免费特点，摆脱Wintel和ARM-Android体系的历史包袱，实现换道超车。,芯片发展,目前，国际上主要的开源架 构为RISC-V、Open-RISC、SPARC等，其中RISC-V架构正在受到市场的认可，该架构篇幅简洁，指 令集模块化、指令集数量少，不 但能够实现向后兼容，还解决了 类似X86、ARM架构在升级过程 中出现的问题，没有历史包袱。 对于RISC-V生态，目前国内企业 如阿里，已经有所行动，全资收 购的中天微已经发布RISC-V第三 代指令系统架构处理器CK902， 平头哥也在2019年发布了全球性 能最强的RISC-V的MCU产品，具 备发展CPU的潜力。另外，华为 之前也表示，对RISC-V开发很有 兴趣，公司也是这个基金会的成 员。,RISC-V 架构,主要企业,04PART,主要国产CPU设计企业发展概况，目前，活跃在自主可控市场上的芯片设计企业，主要为天津飞腾、中科龙芯、成都申威和上海兆芯。天津飞腾是国内重要的自主芯片设计企业之一。公司由天津市滨海新区军民融合创新研究院、联合滨海新区、中国电子信息产业集团共同组建，三家股权分别为33.33%、31.67%和35%。其中天津市滨海新区军民融合创新研究院是由国防科技大学和滨海新区共同组建的科研事业单位。公司位于天津滨海高新技术产业开发区，在北京、长沙、 广州等地均设有子公司和分公司，其主要致力于国产高性能、低功耗集成电路芯片的设计与服务。,天津飞腾介绍,天津飞腾的产品是基于国防科技大学团队的研究成果发展起来的，谱系趋于丰富，产品性能国内 处于领先地位，且同英特尔的差距正在缩小。公司成立后陆续推出了多款国产高性能CPU，包括应用于 入门级服务器的FT-1500A/16、应用于桌面终端的FT-1500A/4、应用于高端服务器的FT-2000+/64、应用 于嵌入式工控的FT-2000A/2等产品，产品多项指标在各自对应的领域处于国内领先地位，部分产品指标 处于国际领先。2019年9月19日，天津飞腾发布了FT2000/4桌面产品，性能与英特尔i5的中档产品相当， 同时能耗优势十分明显。,天津飞腾产品,公司客户主要为重点国产化项目业主，包括“南风一号”工程的一二期，整机产品已经应用于河南、 山西、江苏、福建、海南等地试点。飞腾整机也被纳入保密专用机名录，并在湖南等地展开应用。天津飞 腾公司还与国内外主流的整机、芯片、系统软件和应用软件厂商建立了良好的战略合作关系，构建了完善的基于飞腾产品的生态系统。其中，公司研发的飞腾FT-1500A（包括4核、16核芯片）在市场上影响力较大，据其股东滨海新区军民融合创新研究院官网介绍，该款CPU已实现量产，2017年累计产量已达10万片，该产量在自主可控市场上还是非常有竞争力的。2018年，天津飞腾实现营业收入6369.26万元，同比增长95%； 公司盈利规模虽然较小（170万元），但增长潜力较大。,天津飞腾销售,公司拥有较强的研发能力，自主可控程度非常高。公司是国内为数不多的能够自研CPU内核的企业。飞腾CPU研发启动较早，团队从上世纪90年代开始建立，2006年之前推出了两代CPU产品，“十一五”推出第三代产品 并进入商用，2011年获得了ARMV8指令集架构永久授权。经过几年的努力和至少两代产品的迭代，飞腾最新自主 设计了FTC66x系列处理器核，其中FT-2000/64集成了该系列中FTC661处理器核。2019年，公司最新发布的FT2000/4A桌面处理器，集成了4个FTC663处理器核。FTC663内核相比前几代产品，架构设计和微结构实现更为先进，主频更高、功耗更低、安全可信程度更高,天津飞腾研发,产品生态优势较为明显。一方面，ARM架构本来在移动和嵌入式市场生态优势就十分明显，在服务器领域目前也 有华为等企业入围，未来整个产业整合、 协同的优势会逐步得到体现。另一方面， 中国电子全力打造的PK体系已经发布了 2.0版本，母公司中国长城作为中国电子 旗下主要的自主可控整机平台，未来将 集中精力发展“PK”体系。截至到2019年8月，天津飞腾已联合500余家软硬件合作伙伴，研制了6大类300余种整机产品，移植、优化了1000余种软件，基于国际主流技术标准、具 有中国特色的全国产飞腾生态体系基本 成形，为国家信息安全和重要工业安全 提供了有力支撑。,天津飞腾优势,中科院计算所从2001年开始研制 龙芯系列处理器，经过十多年的积累 与发展，于2010年由中国科学院和北 京市政府共同牵头出资，正式成立龙 芯中科技术有限公司（简称龙芯中科， 下同），旨在将龙芯处理器的研发成 果产业化。,龙芯中科介绍,龙芯系列处理器芯片是龙芯中科技术有限公司研发的具有自主知识产权的处理器芯片，产品以32 位和64位单核及多核CPU/SOC为主，主要面向国家安全、高端嵌入式、个人电脑、服务器和高性能机 等应用。产品线包括龙芯1号小CPU、龙芯2号中CPU和龙芯3号大CPU三个系列。,龙芯中科产品,近年来，龙芯中科在生态建设方面取得了积极的成果。一方面，龙芯中科发布了面向通用 领域的龙芯64位社区版操作系统以及面向嵌入式领域的实时操作系统平台，基于这个平台， 国内中标软件、普华软件、深度科技等也发布了最新的64位操作系统，深度科技、金山软件 也启动了龙芯版应用商店、龙芯版WPS，腾讯等即时通信软件也都针对龙芯平台开发了对应产 品，用户体验得到极大的改善。另一方面，龙芯中科发布了开发者计划，通过“一个开放社 区、一个应用公社、一个开发者大会”，共同构成开发者的生态根据地。,龙芯中科的合作伙伴正在增多，应用场景更为丰富。近年来，国内合作伙伴推出了一系列 基于龙芯方案的最新产品。中国航天科技、航天科工、船舶重工、中电科技、中科曙光、浪 潮集团、新华三集团、研祥智能、东华软件、中石油渤海钻探等单位，已经发布或者使用了 基于龙芯新一代处理器的全国产加固计算机、桌面、平板、服务器、一体机、交换机、防火 墙及专用解决方案等系列产品，龙芯的应用场景已经从党政军走向企业市场，用户接受程度 更高,龙芯中科优势,龙芯中科生态,（1）具备较强的研发能力。公司大股东中科算源是中科院计算所的孵化平台，中科院计算所 作为国内领先的CPU研发单位，在技术和科研人员方面提供了强大的支持。随着国家对“自主 可控”领域支持力度的加大，中科院对公司的支持力度也将加大。另外，经过近18年的发展，公司已经有着较为强大的人才积累和研发经验，未来在新品研发和现有产品升级都有较大优势。,（2）公司芯片“自主可控”程度高，未来进口替代可能性高。公司在2011获得了MIPS永久授 权，并通过自主研发具备了微内核的设计能力，目前公司所有CPU的芯片都是基于自主微内核， 是国内自主可控水平较高产品之一。,（3）公司在党政军和重点行业应用广泛，市场空间较大。虽然龙芯在单核性能上同国际主流 产品差距巨大，但是在国内嵌入式、桌面市场上拥有较强的优势，未来随着新产品的推出、生 态建设的进一步完善，具备较大的进口替代潜力。,龙芯中科优势,成都申威科技有限责任公司（以下简称成都申威），成立于2016年11月25日，公司总投资5 亿，注册资金1亿。公司依托国家信息安全发展战略，主要从事对申威处理器的产业化推广，核心业务包括申威处理器芯片内核、封装设计、技术支持服务及销售，小型超级计算机研发、测试、 销售、服务及核心部件生产，基于申威处理器的软件、中间件开发，嵌入式计算机系统定制化产 品服务，集成电路IP核等知识产权授权。,申威处理器是在国家核高基重大专项支持下，由上海高性能集成电路设计中心研制的全国 产处理器。申威的CPU属于Alpha指令集阵营，技术来源于美国DEC公司的Alpha21164。当初DEC的 技术非常强大，Alpha的性能更让人惊艳，AMD就曾在此基础上开发了自己的K7微结构。但是， 由于DEC在商业模式上的失败，以至于Alpha架构被几经转手，先被康柏收购，康柏后来再被惠普 收购后，Alpha架构就被束之高阁。Alpha指令集和微结构都已经不再更新，很多专利已经过期。 于是，无锡江南计算所购买了该架构的所有设计资料，发展成为后来的申威芯片。申威在Alpha21164基础上开发出自己的扩展指令、神威睿智编译器以及基于Linux的神威睿思操作系统。,申威介绍,从2006年到现在，申威在处理器研发上已经经历了16年。在2006年初，申威设计出具有自主 产权的微架构申威1，130nm制程单核，主频900MHz，集成5700万晶体管。2008年申威2同样是130nm，但是升级为双核主频1.4G。在申威1和2研发经验积累基础上，上海高性能集成电路设计中心在2010年推出了申威1600。申威1600就是申威的第三代产品，其核芯数达到16核，制程65nm，主频1.1G，双精浮点140G，并正式被神威蓝光采用。,申威产品,（1）公司已经具备了国内较大的CPU研发团队。成都申威背后的上海高性能集成电路设计中 心已经拥有领军人才、技术专家、科研骨干为核心的研发团队，人数超过400人，申威处理器 联盟已经建成，并在建立和不断完善申威软件生态和产业链。,（2）能力建设基本完善。硬实力方面，CPU完整设计和创新能力设计中心拥有了完善的服务 器、硬件仿真加速器和自主研制的FPGA验证平台，自主研发了超过200个软件工具，支持百 亿级晶体管规模的CPU设计。软实力方面，异构众核处理器架构创新工作加速，高性能计算CPU自主可控水平和能力不断在提升，CPU设计技术体系也得到了大幅的完善。,（3）公司在服务器、高性能计算领域优势明显。公司由于在并行计算领域的技术积累较为丰 厚，而且产品在顶级超算上得到应用和验证，未来随着国产化进程的推进，市场需求潜力较 大。,申威优势,上海兆芯集成电路有限公司（以下简称“兆芯”）是成立于2013年的国资控股公司，总部位于上海张 江，在北京、西安、武汉、深圳等地均设有研发中心和分支机构。兆芯是由上海国资委、威盛电子出资成 立，其中上海国资委占股80%，威盛电子占股20%。威盛电子成立于1987年，最初主要业务为芯片组，2000年收购了Cyrix和IDT，获得了X86授权，并进行了自主设计，从VIAEzra架构开始，就完全是由威盛电子自主设计的架构。威盛也成为英特尔、AMD之外，全球唯一一家拥有X86架构授权的公司。,兆芯介绍,兆芯成立之后，通过威盛获得了X86架构设计技术，在2014年公司完成开先ZX-C系列处理 器的自主研发工作，当年相关解决方案销售量超过1000套。2015年4月份，开先ZX-C处理器正 式量产，当年销售量累计超过10000套，基于ZX-C的联想整机产品正式推出。2017年，同年首 款支持双通道DDR4内存的国产通用CPU开先KX-5000系列处理器正式发布。2019年6月，开 先KX-6000/开胜KH-30000系列处理器正式发布，开先KX-6000/开胜KH-30000系列处理器是首款 主频达到3.0GHz的国产x86通用处理器。,兆芯产品性能在国产CPU中较好，且兼容X86生态，广泛应用于台式机、笔记本、一体机、 存储服务器、磁盘阵列、工控整机等多种形态产品的设计生产。采用兆芯通用CPU的多品牌台 式电脑、笔记本电脑均已量产并完全达到成熟产品标准，且兼容性出色，可极大程度避免用户 在迁移转换中的障碍。兆芯平台整机已在党政军办公、信息化等国家重点系统和工程中得到积 极推广和好评，2017年，兆芯x86解决方案订单总量就突破了100000套。2018年基于公司产品 的整机产品已经进入中央机关协议采购清单，市场空间广阔。,申威介绍,（1）核心技术优势。公司承接了“核高基”国家重大科技专项，负责其中的“安全可靠的桌面CPU” 课题，拥有CPU、GPU和芯片组三大核心芯片及相关IP的完全自主研发设计能力。公司已经完全掌握 最核心的设计研发技术，包括架构、实现、验证、IP及相关工具链的设计方法。,（2）良好的兼容性。公司处理器采用与英特尔相同的x86架构，能够与Windows操作系统和应用软 件很好的兼容性，生态明显优于其他自主可控芯片。,（3）较大的进口替代空间。公司产品性能已经接近英特尔主流产品，在党政军市场上有着较好的应用，未来仍有较大进口替代空间。,兆芯优势,