2020年CPU技术与产业白皮书.pdf

CPU 技术与产业白皮书 （2020 年） 中国软件评测中心 集成电路测评工程技术中心 2020 年 10 月序 言 习近平总书记指出，核心技术是国之重器，要下定决心、保 持恒心、找准重心，加速推动信息领域核心技术突破。芯片是电 子信息产业的基础和核心，关乎信息安全、产业安全、外汇安全， 更关乎国家安全，是当之无愧的“国之重器” 。在各种芯片中，量 大面广的处理器（CPU）芯片被公认为半导体皇冠上的明珠。 近几年，我国 CPU产业在下游应用推动和上游技术突破的双 重作用下，已经逐渐形成并不断发展壮大。目前正处于核心技术 不断突破、产业链供应链不断完善、产业向细分领域不断分化的 发展关键期。亟需科学分析我国当前 CPU 技术与产业发展现状， 正视发展过程中的核心问题并提出技术发展路线图及解决方案， 更好的指导和服务我国 CPU产业持续健康发展。 本白皮书由中国软件评测中心集成电路测评工程技术中心组 织撰写，参与人员包括高宏玲、翟腾、郭青帅等，在此特别感谢 中国电子信息产业发展研究院副院长黄子河、副总工程师安晖、 赛迪智库集成电路产业研究所王世江所长、中国软件评测中心总 工程师陈渌萍及国内 CPU生产企业和研究机构有关专家对本白皮 书的撰写指导，感谢的感谢品牌宣传推广部刘喜喜、闫晓丽的编 辑及排版支持，限于研究时间有限，报告内容难免存在纰漏，不 足之处恳请各方同仁批评指正！ 中国软件评测中心 高宏玲 2020年 10 月 12日版权声明 本白皮书版权属于中国软件评测中心， 并受法律保护， 转载、 摘编或利用其他方式使用本白皮书文字或观点的，应注明“来源： 中国软件评测中心”，违反上述说明的，本单位将追究其相关法律 责任。编写指导：黄子河 安 晖 王世江 陈渌萍 编写小组：高宏玲 翟 腾 郭青帅目 录 前 言 . - 1 - 一、 概念及 内涵 . - 2 - （一） CPU 基本概念 . - 2 - （二） 产品分类 . - 3 - 1. 基于指 令集 . - 3 - 2. 基于应用 领域 . - 5 - （三） 产业链供 应关系 . - 7 - 1. 产业链上游 . - 7 - 2. 产业链下游 . - 9 - 二、 发展趋 势分析 . - 10 - （一） 全球发展 历程 . - 10 - 1. 国外产品发展 历程 . - 10 - 2. 国内产品发展 历程 . - 13 - （二） 全球发展 现状 . - 15 - 1. 全球发展现状. - 15 - 2. 国内发展现状. - 17 - （三） 全球发展 趋势 . - 18 - 1. 产品发展趋势. - 18 - 2. 技术发展趋势. - 19 - 三、 关键环 节分析 . - 21 - （一） 核心技术 分析 . - 22 - 1. CPU 核心技术 . - 22 -2. 核心技术 掌握情况 . - 24 - （二） 供应链安 全分析 . - 26 - 1. 在供应链 中的位 置 . - 26 - 2. 供应链安 全分析 . - 26 - 3. 知识产权 环节分 析 . - 28 - 四、 目前面 临的主要问题 . - 29 - （一） 产业链关 键环节 受 制于人 . - 29 - （二） 关键标准 被国外 企 业主导 . - 29 - （三） 核心知识 产权被国外 垄 断 . - 30 - （四） 尚未形成 完善的应用 生 态 . - 31 - （五） 专业技 术型 人才 缺 口较大 . - 31 - 五、 发展路 径及对策建议 . - 32 - （一）全 力推进 核心 工艺技 术突破 . - 32 - （二）建 国内 CPU 产业应用 生态 . - 32 - （三）完 善我国 知 识产权战 略体系 . - 33 - （四）大 力扶持 CPU 新兴应用领 域 . - 34 - （五）加 强集成 电 路人才培 养力度 . - 34 - 1 - 前 言 CPU技术和产业白皮书是通过搜集和整理全球 CPU发展历史 和技术演进，分析国内外 CPU发展现状和趋势，对比分析国内外 CPU 核心技术和产业链实力后形成的总结性汇报材料，旨在通过 完整的技术和产业分析，建议和引导国内 CPU产业更好地发展。 本文一共包括五个章节，分别就 CPU基本概念做了详细的介 绍， 对全球发展历程、 现状和趋势进行了描述和分析， 并针对 CPU 产品的关键环节做了详细的说明和对比分析，最后就整个行业发 展中的突出问题及对策建议做了总结性的梳理和报告。 中国软件评测中心（工业和信息化部软件与集成电路促进中 心）是工业和信息化部的直属单位。长期服务和支撑国家部委、 地方政府以及电信和互联网、交通、能源、银行、证券、保险、 教育、 卫生、 广电、 航空等各大行业， 业务范围覆盖全国 31个省、 自治区、直辖市，业务网络覆盖全国 500 多个城市，构建了基于 第三方服务的科技产业链。 集成电路测评工程技术中心（简称“集成电路中心”）是中国 软件评测中心核心业务板块，集成电路中心以高端芯片检测业务 为基础，主要研究方向包括：基础检测能力建设和安全评估能力 建设两方面，支撑集成电路认证业务，对接集成电路设计制造和 系统应用领域，全方位服务集成电路产业发展。- 2 - 一、 概 念及内涵 （一） CPU 基本概念 CPU是中央处理器（Central Processing Unit）的简称，由采用 超大规模的集成电路组成制造，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/输出接口等模块。 图 1 CPU 基本架构图 图片来源：中国评测，2020年 10月 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 （Micro Processor） 是采用大规模集成电路实现的中央处理器 CPU- 3 - 形式上一般是一个芯片，或者芯片 SOC中的一个模块。微处理器 根据应用领域，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。 （二） 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 图片来源：中国评测，2020年 10月 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 件的接口规范。日常交流中有时也把指令集称为架构。CPU 按照- 4 - 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架构等。 （1）x86架构 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 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 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- 5 - 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 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、ARM，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 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。 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：通用微处理器- 6 - （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。 把 CPU 的主频一般低于 100MHz，通常率与规格做适当缩减，并 将内存、常用外设接口计数器、USB、A/D 转换、UART、PLC、 DMA 等周边接口，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。DSP 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- 7 - 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。 （三） 产业链供应关系 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 图片来源：中国评测，2020年 10月 （1）EDA辅助设计工具（Electronic design automation） EDA电子设计自动化工具（Electronic Design Automation）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- 8 - 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） 、 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- 9 - 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、 三星等公司垄断。 测试机台研发企业， 主要有 Advantest、 Hontec等。 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。以 2019年前 7个月为例，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。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。- 10 - 二、 发 展趋势 分析 （一） 全球发展历程 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。- 11 - 表 1 全球 CPU 产品发展历程 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。 这是第一个用于计 算器的 4 位微处理器 1978 年 Intel 公司再次领导潮 流，首次生产出 16 位的微处理器，并命名为 i8086，同时还生 产出 与之相配合 的数学协 处 理器 i8087，这 两种芯 片使用相互兼容的指令集，但在 i8087 指令集中增加了一些专门用 于对数 、指 数和 三角函 数等数 学计 算指 令。由 于这些 指令 集应 用于 i8086 和 i8087，所以人们也将这些指令集统一称之为 x86 指令集。 1979 年 Intel 公司推出了 8088 芯片， 它仍旧是属于 16 位微处理器。1981 年 8088 芯片首次用于 IBM PC 机中，开创了全 新的微机时代。也正是 从 8088 开始，PC （personal computer个人 电脑） 的概念开始在 全世界范围内发展起来 1982 年 Intel 推出了 划时代的最 新产品 80286 芯片，也就是俗称的 286。这 是 Intel 第一个可以运行 所有为其撰写的处理器， 在发布后的六年中， 全球一共交付了一千五百万台 1985 年 MIPS 推出了第一代使 用 MIPS 指令集的处理 器: R2000 标志着现代 RISC 处理器的诞生，并引领了接下来一段时间的 CPU 设计潮流； 同年，第一颗 ARM 处理器诞生。 1991 年 1991 年，ARM 推出第一款嵌入式 RISC 处理器，即 ARM6 。 第 二阶 段： 多媒 体 及个 人 应用 出现 1992 年 Intel 正式宣布第五代处 理器被命名 Pentium 。 Intel Pentium 处理器能 够让电脑更加轻松 地整 合 “ 真实世界” 中的数 据（如讲话、声 音、 笔迹和图片 ）。x86 在 微架构设计 上开始 超越 较之昂贵很 多 Alpha 处理器。 1996 年 Intel 推出了奔腾 MMX 。MMX 是 Intel 公司 在 1996 年位增强奔腾 CPU 在音箱、图形和通信应用方面而采取的新技术，为 CPU 增加 了 57 条 MMX 指令， 因此处理多媒体的能力上提高了 60% 左右。 后 来的 SSE ，3D NOW ！ 等指令集也是从 MMX 发展演变过来的。 1997 年 Intel 奔腾 II、奔 腾 III、奔 腾 4 相继发布， 从奔腾 II 开始采用了 Single- 12 - -2000 年 Edge Contact 匣型封装 ， 奔腾 III 加 入了 70 个 新指令， 首次导入 0.25 微米技术， 奔腾 4 晶体管数量更是达到 4200 万， 提供 SSE2 指令集。 第 三阶 段： 多元 化 发展 2001 年 Intel 至 强（Xeon ） 处理 器发布，Intel 至强处理器的应用目标是那些 即将出 现的 高性 能和中 端双路 工作 站、 以及双 路和多 路配 置的 服务 器。 2002 年 DEC 被惠普收购，Alpha 处理器基本退出市场竞争。 2003 年 IntelPentium M 处理器结合了 855 芯片组家族与 IntelPRO/Wireless2100 网络联机技术，成为 IntelCentrino 移动运算 技术的 重要 组成 部分， 该处理 器支 持更 耐久的 电池使 用时 间， 以及 更轻更薄的笔记本电脑造形。 2003 年 AMD 推出 AMD64 64 位 x86 指令集扩展， 该 指令集由于良好的兼 容性机生态，取代了 Intel 推出的 EPIC 指令集 ，成为后续市场主流 标准。 2004 年 Intel 公司推出代号为 Nocona 内核的 64 位至强 处理器， 是 Intel 迄今 为止推出的最成功的企业级 64 位服务器产品。同年，ARM 发布了 ARMv7 架构的 Cortex 系列处理器，同时推出 Cortex-M3 。 2005 年 IntelPentium D 是首颗 内含 2 个处理核心的处理器， 正式揭开 x86 处 理器多核心时代。 2006 年 酷睿 2 是 Intel 推出的新一代基于 Core 微架构的产品体系统称。酷 睿 2， 是一 个跨 平台的 构架体 系， 包括 服务器 版、桌 面版 、移 动版 三大领域。 其中， 服务 器版的开发代号为 Woodcrest ， 桌面版的开发 代号为 Conroe ，移动版的开发代号为 Merom 。 2007 年 第一代 IPhone 发布, 其采用的 ARM1176JZ(F)-S 处理器, 其后， AArch(32/64) 生态统治 了智能手机领域。 第 四阶 段： 多核 技 术出 现， 集成 化 更高 2010 年 Intel 正式面向全球发布 最新的革命性产品， 基于全新的 32 纳米制程 的 i7 、 i5 、 i3 处理器产 品。 同年， ARM 推出 Cortex-M4、成 立 Linaro ， 推出 Cortex-A15 MPcore 高性能处理器。 2011 年 ARM 发布了 64 位的 ARMv8 架构， 并于同年推出 big.LITTLE 处理- 13 - 第 四阶 段： 多核 技 术出 现， 集成 化 更高 技术， 优化了 ARM 系统级芯片(SoCs)的能效。 ARM 开始 64 位处理 器进程。 2015 年 ARM Cortex-A72 正式发布，定位高端市场。 2017 年 Intel 第七代酷睿处理 器 i7 、i5 、i3 发 布， 采用 了 14nm 的制作工艺。 2017 年 2 月 AMD 基于 Zen 架构的 Ryzen （ 锐龙）系列 CPU 处理器发布；6 月 发布基于 Zen 架构的第 一代 EPYC （枭龙） ， 重返数据中心 CPU 处 理器市场。 2018 年 Intel 第八代酷睿处理 器 i7 、i5 、i3 发布，同 时 i9 处理器首次亮相， i9 包含 8 个内核， 单核睿频频率高达 5.0GHz ， 主要面向游戏玩家和 高性能需求者。i9 处理器真正想要实现的，就是除了 PC 普通的任 务之外的 VR 内容或者是大数据的任务。 2018 年 4 月 AMD 第二代 Ryzen 系列 CPU 处理器发布。同年 8 月 AMD 宣布新 品将转由 TSMC 7nm 工艺制造。 2019 年 ARM 正式宣布了新一代移动 CPU 架构 Cortex-A77 ， ortex-A77 代号 “Deimos （戴莫斯，畏 惧之神），是 A76 的 直接继任者，新核心在 很大程度上前代产品保持一致， 在维持 A76 架构出色能效以及较小 核心面积的同时，进一步提升了性能。 2019 年 全新 Intel 酷睿 X 系列 处理器， 最多包含 18 个内核， 单核睿频频率 4.6Ghz ，旨在支 持需求 各不相同的高级 创作者 工作流程：照片 及视 频编辑、视觉效果、动态图形、游戏开发和 3D 动画。 2019 年 5 月 AMD 发布基于 TSMC 7nm 工艺、Zen 2 架构 的第三代 Ryzen 系列 CPU 处理器；8 月发布基于 TSMC 7nm 工艺、Zen 2 架构的第二代 EPYC 服务器 CPU。同 年 ，第二代 Intel 至强 可扩展处理器发布， 能 够满足用户 严苛的计 算 处理要求， 覆盖从智 能 边缘到云， 到 AI 和 5G 等各种应用环境。 数据来源：中国评测，2020年 10月 2. 国内产品发展 历程 国产 CPU在桌面、移动、高性能计算、及嵌入式领域均实现- 14 - 较快发展，在不断缩小与国外 CPU的技术差距。在发展的同时需 要大量的资金、 人员投入， 以及国家产业政策的持续支持。 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，无论是高性能计算、服务器级 CPU、还是桌面以及移 动和嵌入式 CPU，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。从整体上看，国产 CPU 芯片同国际差距扩大的态 势逐步在逆转。 表 2 国产 CPU 产品发展历程 阶段 时间 事件 起步 阶段 上世纪 50-70 年 代 1956 年，半导体科技被列为国家新技术四大紧急措施之一。此后， 中科院 计算 所、109 厂 、半导 体所 先后 成立 ， 锗晶体 管、 硅平 面晶 体管、集成电路等半导体器件相继实现突破，为 109 乙机、109 丙 机、156 机的诞生分别提供了基础。1975 年，伴随大规模集成电路 技术的兴起，我国第一台集成电路百万次计算机 013 机研制成功。 这一时期独立自主的产业发展为我国 CPU 事业打下了坚实基础。 转折 阶段 上世纪 80-90 年 代 1985 年， 中科院计算所、 半导体所有关研制大规模集成电路的单位 和 109 厂合并，成立中科院微电子中心。但这一时期，由于政策支 持力度有所减弱等原因，产业完全市场化但自主性不足。 提速 阶段 21 世纪 初至今 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。 泰山计划、 863 计划等催生了一批国产 CPU 品牌， 2002 年， 我国首款通用 CPU龙芯 1 号流片成功。 2006 年， “ 核高基” 重大 专项推出， “ 高” 即为高 端通用 CPU 。 2014 年， 我国发布 国家集成电路产业发展推动纲要 ， 国家集成电路产业投 资基金（简称国家大基金）第 1 期成立，主要投资集成电路制造企 业。2019 年，国家大基金第 2 期成立，主要投资应用端。 数据来源：中国评测，2020年 10月- 15 - （二） 全球发展现状 1. 全球发展现状 产业规模方面，据公开数据统计， 2019年全球 CPU 整体市场 规模约为 1800 亿美元，其中服务器 CPU 市场规模约为 450 亿美 元，桌面 CPU 市场规模约为 550 亿美元，移动终端 CPU 市场规 模约为 800亿美元。按照 Mercury Research 的数据分析，2019年 第四季度，全球 X86 CPU 市场中，Intel 占据 84.4%份额，AMD 占据 15.5%；细分市场中，服务器 CPU 中，Intel 占 95.5%，AMD 占 4.5%，桌面 CPU中，Intel 占 81.7%，AMD占 18.3%。 图 4 服务器 CPU 市场规模及结构分布（亿美元） 数据来源：中国评测，2020年 10月 在服务器市场，目前的 CPU架构包括 x86和 ARM。 x86为当 前服务器 CPU的主流架构，占据服务器市场的绝大多数份额，代 表性厂商为 Intel 和 AMD，国内厂商兆芯和海光也参与到了 x86 架构的国内化替代工作，目前主要定位于政务和行业应用等市场- 16 - 在 ARM阵营中，目前的代表厂商包括华为、飞腾、高通、亚马逊 等，在新基建政策的推动下，ARM架构有望发挥其在移动市场的 传统优势，借力端/云协同，抢占服务器市场更多份额。根据 IDC 统计， 全球服务器 CPU产品目前在线程、 工艺和主频上各有不同， 按照 1500 美元/片的平均单价以及 3000 万片/年的出货量测算， 2019年服务器 CPU 在全球市场规模约为 450亿美元， 国内市场服 务器出货量约占全球的 30%，市场规模大约为 135亿美元/年。从 需求端来看，云服务巨头和互联网厂商基于性价比考虑，主要采 用 Intel 和 AMD 的产品；国内政府、金融、电力等重点行业的国 内化需求较高，市场规模达到 297亿元。 在桌面 CPU市场，根据 IDC统计， 2019年全球 PC出货量总 计 2.6亿台，我国 PC市场销售量约为 5060万台左右，占全球 PC 市场的 19.6%，按照桌面 CPU平均单价 215美元来计算，2019年 国内桌面 CPU市场规模在 110 亿元。 在移动终端市场，移动端 CPU 约占全球 CPU 市场份额的 25-30%，预计在 2020年会有所下降。在市场大环境逐渐回暖的情 况下， 2019年全球移动终端 CPU市场规模约为 801亿美元，预计 在 2020年将会达到 917亿美元。 产品生态方面，在传统 PC市场，Intel 和微软构建的“Wintel” 体系一直牢不可破，Intel 引领者 CPU 的发展并领导着一批 PC 硬 件制造企业为其适配，微软及其合作伙伴在操作系统和应用软件 方面同 Intel 的 x86 体系芯片进行密切合作。微软的操作系统更新 后，往往会拉动一波新的 PC 更换大潮，进而带动对 CPU 的新需- 17 - 求。 在移动终端市场， 同样存在类似的生态体系， 即 Arm和 Android 的组合（业内称 AA 体系） ，该组合同样具备强大的影响力。Arm 占据了全球 95%的移动芯片授权市场，而 Android 在移动操作系 统市场上的份额也高达 85%。 制造工艺方面，2018 年，台积电、三星等全球领先晶圆制造 厂商陆续进入 7nm工艺制程节点。 苹果的 A12处理器和华为麒麟、 骁龙系列，采用台积电 7nm FinFET工艺。高通骁龙处理器和三星 处理器均采用三星的 7nm工艺。 2017 年 9月， Intel 正式宣布量产 10nm工艺制程产品，从鳍片间距、栅极间距、最小金属间距等关 键参数可以看出，Intel 的 10nm 工艺技术与台积电和三星的 7nm 工艺技术相当。台积电 5nm工艺的芯片已在 2019年年底量产，考 虑到 Intel 使用 7nm 工艺制程的产品预计在 2021 年才能量产，台 积电仍将在代工领域保持强大优势。 封装测试方面，随着最小沟道长度不断逼近物理极限，特征 尺寸微缩难度不断加大，目前封装测试行业界正尝试将制造工艺 与三维堆叠集成等先进封装技术结合形成中道工艺，从而提高晶 体管密度，延续摩尔定律。比如当前业内最关注的小芯片技术， 将一些预先生产好的，能实现特定功能的芯片裸片（die） ，通过先 进的集成技术集成封装在一起。 此举相当于将 SoC芯片化整为零， 将其功能分解以使用更适合的工艺来实现。因此，目前业内在着 重发展小芯片（chiplet）等先进封装技术。 2. 国内发展现状 国产 CPU目前在性能和商业生态上同国际巨头还存在一定差- 18 - 距。性能方面，桌面和服务器产品性能进一步提升，尤其是海光 和华为的服务器产品性能已接近国外中端产品水平，具备一定市 场竞争力， 但总体来看， 国内 CPU产品的单核性能仍是最大短板， 应用生态方面，对商业生态的要求较低，对安全和定制化要求较 高的重点行业市场成为国产 CPU的主要应用方向。 目前国产 CPU 在党政办公、重点行业等特定市场应用中已经实现了对国外部分 产品小规模的替代， 其中 2019-2020年桌面 CPU和服务器 CPU出 货量呈现连续上升趋势，国内市场规模保持高速增长。但在开放 市场中，服务器和桌面 CPU仍然没有突破性的进展，产品应用生 态尚不完善，市场份额基本被 Intel、AMD、IBM几家全部分完。 我国 CPU产品发展迅速，产品线种类繁多，市场应用初具规 模。目前已经初步建立了完整的软硬件生态，在操作系统、工具 链和硬件兼容等指标方面，国内企业均兼容统信 UOS、麒麟软件 等主流国产操作系统，硬件兼容性方面，目前产品基本兼容国内 外主流的内存、硬盘和显卡产品。目前，国产 CPU及配套软硬件 虽然与 Wintel 生态尚有一定差距，但已经在政府、国防、高性能 计算机、北斗导航、网络安全、工业控制等等领域得到了越来越 多的应用，形成了多个小型的软硬件生态。 （三） 全球发展趋势 1. 产品发展趋势 （1）ARM、RISC-V等处理器随需产生 在移动互联时代，高能效的 ARM 以功耗优势和精简指令集- 19 - 逐渐成为移动处理器的王者。ARM以其独特的高能效、多并发能 力逐渐成为 PC和数据中心的新宠。随着 ARM Native 应用和分布 式场景越来越多， ARM在数据中心为世界提供了另外一种的算力 选择。 随着 5G的推进， RISC-V在 IOT的优势越来越明显。 RISC-V 开源指令集的设计充分体现了其小型、快速、低功耗特点，在 IOT 应用中必然会有较大的发展。 （2）算力形态逐渐多样化 算力需求和数据量的爆发式增长，催生计算进入多样性时代， 一套通用计算架构很难满足不同的算力场景。高性能需要大量浮 点算力，图形处理需要大量的渲染计算，AI 兴起对算力的要求更 加高。为适应不同的场景需求，在通用 CPU算力的基础上，补充 了大量异构计算，如基于通用规则的 CPU、专用计算 DSP、基于 物理世界的 GPU、基于统计学的 AI 芯片、可编程的 FPGA 等相 互协作，满足各种场景的算力需求。 （3）产品集成度进一步提升 摩尔定律失效，功耗墙限制 CPU的频率的大幅提升，但是业 务对算力的需求是持续增长的。 CPU发展出越来越多的内核数量， 64核，128核甚至更多核数开始在数据中心出现。 2. 技术发展趋势 万物互联使得数据量激增，海量数据处理成为未来数据中心 的主要负载。数据中心处理器需要朝更高性能、更高能效、更低 成本、更加安全的方向发展。 （1）半导体制程工艺持续更新- 20 - 摩尔定律放缓，但摩尔定律并没有停滞。学术界和产业界仍 在通过各种手段延续摩尔定律。在 2019 年 10月 11 日东京主办的 年度研究结果介绍会上（ITF Japan 2019）， IMEC向大家展示了其 通过改进晶体管结构和材料，并且对工艺进行优化以呈现 1nm 节 点的技术路线图。 （2）多核同构技术实现更多核心集成 在过去的几十年，计算领域主要围绕提升主频和优化微架构 提升指令并行来提升性能, 但目前这两个方法都触碰到了天花板。 提升主频方面， 当主频突破 3GHz之后进入拐点， 继续提升主频， 功耗将会以主频的 3 次方快速提升, 产生大量的热超出了当前工 程极限，可靠性无法保障。在微架构创新上，芯片架构师通过多 发射，乱序执行，分支预测等手段来增加指令级并行,但随着指令 发并行的进一步提升，边际效应越来越低，性能提升需要的代价 越来越大，无以为继。 （3）先进封装技术进一步提升产品性能 随着集成的核越来越多，处理器硅片的面积也越来越大，甚 至可能超过 1 reticle的光罩极限。另外，单独一颗大面积的 die， 其良率会非常低，导致整芯片成本异常高。先进封装技术能够集 成多种制程工艺的计算引擎，实现类似于单芯片的性能，但其平 台范围远远超过单芯片集成的芯片尺寸限制。这些技术将大大提 高产品级性能和功效， 缩小面积， 同时对系统架构进行全面改造。 （4）内存带宽升级不断提高 CPU性能上限 JEDEC于 2016年就开始制定 DDR5 SDRAM规范了， 预计它- 21 - 将会在今年正式完成 DDR5 标准的制定。根据美光的公开介绍， 在同样的等效频率下，DDR5 内存能够提供更高的有效带宽，比 如同样处于 3200MT/s 下，DDR5-3200 的有效带宽比 DDR4-3200 的要高出 36%；其次是 DDR5 的等效频率能够去到更高，目前规 范定义可以达到 DDR5-6400，而在 DDR5-4800时，其有效带宽就 已经是 D