CPU深度研究（上）：国产6大CPU技术路线全对比

核心观点
服务器是政府、各个行业数字化转型及5G、云计算发展的关键设备，服务器CPU国产化成为我国产业界面临的紧迫任务。国产CPU厂商一般都是基于已有指令集架构进行芯片设计，并进行一些适应性修改。业界普遍认可，指令集授权+CPU自主研发是可行的自主可控方案，根据指令集授权情况和自主开发层次，各类国产CPU方案的自主可控程度有所不同。

目前国内已经有多家企业参与国产CPU研发，包括基于X86的海光、兆芯，基于ARM的华为鲲鹏、飞腾，基于MIPS的龙芯和基于Alpha的申威。不同国产CPU从性能、生态到自主可控等方面都有较大的差异性，能够满足我国不同层次的市场需求，在适合自己的市场都拥有较大的国产替代空间。
正文
CPU是计算机系统的核心和大脑，主要由控制器、运算器、存储器和连接总线构成。其中，控制器和运算器组成CPU的内核，内核从存储器中提取数据，根据控制器中的指令集将数据解码，通过运算器中的微架构（电路）进行运算得到结果，以某种格式将执行结果写入存储器。因此，内核的基础就是指令集（指令集架构）和微架构。

指令集是所有指令的集合，它规定了CPU可执行的所有操作微架构是完成这些指令操作的电路设计。相同的指令集可以有不同的微架构，如Intel 和AMD都是基于X86指令集但微架构不同。
指令集架构（ Instruction Set Architecture ），又称指令集或指令集体系，是计算机体系结构中与程序设计有关的部分，包含了基本数据类型，指令集，寄存器，寻址模式，存储体系，中断，异常处理以及外部 I/O 。指令集架构包含一系列的 opcode 即操作码（机器语言），以及由特定处理器执行的基本命令。简单地来说，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，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。

CPU 按指令集的架构区分，分为 CISC复杂指令集和 RISC精简指令集型两类。CISC 的设计者希望通过直接在硬件中构建复杂的指令从而使编程更方便、程序运行速度更快，其架构中每个指令可执行若干低端操作，诸如从存储器读取、存储、和计算操作，全部集于单一指令之中；与之相反， RISC 架构中只包含使用频率高的少量简单指令，并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言。
CISC阵营以 Intel、AMD的X86架构为代表，而RISC阵营则包括 ARM 、MIPS 、 Power PC 等架构。
1）从硬件角度来讲， CISC处理的是不等长指令集，而 RISC 执行的是等长精简指令集，在并行处理方面 RISC 明显优于CISC 。由于RISC执行的是精简指令集，相比CISC在硬件层面需要更少的晶体管，所以它的硬件制造工艺更简单且成本更低廉。RISC型CPU 与CISC的CPU在软件和硬件上都不兼容，这是由指令集的特性而决定的。
2）从性能角度来说， CISC 与 RISC 并无绝对的孰优孰劣之分。但在发展过程中， CISC 阵营的Intel 和 AMD在提升芯片性能上做出了持续的努力，芯片的功耗被放在了性能后的第二位；而 RISC 本身出现时间较CISC晚十年左右（ARM诞生于1985年， X86诞生于1978年），ARM 、 MIPS 在创始初期缺乏与Intel产品对抗的实力，专注于以低功耗为前提的高性能芯片。
RISC 阵营的Power PC架构最初是为个人计算机产品而设计，但其出现时已是 1992 年，此时 Intel 旗下的 80386和 80486 占据了大部分 PC 市场。次年， Intel 赫赫有名的奔腾系列发布并助力 Intel 占领了绝大部分 PC 市场，这是第五代基于 CISC 的X86 架构微处理器， Intel 将其命名为“ Pentium ”。在整个 1990 年代中期， PowerPC 处理器均达到或超过了最快的x86 CPU的基准测试成绩。但由于PowerPC面向Windows、OS/2 和Sun的客户都存在应用软件极度缺乏的问题，所以最终并未在 PC 市场溅起水花。但其后 Apple 因为 PowerPC 处理器的更高性能，在 Macintosh 个人电脑系列使用了 PowerPC 处理器。2005 年，出于发热量和能源消耗有关的考虑， Apple 宣布不再在其 Apple Macintosh 计算机中使用 PowerPC处理器，转而支持 Intel 生产的处理器。此后 PowerPC 开始往超高性能服务器方向发展。
3）CISC 与 RISC 已逐步走向融合，两方处理器互相借鉴互相优化 。例如，Intel 公司的 Pentium Pro 种内含三个能够把 x86 指令转换成 118 位定长的 RISC 风格微操作的译码器。

4）整体来看，在移动芯片领域， ARM 架构的芯片占据了 90% 以上的市场份额，在计算 CPU 市场上，英特尔 X86 处理器占据超过 90% 市场份额。MIPS和 Power 虽然已经不是主流，却也有部分厂商仍在使用。
5）国产CPU与X86产品尚存在差距主要体现在：1）专业人才是技术和水平的承载体，国内专业人才数量少、整体规模尚小；2 ）硬实力包括软硬件设计开发环境 EDA 等存在短板；3 ）软实力包括 CPU 的设计方法学、CPU 的设计流程与规范等存在差距。
由于指令集架构之间互不兼容，各自有一套生态系统，自主研发指令集的难度极大且没有实用价值。因此，国内国产CPU厂商一般都是基于已有指令集架构进行芯片设计，同时也会对指令集进行一些适应性修改。业界普遍认可，指令集授权+CPU自主研发是可行的自主可控方案，根据指令集授权情况和自主开发层次，各类国产CPU方案的自主可控程度有所不同。

x86架构在服务器CPU占绝对垄断地位，全球服务器CPU市场中90%以上均为x86架构。其中，美国Intel公司市场份额高达95.5%，AMD公司市场份额4%，其他厂商份额不到0.1%。2019年中国服务器出货量318.6万台，其中x86服务器有317.8万台。x86架构在服务器领域所构成的Wintel生态非常完善，是对其他挑战者最大的竞争门槛。同时，x86架构专利授权非常严格，专利交叉授权仅存在于Intel和AMD两家公司，除了少数特殊情况，基本不对外授权。
ARM架构则主要用于移动平台，全球智能手机芯片基本都是基于ARM架构设计，包括高通骁龙、苹果A系列、华为麒麟、三星Exynos，但在服务器、个人计算机领域开发较少。近年来，各大芯片厂商都在尝试将ARM架构引入计算机领域，苹果公司今年宣布新一代Mac笔记本将放弃x86架构处理器专项ARM架构。ARM架构专利持有者是应该ARM公司，以对外授权业务为主。
在下游应用领域，我国服务器行业主要应用于互联网、电信、金融、政务、能源等领域，其中对于自主可控要求较高的电信、政务、金融、能源、军队领域占比接近40%，且增长迅速。例如中国电信2020年服务器集采总规模是5.6万台，特别要求有20%集采量为全国产化服务器。因此，搭载国产CPU的自主服务器具有极大的国产替代市场空间。
国产CPU发展现状
关于国产CPU的发展现状，中国自2000年开始启动处理器设计项目，至今将近 20 年，产生了以龙芯中科、天津飞腾、海光信息、上海申威、上海兆芯等为代表的国产CPU并且产品的性能逐年提高，应用领域不断扩展，使中国长期以来无“芯”可用的局面得到了极大扭转，为构建安全、自主、可控的国产化计算平台奠定了基础。目前，国产主要CPU厂家有六家。

对指令集的掌控程度决定了国产化的程度。对指令集的消化吸收和创新程度决定了 CPU的创新可信的程度，通常自主研发国产 CPU 可以通过授权或者完全自研的方式，授权方式主要有两种：指令集架构授权、 IP内核授权。

国产芯片种类繁多基于ARM 架构授权的芯片厂商可能形成自主可控指令集。由于指令集的复杂性和重要性，自主研发一套全新的指令集难度较大且效益不高。国产CPU厂家大多选择购买国外授权，以实现不同程度的自主可控。国内已经有多家企业参与国产CPU研发，由于各自发展历史不同，各家公司的技术路线、发展方向也各不相同。
目前，国产CPU架构大体可以分为三类：
第一类，是以龙芯为代表的MIPS 指令集架构和以申威为代表的 Alpha 架构。申威已基本实现完全自主可控（申威64已经完全形成了自己的架构），龙芯是我国最早的自主研发国产芯片，基于已经获得永久授权的MIPS架构，并在这一架构基础上重新开发出完全自主化的指令集LongARCH。
第二类，是以飞腾和华为鲲鹏为代表基于 ARM 指令集授权的国产芯片。ARM主要有三种授权等级：使用层级授权、内核层级授权和架构指令集层级授权，其中指令集层级授权等级最高，企业可以对ARM 指令集进行改造以实现自行设计处理器，如苹果在 ARM v7 架构基础上开发出苹果 Swift 架构，其他如：高通、Krait 、Marvell等都是基于ARM指令集或微架构进行的改造。因此，已经获得ARM V8 永久授权的海思、飞腾等厂家凭借自身的研发能力，亦有可能发展出一套自己的指令集架构。
第三类，是以海光、兆芯为代表的获得X86的授权（仅内核层级的授权），未来扩充指令集形成自主可控指令集难度较大。因此，可以看出，在自主可控程度上是龙芯、申威、飞腾、鲲鹏、海光、兆芯，但未来鲲鹏和飞腾如果基于ARM V8 发展出自己的指令集，则创新可信程度将显著提升。同时，在未来ARM V9、V10 等新架构拿不到授权的情况下，依然可以维持先进性。

总结：综合对比六大国产CPU厂商，市场竞争格局进一步明晰。申威由于过去主要市场在军队，且其产品偏向底层应用及超算领域， Alpha 生态应用较少预计其可获得的市场份额有限。
海光、兆芯受制于X86 内核层级授权自主性较弱，且海光仅获得AMD 服务器授权，暂未获得桌面应用授权，兆芯由于使用台湾威盛电子的X86早期授权，产品性能相对落后，且兆芯早期市场开拓不佳。因此在党政信创市场，预计飞腾、鲲鹏和龙芯三家将成为主导。
龙芯研发起步最早，党政市场原始份额较大（约占 70以上），国产整机及应用适配厂商较多，与其他国产CPU项目相比，龙芯CPU使用28nm制程，整体性能较弱。同时，MIPS架构的生态体系在Intel的打压下发展缓慢，致使龙芯CPU产品的生态体系较弱。但龙芯是从指令集底层开始完全自主开发，其自主可控程度最高，在政府市场中占主导地位。2020年5月，龙芯联合产业链发起“龙芯生态适配服务产业联盟”，带动产业链协同技术攻关，促进龙芯生态发展。
对行业市场而言，行业市场规模是党政信创市场的数倍，行业市场对CPU性能、生态等的要求也远高于信创市场。因此，在此前行业国产招标中鲲鹏、海光两家获得更多订单，鲲鹏作为华为海思旗下产品，性能已达到国际先进水平。而ARM生态亦在不断成熟，若不考虑美国制裁带来的负面影响，其前景较为光明。海光因获得四年前AMD最先进产品授权，且经过不断改良加之X86 架构的天然生态优势，在行业市场亦获得较多订单。
上述多家国产CPU具有不同的技术路线和产品特性，从性能、生态到自主可控等方面都有较大的差异性。国内不同层次市场需要有不同特性的国产CPU产品，例如电信运营商市场对性能要求较高，对自主可控程度要求相对较低；又如政府市场要求绝对自主可控，性能指标是相对次要的考虑因素。我们认为，国产CPU企业在适合自己的市场都拥有较大的国产替代空间。

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