cpu的主要任务是什么？ CPU行业深度解析

一、CPU的定义和分类

（一）CPU是什么。

CPU是中央处理器（Central Processing Unit）的简称，是计算机的运算和控制核心，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和输出接口等模块。众多模块中运算器和控制器是核心，前者负责进行各种算术和逻辑运算操作，后者是“决策机构”，CPU的主要任务就是发布命令，指挥与协调整个计算机操作系统。

（二）CPU的主要功能。

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。首先从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，再放入指令寄存机进行指令解码，接着将指令分解成一系列微操作，连接到各种能够进行所需运算的模块部件，最后发送控制命令，从而最终完成指令的执行。

（三）产品分类。CPU是一个庞大的家族，可按照指令集、应用领域进行分类。

1、基于指令集划分。CPU 所执行指令的二进制编码方法就是指令集，它是软件和硬件的接口规范，也叫做架构。指令集分为复杂指令集CISC和精简指令集RISC两大类。

复杂指令集型主要是x86 架构，精简指令级包括ARM、RISC-V、MIPS、POWER架构等。

2. 基于应用领域划分。

根据应用领域大致可以分为三类，一是通用微处理器。用于服务器、桌面（台式机、笔记本）、超级计算机等。二是微控制器。也叫做MCU微控制单元，是用于控制类应用的低性能、低功耗CPU，主频一般低于100MHz。可在不同的应用场合做不同组合控制，诸如智能制造、工业控制、智能家居、遥控器、汽车电子、工业步进马达、机器手臂的控制等领域。三是专用处理器。可实现面向某一领域的特定功能。例如数字信号处理器DSP 芯片，DSP 不会像 CPU 一样运行通用的操作系统，而是广泛应用于数字控制、运动控制等方面，应用场景有磁盘驱动控制、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。

二、CPU的发展历程。

（一）公分四个阶段。第一阶段：性能提升（1970-1990年），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：应用扩展阶段（1990-2000年），CPU从企业应用向个人应用及多媒体方向发展，包括音频、视频及通信方向，同时晶体管数量由百万级提升至千万级，Intel的主导地位确定，AMD公司开始与Intel公司展开竞争。第三阶段：多元发展阶段（2000-2010年），CPU产品开始出现64位处理器产品，包括服务器、桌面、移动端等，同时工艺制程得以提升，Intel公司与AMD公司的竞争日趋激烈，Intel公司逐渐取得优势。第四阶段：多核集成阶段（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，ADM第一代APU（CPU集成GPU单元）开始出现。

（二）芯片工艺制程越来越高。在一定程度上，芯片工艺制程越小，单位面积内容纳的晶体管数量就越多，就可以构建更为复杂、性能强大的电路。同时电子元器件的功耗越小。随着芯片工艺制程提高，芯片集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。根据台积电官网数据，公司7nm FinFET制程比10nm速度增快约20%，功耗降低约40%。

（三）多核处理器的出现打破性能提升瓶颈。2005年CPU主频接近4GHz，单纯的主频提升已经无法明显提升系统整体性能，反而会导致CPU功耗急速上升。当年Intel推出双核奔腾D和奔腾四至尊版840，AMD也随后发布了双核皓龙和速龙 64 X2处理器，经过十几年的强化升级，2023年Intel将会推出代号为Sierra Forest的128核至强处理器，AMD也将推出基于Zen 4c微架构的128核处理器Bergamo，多核已经成为提升CPU性能的重要手段。

（四）IP降低CPU芯片设计难度。摩尔定律的经验表现为，芯片中晶体管数量呈现指数级上升趋势的同时，芯片构造的复杂度、设计难度、制造成本都显著增加，芯片设计公司难以单独完成芯片制作的全部流程，只能进行简单芯片设计。为了解决开发难度的问题，IP应运而生，芯片设计公司经常采用其他公司的IP以加快设计速度，不再从零做起，重复造轮子。ARM公司的快速壮大就是跑通IP商业模式的重要证明。

三、CPU产业链。

（一）上游：支撑集成电路设计和制造的EDA辅助设计工具、IP服务、半导体制造设备、芯片生产测试流程。该环节具有知识密集型特点，有较高的附加值和利润率，奠定了产品性能的基调。目前上游企业多为国外知名厂商垄断，国产化程度较低。

（二）中游：芯片制造。将图纸制作成刻好电路的晶圆，其生产过程包括流片（试生产）、晶棒制造、晶圆制造、完成电路及元件加工与制作。

（三）下游：封装测试。封装是将晶圆加工为芯片的过程，测试是对芯片质量进行检测的过程。这一过程的门槛和风险都相对较低，国产厂商具有相对优势。

四、CPU行业格局。

（一）市场规模庞大，海外寡头垄断。

CPU的重要应用领域是桌面和服务器。在桌面领域，2015-2018年全球出货量增速呈现缓慢下降的趋势，但整体出货量依然保持在2.6亿台/年左右。2019年开始出货量回升，2020年疫情催生全球“线上化”浪潮，桌面出货量较前5年有较大增长，达到3.03亿台。在服务器领域，2020 年全球服务器出货量达1,220万台，同比增长3.92%。

2020年中国桌面CPU出货量约5000万片，服务器CPU 出货量约700万片。根据IDC数据，2020年中国PC出货量为4910万台，X86服务器出货量为344万台。

X86为当前CPU的主流架构，Intel和AMD两大巨头垄断了全球CPU市场。根据Mercury Research数据显示，2021年Q3全球PC和服务器中，X86占比超过90%。2021年Q4，Intel占据全球X86总体市场的74%，AMD占比为26%。2021年两大巨头营收合计超过900亿美元。根据测算，2021年CPU国产化率超过10%。

（二）性能和生态是CPU市场主要竞争要素。

1、CPU行业壁垒高，技术迭代速度快，巨头企业保持高研发投入。Intel和AMD平均每1-2年迭代一次，在指令集、IPC和缓存容量等方面都实现创新突破。2015-2021年两大巨头的研发费用率整体保持平稳，维持在20%上下。

2、CPU有多个性能衡量指标。一是主频，也就是工作频率。主频越高，运算速度就越快。二是核心数，硬件存在核心单元多，代表CPU能处理的数据和任务数量大。三是线程数，线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，CPU支持越多线程代表可以同时处理更多任务。多一颗核心就像多一个人，而多一个线程就多一只手。四是缓存，缓存是CPU与内存之间的缓冲地，在一定程度上，缓存容量越大越好。

3、CPU生态包括硬件和软件。硬件方面，从指令集、IP 核，到接口、板卡、整机厂商，各个硬件环节相互认证，形成硬件合作生态；软件方面，从操作系统、编译器、Java、.NET 等基件软件到办公软件、视频软件等上层软件，都存在相互适配，形成紧密的软件生态。生态一旦形成就会十分稳固。

4、生态比技术更重要。目前CPU行业由两大生态体系主导：一是基于X86指令系统和 Windows 操作系统的Wintel体系；二是基于ARM指令系统和 Android 操作系统的AA体系。

历史上曾出现过一些性能优越的CPU产品，最后都败于Wintel生态上。因为CPU 生态一旦形成，就是寡头垄断格局，强者恒强。第三方厂商单靠商业手段很难打破竞争格局，只能依靠行政力量和足够大的内循环市场，才有可能成为新的世界级巨头。

五、中国CPU加快国产化进程。

（一）对海外依赖性较强，国产化迫在眉睫。

因为CPU是信息产业中最基础的核心部件，整个软件生态架构都建立在底层CPU架构之上，中美两国在该领域的博弈日趋激烈，此外海外大厂也存在留有CPU后门的隐患，对中国信息安全可能会造成严重威胁。

（二）在性能、生态和制造环节上，国产CPU均有发展瓶颈。

虽然国内桌面和服务器产品性能正在提升，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，但是整体上国产CPU性能仍然落后于国际先进水平。

一是生态构建不够完备。目前国产CPU及其配套软硬件已在政府、国防、高性能计算机、北斗导航、网络安全、工业控制等领域得到了越来越多的应用，但与Wintel和AA生态相比仍有不小差距，导致在商用市场的应用场景受限。

二是半导体制造工业能力较弱阻碍高制程处理器发展。华为、海思等企业虽然已经具有设计高制程芯片的能力，但芯片制造能力较弱，半导体设备国产化率较低，从而导致芯片制造制裁成为美国遏制中国芯片产业发展的重要手段。

（三）国产CPU六大厂商各具特色。

1、我国六大CPU公司以及各自的商业模式和生态建构。

分别是海光信息、兆芯、龙芯中科、华为鲲鹏、飞腾信息和申威科技。商业模式大体分为三类，第一类：龙芯和申威，因海外授权方停止合作，开始自主研发指令集，正在逐步构建自主生态系统。第二类：飞腾和鲲鹏，拥有ARM架构永久授权，在移动端具有很强优势，业务逐步向桌面和服务器衍生，生态建设较为繁荣。第三类：海光和兆芯，通过与海外成立合资公司的方式，一直获得X86技术授权。生态建构最强，能兼容目前存在的数百万款系统软件和应用软件。

2、国产CPU性能参差不齐，逐步向国际主流水平逼近。

海光7285可对标Intel在2020年发布的铂金级旗舰芯片，鲲鹏920可对标Intel在2017年发布的Xeon Platium8180，兆芯的开胜KH-30000可对标Intel在2017年发布的酷睿i5，飞腾S2500可对标Intel在2016年发布的至强E5，龙芯3C5000性能基本与典型64核ARM相当。

3、市场格局差异。

六家企业在不同市场领域各具优势。一是党政信创方面，2021年飞腾市占率最高，龙芯位居第二。二是行业信创方面，重要行业客户对IT基础架构偏好X86，其中PC端以兆芯为主。三是服务器领域。海光和鲲鹏大致维持五五开市场份额。

4、边际变化：随着信创产业加快推进，国产化产线面临突破。

一是从信创发展规划看，党政信创产业规模逐年递增。国家明确要求电子公文系统和电子政务系统必须要尽快实现国产替代。二是信创行业强调增量替换。新增采购提出国产比例要求，并没有主动进行存量替换，未来要求能替尽替。预计2022年是行业大年，2023年将迎来真正放量。

5、CPU信创市场空间广阔。

一是需求。

PC端：党政信创市场PC存量广阔。测算方法一：党政信创除了公文系统之外还有政务系统和事业单位。根据人力资源与社会保障事业发展统计公报数据，我国有700多万公务员、3000多万事业编制人员，假设公务员每人配备至少1 台PC、约300 万台内网终端、2/3的事业编制人员配备PC 计算，党政行业对应约3000万台存量PC。测算方法二：以最低6年使用年限计算，在最近的折旧周期内政府行业历年PC采购数量之和即为存量规模：党政行业近年平均PC采购量接近500万台，党政行业的PC保有量接近3000万台。假设每台PC配置一片CPU，则党政信创存量PC CPU市场规模为3000万片，以6年折旧计算，平均每年采购500万片。

行业信创PC市场规模远超党政。测算方法一：商用市场中，假设每年40%下游需求来自关基行业，对应约1200万台PC，按5年折旧算则重要行业客户存量PC达到6000万台。测算方法二：过去5年重要行业的服务器平均年采购量约为120万台，按照10:1的PC:服务器数量计算，预计重要行业信创对应PC存量规模亦为6000万台，假设每台PC配置一片CPU，则重要行业信创PC存量是规模为6000万片。行业信创市场规模约为电子公文交换系统市场的10倍，是整个党政行业市场的2倍。

服务器端：信创服务器市场行业分布和存量规模。

中国服务器市场下游行业分布较稳定，大致可以拆分为互联网40%，党政15%，金融+电信25%，其他行业20%。根据IDC测算，2020年中国服务器市场出货量为350万台，预计2020-2025年市场规模复合增速将达到12.5%。行业信创对服务器需求量大幅提升。根据IDC数据，2020年中国X86 服务器出货量约为344万台，其中政府和互联网出货量为 40/147万台，剩余为行业信创，出货量为158万台，远超政府市场的40万台。行业信创中电信、金融2020年出货量分别为40/32万台，占整个行业信创出货量的46%。2021年，根据IDC数据，中国X86服务器市场主要为双路服务器，即每台服务器配置2片CPU，则2021年，党政信创服务器CPU 出货量约为80万片，行业信创服务器CPU出货量约为316万片。

二是供给。

华为28nm产线突破在即，芯片生产问题有望突破。

28nm制程芯片可以满足大部分领域国内发展需求，这是芯片领域成熟制程与先进制程的分界点，能满足当前市场上的大部分需求，所以一旦完全掌握28nm芯片制造技术，在很多领域能满足国内发展所需。

大多芯片产业链关键环节已实现国产化。不仅中芯国际目前已经掌握了28nm的量产能力，华虹半导体也在2018年实现了28nm芯片的量产。就目前业界推进情况来看，几乎所有环节（除了光刻机），都有28nm技术的国产设备和材料处于生产线验证阶段。通过1-2年的努力，我国完成一条28nm的芯片去美化产业链是完全可以实现的。

六、国产CPU厂商盘点。

（一）海光信息：国产X86龙头，CPU和DCU双轮驱动，是国内唯一的信创、商业市场两开花的芯片公司。

海光通过子公司持有AMD永久授权。AMD在2016年与海光共成立了两家合资公司：一家是成都海光微电子公司，AMD占股51％，中方占股49％，另外一家是成都海光集成电路设计公司，AMD占股30％，中方占股70%。两家公司分工不同，海光微电子公司受让和使用X86处理器核相关技术，负责海光处理器核相关技术的开发；海光集成负责海光处理器外围相关技术的开发，该部分技术不会涉及到Intel和AMD交叉授权协议。

公司的主营产品包括海光通用处理器（CPU）和海光协处理器（DCU）系列。CPU产品主要主要应用于服务器和工作站。高端服务器7000系列可面向数据中心、云计算等复杂应用领域。5000系列主要面向政务、企业和教育领域的中低端服务器需求。3000系列是入门级，主要应用于工作站和边缘计算方面。

2018-2021年，海光营收增长47倍，2021年首次实现盈利，2022年1-9月，公司营收预计约为36.70亿元至40.80亿元，同比增长170%至 200%；归母净利润预计为6.10亿元至7.00亿元，同比增长392%至465%；扣非归母公司净利润预计为5.60亿元至6.40 亿元，同比增长591%至690%。

（二）龙芯中科：全球少数具备X86知识产权的公司，产品矩阵齐全。

2013年威盛与隶属于上海市国资委的上海联和投资公司合资成立兆芯，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。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。自成立以来，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，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。

基于海光没有取得桌面X86授权，我们预计未来兆芯在行业信创PC端会保持较高市场份额。

（三）飞腾：获得ARM永久授权，产品不断迭代，党政信创霸主，母公司是中国长城。

飞腾信息技术有限公司（简称“飞腾公司”）是国内领先的自主核心芯片提供商。飞腾CPU产品具有谱系全、性能高、生态完善、自主化程度高等特点，已经实现芯片中所有模块的自主设计。

公司在党政信创行业市占率第一名。2020年党政信创招标中，因龙芯性能较弱占比较低，鲲鹏受限于供应链，所以飞腾份额提升较快，市占率超过45%，成为党政信创市场最大赢家。

公司2021年实现营收22亿元，相比2019年增长9倍，实现净利润6.5亿元，净利率高达30%，公司目标是2024年实现年营收超过100亿元。

（四）鲲鹏：最强ARM CPU芯片，国产线打通王者归来。

华为作为鲲鹏计算产业的成员，聚焦于发展Kunpeng处理器的核心能力，为产业提供算力底座。Kunpeng处理器拥有Armv8架构永久授权，华为自主研发设计处理器核、微架构和芯片。华为鲲鹏计算产业生态繁荣，秉持“硬件开放、软件开源、使能伙伴、发展人才”的生态发展策略，合作伙伴多达数千家。相比于其他国产CPU厂商，华为不仅仅能够提供CPU硬件产品，还能够提供数据库、操作系统、华为云等一系列产品，为客户提供“全家桶”服务。

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，它采用国产芯片唯一、最先进的7nm工艺，集成64个核心，在SPEC测试中，48核的鲲鹏920与Intel至强8180的性能相当，且功耗低20%，64核的测试性能要优于至强8180。Intel至强8180是Intel于2017年Q3推出的至强铂金系列产品，定位于高负荷的云端计算。所以鲲鹏920能满足除互联网等高性能要求场景外的中高端如金融、电信等行业信创市场需求，。

鲲鹏920是全球最强ARM芯片。2020年6月，麒麟软件发布基于华为鲲鹏920 7260 CPU和银河麒麟操作系统 V10的全球首个ARM架构SPEC CPU2017测试报告（鲲鹏920 当期排名全球第11）；2020年11月，麒麟软件再次更新发布基于鲲鹏920 4826集群的银河麒麟云SPEC Cloud IaaS 2018 最新测试结果，取得全球第一的成绩。

如果鲲鹏产能问题得以解决，将有望迎来快速发展。

（五）龙芯：国产CPU设计标杆，聚焦工控和信息化，公司步入完全自主研发新阶段。

龙芯中科技术有限公司成立于2008年，一直坚持自主研发CPU芯片，采用Fabless模式，构建了独立于Wintel和AA体系的信息技术体系和产业生态。2018 -2020年，公司销售的主要产品基于MIPS指令系统。经过十余年的技术积累，龙芯中科于2020年推出了自主指令系统LoongArch（龙芯架构），进入了国产化的新阶段。

龙芯团队2006年就开始在布局工控信息化领域，在国产CPU厂商在此领域的领跑者，产品主要应用于关键信息基础设施的控制和通讯系统，公司目前已经在发电、轨道交通和船舶运输控制系统等领域形成规模化应用。

（六）申威：技术完全自研，专用领域CPU龙头，超算性能全球第一。

为解决国防和网络信息安全无“芯”可用的困境，我国于2003年创建了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”。2006年设计出具有自主微结构的申威1，从此走上了自研指令集的道路。2016年，搭载了申威SW26010神威•太湖之光的超级计算机获得全球第一名，其软件硬件均由申威自主设计。同年，成都申威科技有限责任公司成立，主要从事对申威处理器的产业化推广。

公司已形成多线程处理器、单核处理器、多核处理器三大产品线。产品经过军工认证，可以为军队、党政机关等高机密、关键行业持续稳定提供支撑。申威CPU将大力发展各类申威处理器应用的研究和各种软件的适配，旨在打通行业上下游，建立起完全自主可控的产业生态。