本文分享自“CPU技術與產業白皮書”，通過搜集和整理全球CPU發展歷史和技術演進，分析國內外 CPU 發展現狀和趨勢，對比分析國內外CPU 核心技術和產業鏈實力后形成的總結性匯報材料，旨在通過完整的技術和產業分析，建議和引導國內 CPU 產業更好地發展。?
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分別就 CPU 基本概念做了詳細的介紹，對全球發展歷程、現狀和趨勢進行了描述和分析，并針對 CPU產品的關鍵環節做了詳細的說明和對比分析，最后就整個行業發展中的突出問題及對策建議做了總結性的梳理和報告。

1.?概念及內涵

1.1. CPU?基本概念

CPU?是?Central Processing Unit（中央處理器）的簡稱，由采用超大規模的集成電路組成制造，是實現計算機的運算核心和控制核心。CPU?包括運算器、控制器、高速緩沖存儲器、內部數據總線、控制總線及狀態總線輸入/輸出接口等模塊。

CPU 的主要功能是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據，從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器進行指令解碼，將指令分解成一系列的微操作，連接到各種能夠進行所需運算的 CPU 模塊部件，發送控制命令，從而完成指令的?執行。

目前在信息化系統中使用的 CPU 主要是微處理器。微處理器是（Micro Processor）是采用大規模集成電路實現的中央處理器CPU，形式上一般是一個芯片，或者芯片 SOC 中的一個模塊。微處理器根據應用領域，大致可以分為三類：通用處理器（MPU，主要用于高端 CPU）、微控制器（MCU）和專用處理器。本文中除非另作說明，對“微處理器”和“CPU”不加區分的使用。

1.2. 產品分類

CPU 是一個龐大的家族，可以按照指令集、應用領域進行分類。

1.2.1. 基于指令集

指令集是 CPU 所執行的指令的二進制編碼方法，是軟件和硬件的接口規范。日常交流中有時也把指令集稱為架構。CPU 按照指令集可分為 CISC（復雜指令集）和 RISC（精簡指令集）兩大?類，CISC 型 CPU 目前主要是 x86 架構，RISC 型 CPU 主要包括ARM、RISC-V、MIPS、POWER 架構等。

（1）x86 架構：主導桌面/服務器 CPU 市場

基于 CISC（復雜指令集）的 x86 架構是一種為了便于編程和提高存儲器訪問效率的芯片設計體系，包括兩大主要特點：一是使用微代碼，指令集可以直接在微代碼存儲器里執行，新設計的處理器，只需增加較少的晶體管電路就可以執行同樣的指令集，也可以很快地編寫新的指令集程式；二是擁有龐大的指令集，x86擁有包括雙運算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到存儲器以及存儲器到寄存器的多種指令類型。

（2）ARM 架構：崛起移動市場

ARM 架構過去稱作進階精簡指令集機器，是一個 32 位精簡指令集處理器架構，其廣泛地使用在許多嵌入式系統設計，近年來也因其低功耗多核等特點廣泛應用在數據中心服務器市場。早期 ARM 指令集架構的主要特點：一是體積小、低功耗、低成本、高性能；二是大量使用寄存器，且大多數數據操作都在寄存器中完成，指令執行速度更快；三是尋址方式靈活簡單，執行效率高；四是指令長度固定，可通過多流水線方式提高處理效率。

（3）RISC-V 架構：物聯網時代的新選擇

RISC-V 是加州大學伯克利分校設計并發布的一種開源指令集架構，其目標是成為指令集架構領域的 Linux，主要應用于物聯網（IoT）領域，但可擴展至高性能計算領域。RISC-V 采用 BSD?License 發布，由于允許衍生設計和開發閉源，吸引了一大批公司的關注，目前已有不少公司開發基于 RISC-V 的 IP 核，如 Si-Five、臺灣晶心、阿里平頭哥等已可提供基于 RISC-V 的處理器 IP 核，部分企業如兆易創新、北京君正等已開發出基于 RISC-V 的 MCU芯片等。但整體上，由于 RISC-V 產業生態還比較薄弱，未來的發展仍有較長一段路要走。

（4）MIPS 架構：RISC 先驅

MIPS 是高效精簡指令集計算機體系結構中的一種，MIPS 的優勢主要有三點：一是發展歷史早，MIPS 在 1990 年代已經廣泛使用在服務器、工作站設備上。二是在學術界影響廣泛，計算機體系結構教材都是以 MIPS 為實際例子。三是 MIPS 在架構授權方面更為開放，授權門檻遠低于 x86、ARM，在 2019 年曾經有開放授權的實際動作，并且 MIPS 允許授權商自行更改設計、擴展指令，允許二次授權。

（5）POWER 架構：逐漸退出歷史舞臺

POWER架構是由IBM設計的一種RISC處理器架構，POWER在大型機領域獨具優勢。POWER3 是全球首款 64 位架構處理器，開始應用銅互聯和 SOI（絕緣體上硅）技術。直至 POWER9 依然追求最高性能，不僅具備亂序執行、智能線程等技術，還實現了SMP（對稱多處理技術）的硬件一致性處理。POWER 架構 CPU價格高昂，主要應用于高端服務器領域，市場份額逐漸減少。

1.2.2. 基于應用領域

微處理器根據應用領域，大致可以分為三類：通用微處理器（MPU, Micro Processor Unit）、微控制器（MCU, Micro Controller?Unit）和專用處理器，本文涉及的中央處理器（CPU, Central?Processing Unit）屬于通用微處理器。

（1）通用微處理器

CPU 通常按照面向的市場分為用于服務器、桌面（臺式機/筆記本）、超級計算機等。另外，近年的網絡安全、嵌入式應用也對 CPU 性能提出較高要求，很多網絡安全、嵌入式系統使用和桌面、服務器相同級別的 CPU。

（2）微控制器

MCU 微控制單元，是用于控制類應用的低性能、低功耗 CPU。CPU 的主頻一般低于 100MHz，通常率與規格做適當縮減，并將內存、常用外設接口計數器、USB、A/D 轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至 LCD 驅動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，主頻、功耗都可以很低，為不同的應用場合做不同組合控制。諸如在智能制造、工業控制、智能家居、遙控器消費領域，以及汽車電子、工業上的步進馬達、機器手臂的控制等，都大量使用 MCU。

（3）專用處理器

專用處理器實現面向某一領域的特定功能。例如數字信號處理器（DSP，Digital Signal Processor），DSP 芯片也稱數字信號處理器，是一種專用于進行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理算法。DSP 一般專用于某種專用的計算，一般不會像 CPU 一樣運行通用的操作系統。DSP廣泛應用于數字控制、運動控制方面的應用主要有磁盤驅動控制、引擎控制、激光打印機控制、噴繪機控制、馬達控制、電力系統控制、機器人控制、高精度伺服系統控制、數控機床等。其它專用處理器還有深度學習處理器、數據庫加速處理器、安全處理器、類腦計算芯片等。

1.3. 產業鏈供應關系

1.3.1. 產業鏈上游

CPU 的產業鏈上游包括支撐集成電路設計和制造的 EDA 輔助設計工具和 IP 服務，半導體制造設備、芯片生產測試流程。目前 CPU 的產業鏈上游企業多為國外知名廠商，具有壟斷優勢，國產化程度較低。

（1）EDA 輔助設計工具(Electronic design automation)

EDA 工具（Electronic Design Automation，電子設計自動化）是用來輔助芯片設計的專用軟件工具，是集成電路設計業的基礎。

EDA 是需要多年積累的高復雜軟件。從功能類別上，EDA 工具可分為：設計自動化軟件如邏輯綜合、布局布線等；分析驗證軟件如仿真、時序分析、物理驗證等。從設計對象類別上，EDA 工具可分為：模擬電路設計軟件；數字電路設計軟件；工藝輔助設計軟件等。

（2）IP 服務

IP 核，又稱知識產權核（Intellectual Property Core），是指具有預先設計的功能并且重復用于其它系統的電路模塊。IP 核類似于軟件模塊，形成了成熟的 IP 設計服務市場。芯片公司無需對芯片每個細節進行設計，通過購買成熟可靠的 IP 方案，實現某個特定功能。這種類似搭積木的開發模式，縮短了芯片開發的時間，有利于搶占市場。

（3）半導體制造設備

半導體制造設備是 CPU 芯片制造的基礎，半導體制造流程包括硅片制造、晶圓制造、封裝測試三個環節，整個制造流程中晶圓代工廠設備占比最高約為 80%、檢測設備占 8%、封裝設備約占7%，硅片制造設備及其他占 5%。

（4）芯片生產測試流程

在芯片生產環節，主要的供應鏈節點包括流片、封裝和測試。在流片、封裝、測試方面，國際主流的企業是臺積電、三星等，工藝水平最高達到 5nm。以流片環節為例，2019 年全球十大半導體流片代工廠分別為：臺積電、三星、格芯、聯電、中芯國際、TowerJazz、華虹半導體、VIS、PSC、DongbuHiTek。其中境內廠商有中芯國際、華虹半導體，境內企業占全球市場份額的比重低于 10%，境內工藝水平最高達到 14nm。目前最先進的制程被 Intel、積電、三星等公司壟斷。測試機臺研發企業，主要有 Advantest、Hontec 等。

編輯：黃飛