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