CPU技术路线、分类及全球市场竞争状态

来源:智能计算芯世界 发布时间:2023-03-21 16:00:03 阅读量:761

1.  CPU:计算机核心

1.1.  CPU的定义和分类
CPU是计算机的运算和控制核心。CPU是中央处理器(Central Processing Unit)的简称,是对计算机的所有硬件资源进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。计算机系统中所有软件层的操作,最终都将通过指令集映射为CPU的操作。CPU 包括运算器、控制器、寄存器等模块。其中运算器和控制器是CPU的核心模块,前者负责进行各种算术和逻辑运算操作,后者为“决策机构”,主要任务就是发布命令,发挥着整个计算机系统操作的协调与指挥作用。
CPU按用途可分为桌面、服务器、移动端CPU和嵌入式CPU。桌面CPU主要应用于个人计算机(台式机、笔记本电脑)。服务器CPU主要用于服务器,对运算性能和稳定性要求更高。桌面和服务器CPU主要厂商为Intel和AMD。移动端CPU主要用于各种手机和平板中,对功耗、可靠性要求较高,主流的移动端CPU厂商主要有苹果、高通、联发科、华为和三星五家品牌。嵌入式CPU主要用于汽车电子、工业控制与自动化、智能电网等领域,对功耗、稳定性有较高要求。
CPU按照指令集可分为CISC(复杂指令集)和RISC(精简指令集)两大类。CISC指令丰富、寻址方式灵活,以微程序控制器为核心,指令长度可变,功能强大,复杂程序执行效率高;RISC指令结构简单、易于设计,具有较高的执行能效比。CISC型CPU目前主要有X86架构,主要应用于桌面和服务器领域,RISC型CPU主要包括ARM、Alpha、MIPS、POWER、RISC-V架构等,主要应用于移动终端、物联网领域和网关、机顶盒等网络设备中。
 


1.2.  CPU的发展历史:走向高制程、多核、新IP之路

自1971年Intel推出了世界上第一款微处理器4004至今,全球CPU的发展历程可以划分为四个阶段:性能提升阶段(1970-1990年)、应用扩展阶段(1990-2000年)、多元发展阶段(2000-2010年)、多核集成阶段(2010年-至今),在不同阶段CPU发展呈现出不同特点。

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,芯片工艺制程越小,电子元器件的功耗就越小。因此,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%。

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。于是当年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。
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,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IP商业模式跑通的重要证明。


1.3. CPU架构演进:ARM大有可为
当前X86架构生态占据全球主要市场份额。微软公司和英特尔公司各自凭借自身规模效应和技术优势,使其产品Windows和Intel CPU占据了绝大部分市场份额,结成了“Wintel”技术联盟。截至2022年9月4日,在Intel的合作伙伴联盟中,包括了94家云和通信服务提供商、271家独立软件厂商、2940家原始设备制造商(OEM)、88家服务集成商以及4479家解决方案提供商。是整个产业中最庞大、最完善、应用最广泛的处理器架构之一,具有极高的生态壁垒。
ARM架构在高并发应用场景具有比较优势。ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器,全称为Advanced RISC Machine。ARM芯片比Intel x86芯片具有更高的功率效率,并且功耗更低,性价比更高。以ARM为代表的RISC通用架构处理器在场景多样化计算时代具备明显的优势。例如在分布式数据库、大数据、Web前端等高并发应用场景,单芯片核数更多的ARM架构处理器相比传统处理器拥有更好的并发处理效率。
ARM生态繁荣。在移动设备领域,ARM架构有着压倒性的市场和技术优势,根据软银2017年世界大会的数据,ARM在智能手机、调制解调器、车载信息设备、可穿戴设备等领域都占据统治地位。基于海量的市场空间,目前芯片领域的新工艺、新制程和新材料都率先在ARM架构上得以实现。可以预见未来ARM架构的CPU在并发性能、功耗、集成度等方面都会长期保持领先优势。

ARM是最活跃的体系架构生态。对于一些不太活跃的CPU架构,发行版就慢慢减少支持,甚至有不再支持的风险,由此会给软件开发、移植部署等带来诸多困难。根据《从端到云基于飞腾平台的全栈解决方案白皮书》数据,Linux内核对于几种CPU架构的维护活跃程度(选取较新的稳定版5.3.7内核,分别对比了六种CPU架构相关代码维护活跃程度)和代码维护活跃度,由高到底依次为ARM64(1468次)、x86(1329次)、PowerPC(879次)、MIPS(310次)、SPARC(114次)和ALPHA(64次)。

西方也在转向采用ARM架构。PC方面,在Mercury Research的2021年第四季度PC统计中,基于ARM处理器的PC在所有PC总出货销量中的占比达到了9.5%的新高,同比增加了6.1pct,环比增加1.2pct。2020年苹果旗下MacBook笔记本电脑、Mac一体机和平板电脑配置的M1芯片表现出ARM架构性能的潜力和低能耗优势。服务器领域,华为已经于2019年推出基于ARM架构的鲲鹏920服务器芯片,性能对标Intek至强8180。英伟达也在2020年推出了基于ARM架构的Grace服务器芯片。

信创事业发展可以更多利用ARM。随着中美科技脱钩,CPU架构也会成为博弈的焦点。ARM架构是未来芯片主流技术方向,目前芯片领域的新工艺、新制程和新材料都率先在ARM架构上得以实现。可以预见未来ARM架构的CPU在并发性能、功耗、集成度、场景多样化具备明显优势。西方由于原有技术路径拖累以及现有利益冲突,较难完全拥抱ARM架构,中国从0到1选择布局ARM架构,历史包袱较小,有望借助ARM架构夺得CPU技术高地。


2.  高壁垒大赛道,寡头垄断格局

2.1.  CPU市场规模庞大,海外寡头垄断
全球CPU市场较为稳定,疫情促进桌面CPU市场规模增加。CPU的重要应用领域包括桌面和服务器,在桌面领域,2015-2018年全球出货量增速呈现缓慢下降的趋势,但是整体出货量依然保持在2.6亿台/年左右。2019年开始全球桌面出货量出现回升,2020年疫情催生全球“线上化”浪潮,全球桌面出货量较前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年国内桌面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。假设平均每台PC用1片CPU,服务器主要为双路服务器(配置2片服务器CPU),则2020年中国桌面CPU市场出货量约5000万片,服务器CPU市场出货量约700万片。
Intel和AMD两大巨头垄断全球CPU市场。X86为当前全球信息化类CPU的主流架构,根据Mercury Research数据2021年Q3全球PC和服务器中,X86占比超过90%。Intel和AMD作为全球信息化类CPU中的两大巨头,在 2021年Q4,Intel占据全球X86总体市场的74%,AMD占比为26%。2021年两大CPU巨头Intel和AMD营收合计超过900亿美元。根据我们测算,2021年CPU国产化率超过10%。


2.2. CPU市场的竞争要素:性能和生态

CPU技术迭代快速,全球CPU巨头保持高研发投入。CPU行业技术壁垒较高,处理器迭代速度快,Intel和AMD作为行业巨头平均每1-2年迭代一次,在指令集、IPC和缓存容量等方面实现创新突破。2015-2021年Intel和AMD研发费用率整体保持平稳,维持在20%上下。

CPU有多个性能衡量指标。主频,CPU的工作频率,主频越高,CPU的运算速度也就越快。核心数,指硬件上存在着几个核心单元,CPU所能处理的数据和任务越多。线程数,线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位,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。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。
 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。
CPU生态一旦形成,十分稳固。生态比技术更重要,历史上曾出现过一些性能优越的CPU产品,但都败于Wintel生态。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。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。

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