2023CPU 技術(shù)與產(chǎn)業(yè)白皮書

CPU（2023年——3 ——PAGE10CPUCPUCentralProcessingUnit（中央處理器）的簡稱，由采制核心。CPU包括運(yùn)算器、控制器、高速緩沖存儲(chǔ)器、內(nèi)部數(shù)據(jù)圖1CPU基本架構(gòu)圖CPU的主要功能是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的進(jìn)行所需運(yùn)算的CPU模塊部件，發(fā)送控制命令，從而完成指令的目前在信息化系統(tǒng)中使用的CPU主要是微處理器。微處理器是（MicroProcessor）是采用大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的中央處理器CPU，形式上一般是一個(gè)芯片，或者芯片SOC主要用于高端CPU）、微控制器（MCU）和專用處理器。本文中CPU是一個(gè)龐大的家族，可以按照指令集、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分圖2CPU產(chǎn)品分類指令集是CPU所執(zhí)行的指令的二進(jìn)制編碼方法，是軟件和硬件的接?規(guī)范。日常交流中有時(shí)也把指令集稱為架構(gòu)。CPU按照CISC（復(fù)雜指令集）RISC（精簡指令集）兩大類，CISCCPUx86架構(gòu)，RISCCPU主要包括ARM、RISC-V、MIPS、POWER架構(gòu)等。x86架構(gòu)：主導(dǎo)桌面/服務(wù)器CPU基于CISC（復(fù)雜指令集）x86架構(gòu)是一種為了便于編程和ARMM32位精簡指令集處理器架構(gòu)，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，近年來也因其低功耗多核等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場。早期M指令集架構(gòu)的主要特點(diǎn)：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(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中四是指令長度固定，可通過多流水線方式提高處理效率。RISC-VRISC-V是加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計(jì)并發(fā)布的一種開源指令Linux，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域，但可擴(kuò)展至高性能計(jì)算領(lǐng)域。RISC-VBSDLicense發(fā)布，由于允許衍生設(shè)計(jì)和開發(fā)閉源，吸引了一大批公司RISC-V的IPSi-Five、臺(tái)灣晶心、阿里平頭哥等已可提供基于RISC-VIP核，部分企業(yè)如兆易創(chuàng)新、北京君正等已開發(fā)出基于RISC-V的MCUMIPS架構(gòu)：RISCIPS是高效精簡指令集計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的一種，IPS的優(yōu)勢主要有三點(diǎn)：一是發(fā)展歷史早，IS190年代已經(jīng)廣泛使用在服務(wù)器、工作站設(shè)備上。二是在學(xué)術(shù)界影響廣泛，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教材都是以IPSIPS在架構(gòu)授權(quán)方xM219年曾經(jīng)有開放IPS允許二次授權(quán)。POWERPOWER架構(gòu)是由IBM設(shè)計(jì)的一種RISCPOWER在大型機(jī)領(lǐng)域獨(dú)具優(yōu)勢。POWER364位架構(gòu)處理器，開始應(yīng)用銅互聯(lián)和SOI（絕緣體上硅）POWER9依然SMP（對(duì)稱多處理技術(shù)）的硬件一致性處理。POWERCPU（MPUMicroProcessorUnit）（MCUMicroControllerUnit）和專用處理器，本文涉及的中央處理器（CPUCentralProcessingUnit）屬于通用微處理器。對(duì)CPU性能提出較高要求，很多網(wǎng)絡(luò)安全、嵌入式系統(tǒng)使用和桌面、服務(wù)器相同級(jí)別的CPU。UPPU10z，通常率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將SB/DPMAD級(jí)的計(jì)算機(jī)，主頻、功耗都可以很低，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。諸如在智能制造、工業(yè)控制、智能家居、遙控器消費(fèi)領(lǐng)域，以及汽車電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達(dá)、機(jī)器手臂的控制等，都大量使用U。專用處理器實(shí)現(xiàn)面向某一領(lǐng)域的特定功能。例如數(shù)字信號(hào)處（SPigilSinlPossoSP芯片也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種專用于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。SP一般專用于PUSP引擎控制、激光打印機(jī)控制、噴繪機(jī)控制、馬達(dá)控制、電力系統(tǒng)控制、機(jī)器人控制、高精度伺服系統(tǒng)控制、數(shù)控機(jī)床等。其它專類腦計(jì)算芯片等。CPUEDA輔助設(shè)計(jì)工具和IP服務(wù)，半導(dǎo)體制造設(shè)備、芯片生產(chǎn)測試流程。目前CPU的產(chǎn)業(yè)鏈上游企業(yè)多為國外知名廠商，具有壟斷優(yōu)勢，國圖3CPU產(chǎn)業(yè)鏈上下游分布EDA輔助設(shè)計(jì)工具(ElectronicdesignA工具（lctrnicsignutatio，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）AA工具可分為：設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件如邏輯綜合、布局布線等；分析驗(yàn)證軟件A工具可分為：模擬電路設(shè)計(jì)軟件；數(shù)字電路設(shè)計(jì)軟件；工藝輔助設(shè)計(jì)軟件等。IPIP核，又稱知識(shí)產(chǎn)權(quán)核（IntellectualPropertyCore），是指具有預(yù)先設(shè)計(jì)的功能并且重復(fù)用于其它系統(tǒng)的電路模塊。IP半導(dǎo)體制造設(shè)備是CPU芯片制造的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體制造流程包7%，硅片制造設(shè)備及其他占5%。全球的主要生產(chǎn)廠商集中在歐在流片、封裝、測試方面，國際主流的企業(yè)是臺(tái)積電、三星等，5。以流片環(huán)節(jié)為例，219年全球十大半導(dǎo)體流片代工廠分別為：臺(tái)積電、三星、格芯、聯(lián)電、中芯國際、rz、華虹半導(dǎo)體、IS、P、onbik。其中境內(nèi)廠商有中芯國際、華虹半導(dǎo)體，境內(nèi)企業(yè)占全球市場份額的比重低11nInl、dntst、onc等。CPU的產(chǎn)業(yè)鏈下游包括各類整機(jī)廠商、行業(yè)解決方案、應(yīng)用我國CPU市場規(guī)模和潛力非常大，龐大的整機(jī)制造能力意味著巨量的CPU2018年國內(nèi)計(jì)算機(jī)整機(jī)產(chǎn)量達(dá)20%。另外，國內(nèi)在物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興計(jì)算從整個(gè)CPU的技術(shù)發(fā)展歷史來看，大致可以分為以下幾個(gè)階90年代初-2000年初：CPU2010年至今：CPU單元）1971Intel400441978Intel16位的微處理器，并命名為i8086i8087，這兩種芯i8087指令集中增加了一些專門用i8086i8087x8619798088IBMPC機(jī)中，開創(chuàng)了全新的微機(jī)時(shí)代。也正是8088開始，PC（personalcomputer——個(gè)人電腦）1982Intel80286286。這是Intel1985MIPSMIPS指令集的處理器R2000RISCCPUARM19911991年，ARMRISCARM61992IntelPentiumIntelPentium處理器能夠讓電腦更加輕松地整合“真實(shí)世界”中的數(shù)據(jù)（如講話、聲音、筆跡和圖片）。x86Alpha1996IntelMMX。MMXIntel1996CPUCPU57MMX60%SSE，3DNOWMMX1997-2000IntelIIIII4IISingleEdgeContactIII7044200SSE220012002DEC被惠普收購，Alpha2003IntelPentiumM855芯片組家族與IntelPRO/Wireless2100IntelCentrino移動(dòng)運(yùn)算2003AMDAMD64–64x86指令集擴(kuò)展，該指令集由于良好的兼IntelEPIC2004IntelNocona64Intel迄今64位服務(wù)器產(chǎn)品。同年，ARMARMv7CortexCortex-M32005IntelPentiumD2x8620062IntelCore微架構(gòu)的產(chǎn)品體系統(tǒng)稱?？?，是一個(gè)跨平臺(tái)的構(gòu)架體系，包括服務(wù)器版、桌面版、移動(dòng)版2007IPhone發(fā)布,ARM1176JZ(F)-S處理器,2010Intel32納米制程Cortex-A15MPcore2011ARM64ARMv8big.LITTLE處理ARM系統(tǒng)級(jí)芯片(SoCs)ARM642015ARMCortex-A722017Inteli7、i5、i314nm2017年AMDZenRyzen（銳龍）CPU處理器發(fā)布；6月2018高性能需求者。i9PC普通的任VR2018年AMDRyzenCPU8AMDTSMC7nm2019“Deimos（戴莫斯，畏懼之神），A76的直接繼任者，新核心在2019IntelX183D2019年AMDTSMC7nm工藝、Zen2Ryzen系列CPU處理器；8TSMC7nm工藝、Zen2架構(gòu)的第二代AI和5G表1CPU產(chǎn)品發(fā)展歷程以Intel酷睿處理器的發(fā)展過程為例，Intel酷睿處理器目前已經(jīng)發(fā)展到了第十一代產(chǎn)品，全新AlderLake架構(gòu)的第十二代酷睿處理器也即將發(fā)布，這是Intel首次在桌面處理器中采用10nm工藝。2008年推出的Nehalem微架構(gòu)是酷睿處理器的代表之作，2009年9月，IntelNehalemLynnfield處理器，2010年，IntelClarkdale采用雙核設(shè)計(jì)，將GPUCPU封裝在一起，CPU的制造工藝升級(jí)到了32nmIntel后續(xù)的產(chǎn)品序列來看，可以認(rèn)為第一代酷睿處理器是基于Clarkdale微架構(gòu)的產(chǎn)品。表1是Intel第一代至第十一代酷睿桌面處理器代表產(chǎn)品2015年之后Intel桌面處理器主要采用14nm工藝制程，核心數(shù)量由雙核增加到了八核，主頻上限也由3.46GHz提升到了5GHz以上。國產(chǎn)CPU在桌面、移動(dòng)、高性能計(jì)算、及嵌入式領(lǐng)域均實(shí)現(xiàn)CPUCPU，都取得了較大進(jìn)展。已有的產(chǎn)品通過不斷的優(yōu)了“零”的突破。從整體上看，國產(chǎn)CPU芯片同國際差距擴(kuò)大的態(tài)50-701956年，半導(dǎo)體科技被列為國家新技術(shù)四大緊急措施之一。此后，中科院計(jì)算所、109廠、半導(dǎo)體所先后成立，鍺晶體管、硅平面晶109乙機(jī)、109丙機(jī)、156機(jī)的誕生分別提供了基礎(chǔ)。1975年，伴隨大規(guī)模集成電路013機(jī)研制成功。CPU80-9010921世紀(jì)從“十五”CPU自主性的問題再度提上議程，產(chǎn)業(yè)政策不CPU——1號(hào)流片成功。投資基金（簡稱國家大基金）1期成立，主要投資集成電路制造企業(yè)。20192表2CPU產(chǎn)品發(fā)展歷程1800CPU450億美CPU550CPU市場規(guī)800MercuryResearch的數(shù)據(jù)分析，2020年X86CPU市場中，Intel78.3%份額，AMDIntelCP（IoT和平板）CPU（IoT）的兩個(gè)細(xì)分市場份額分別增加1.2%0.8%CPU行業(yè)里，Intel的霸主地位依然不可撼動(dòng)。雖然AMDZEN3架構(gòu)的處理器，但由于產(chǎn)能受限，所以市場份額只有小幅度的增長；相反Intel由于發(fā)布了酷睿i9-10900K等出色的產(chǎn)品，同時(shí)憑借強(qiáng)大的生產(chǎn)線，仍然處于絕對(duì)PCCPU（IoT20202020變化CPU（20202020變化表3IntelPCCPUCPU2020年份第四季度份額CPUx86ARMx86為當(dāng)前服務(wù)器CPU的主流架構(gòu)，占據(jù)服務(wù)器市場的絕大多數(shù)份額，代表性廠商為Intel和AMD，國內(nèi)廠商兆芯和海光也參與到了x86在ARM陣營中，目前的代表廠商包括華為、飛騰、高通、亞馬遜等，在新基建政策的推動(dòng)下，ARM架構(gòu)有望發(fā)揮其在移動(dòng)市場的傳統(tǒng)優(yōu)勢，借力端/云協(xié)同，搶占服務(wù)器市場更多份額。據(jù)Omdia的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2021340萬臺(tái)，和之前歷史最高水平（2020年第二季度）持平，預(yù)計(jì)2021920億美元。其中人工智能和分價(jià)格有所升高。值得注意的是，2021AMD的市場份25%還有一定差距。局面。2020914日，英偉達(dá)和軟銀集團(tuán)公司簽訂協(xié)議，以400億美元的價(jià)格從SBGSoftBankVisionFund收購ArmLimited；20201028日，AMD350億美元的全股票交易收購知名的FPGAXilinx。在傳統(tǒng)PCInl和微軟構(gòu)建的nl”體系一直牢不可破，ItlPU的發(fā)展并領(lǐng)導(dǎo)著一批PC硬件制造企業(yè)為其適配，微軟及其合作伙伴在操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件方面同Inlx6220Itl發(fā)布了lowove1代酷睿處理器；D發(fā)布了采n3500系列臺(tái)式機(jī)處理器；蘋果發(fā)布了三款c硬件新品并正式推出基于M1芯片，并推出M新的PCPUrm和ndoidAA體系），該組合同樣具備強(qiáng)大的影響力。rm9%的nrid在移動(dòng)操作系統(tǒng)市場上的份額也高8。20223nm產(chǎn)線量產(chǎn)，Intel7nm工藝制程的產(chǎn)品在202193nmGAA芯片，根據(jù)三星方面的消息，三星將啟用新一代GAAFET晶體管技術(shù)，相較目前使用的FinFET3nm芯片的公司。封裝測試方面，隨著最小溝道長度不斷逼近物理極限，特征尺寸微縮難度不斷加大，目前封裝測試行業(yè)界正嘗試將制造工藝與三維堆疊集成等先進(jìn)封裝技術(shù)結(jié)合形成中道工藝，從而提高晶體管密度，延續(xù)摩爾定律。比如當(dāng)前業(yè)內(nèi)最關(guān)注的小芯片技術(shù)，將一些預(yù)先生產(chǎn)好的，能實(shí)現(xiàn)特定功能的芯片裸片（die），通過SC芯片化整為零，將其功能分解以使用更適合的工藝來實(shí)現(xiàn)。因此，目前業(yè)內(nèi)（hipt22061日，Itl3DForoskfil。國產(chǎn)PU目前在性能和商業(yè)生態(tài)上同國際巨頭還存在一定差距。性能方面，桌面和服務(wù)器產(chǎn)品性能進(jìn)一步提升，尤其是海光和華為的服務(wù)器產(chǎn)品性能已接近國外中端產(chǎn)品水平，具備一定市PU應(yīng)用生態(tài)方面，對(duì)商業(yè)生態(tài)的要求較低，對(duì)安全和定制化要求較高的重點(diǎn)行業(yè)市場成為國產(chǎn)PUPU在黨政辦公、重點(diǎn)行業(yè)等特定市場應(yīng)用中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)國外部分21-220PUPU出貨量呈現(xiàn)連續(xù)上升趨勢，國內(nèi)市場規(guī)模保持高速增長。但在開放市場中，服務(wù)器和桌面PU態(tài)尚不完善，市場份額基本被Intel、AMD、IBM幾家全部分完。我國CPU產(chǎn)品發(fā)展迅速，產(chǎn)品線種類繁多，市場應(yīng)用初具規(guī)鏈和硬件兼容等指標(biāo)方面，國內(nèi)企業(yè)均兼容統(tǒng)信UOS、麒麟軟件雖然與Wintel生態(tài)尚有一定差距，但已經(jīng)在政府、國防、高性能國內(nèi)主流CPU廠商持續(xù)發(fā)力，逐步構(gòu)建完整生態(tài)。飛騰在服CPUCPU方向持續(xù)發(fā)布新產(chǎn)品。20207月，飛騰S2500CPU，采用全新內(nèi)核，最高支CPU8核處理器。龍芯產(chǎn)品應(yīng)用