2023CPU 技術與產(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包括運算器、控制器、高速緩沖存儲器、內部數(shù)據(jù)圖1CPU基本架構圖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進行所需運算的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)模集成電路實現(xiàn)的中央處理器CPU，形式上一般是一個芯片，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是一個龐大的家族，可以按照指令集、應用領域進行分圖2CPU產(chǎn)品分類指令集是CPU所執(zhí)行的指令的二進制編碼方法，是軟件和硬件的接?規(guī)范。日常交流中有時也把指令集稱為架構。CPU按照CISC（復雜指令集）RISC（精簡指令集）兩大類，CISCCPUx86架構，RISCCPU主要包括ARM、RISC-V、MIPS、POWER架構等。x86架構：主導桌面/服務器CPU基于CISC（復雜指令集）x86架構是一種為了便于編程和ARMM32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(tǒng)設計，近年來也因其低功耗多核等特點廣泛應用在數(shù)據(jù)中心服務器市場。早期M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(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是加州大學伯克利分校設計并發(fā)布的一種開源指令Linux，主要應用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領域，但可擴展至高性能計算領域。RISC-VBSDLicense發(fā)布，由于允許衍生設計和開發(fā)閉源，吸引了一大批公司RISC-V的IPSi-Five、臺灣晶心、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：RISCIPS是高效精簡指令集計算機體系結構中的一種，IPS的優(yōu)勢主要有三點：一是發(fā)展歷史早，IS190年代已經(jīng)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IPSIPS在架構授權方xM219年曾經(jīng)有開放IPS允許二次授權。POWERPOWER架構是由IBM設計的一種RISCPOWER在大型機領域獨具優(yōu)勢。POWER364位架構處理器，開始應用銅互聯(lián)和SOI（絕緣體上硅）POWER9依然SMP（對稱多處理技術）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CPU性能提出較高要求，很多網(wǎng)絡安全、嵌入式系統(tǒng)使用和桌面、服務器相同級別的CPU。UPPU10z，通常率與規(guī)格做適當縮減，并將SB/DPMAD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(yè)控制、智能家居、遙控器消費領域，以及汽車電子、工業(yè)上的步進馬達、機器手臂的控制等，都大量使用U。專用處理器實現(xiàn)面向某一領域的特定功能。例如數(shù)字信號處（SPigilSinlPossoSP芯片也稱數(shù)字信號處理器，是一種專用于進行數(shù)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(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。SP一般專用于PUSP引擎控制、激光打印機控制、噴繪機控制、馬達控制、電力系統(tǒng)控制、機器人控制、高精度伺服系統(tǒng)控制、數(shù)控機床等。其它專類腦計算芯片等。CPUEDA輔助設計工具和IP服務，半導體制造設備、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輔助設計工具(ElectronicdesignA工具（lctrnicsignutatio，電子設計自動化）AA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A工具可分為：模擬電路設計軟件；數(shù)字電路設計軟件；工藝輔助設計軟件等。IPIP核，又稱知識產(chǎn)權核（IntellectualPropertyCore），是指具有預先設計的功能并且重復用于其它系統(tǒng)的電路模塊。IP半導體制造設備是CPU芯片制造的基礎，半導體制造流程包7%，硅片制造設備及其他占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)是臺積電、三星等，5。以流片環(huán)節(jié)為例，219年全球十大半導體流片代工廠分別為：臺積電、三星、格芯、聯(lián)電、中芯國際、rz、華虹半導體、IS、P、onbik。其中境內廠商有中芯國際、華虹半導體，境內企業(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廠商、行業(yè)解決方案、應用我國CPU市場規(guī)模和潛力非常大，龐大的整機制造能力意味著巨量的CPU2018年國內計算機整機產(chǎn)量達20%。另外，國內在物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興計算從整個CPU的技術發(fā)展歷史來看，大致可以分為以下幾個階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機中，開創(chuàng)了全新的微機時代。也正是8088開始，PC（personalcomputer——個人電腦）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移動運算2003AMDAMD64–64x86指令集擴展，該指令集由于良好的兼IntelEPIC2004IntelNocona64Intel迄今64位服務器產(chǎn)品。同年，ARMARMv7CortexCortex-M32005IntelPentiumD2x8620062IntelCore微架構的產(chǎn)品體系統(tǒng)稱?？?，是一個跨平臺的構架體系，包括服務器版、桌面版、移動版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采用雙核設計，將GPUCPU封裝在一起，CPU的制造工藝升級到了32nmIntel后續(xù)的產(chǎn)品序列來看，可以認為第一代酷睿處理器是基于Clarkdale微架構的產(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、高性能計算、及嵌入式領域均實現(xiàn)CPUCPU，都取得了較大進展。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芯片同國際差距擴大的態(tài)50-701956年，半導體科技被列為國家新技術四大緊急措施之一。此后，中科院計算所、109廠、半導體所先后成立，鍺晶體管、硅平面晶109乙機、109丙機、156機的誕生分別提供了基礎。1975年，伴隨大規(guī)模集成電路013機研制成功。CPU80-9010921世紀從“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）的兩個細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。雖然AMDZEN3架構的處理器，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，同時憑借強大的生產(chǎn)線，仍然處于絕對PCCPU（IoT20202020變化CPU（20202020變化表3IntelPCCPUCPU2020年份第四季度份額CPUx86ARMx86為當前服務器CPU的主流架構，占據(jù)服務器市場的絕大多數(shù)份額，代表性廠商為Intel和AMD，國內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下，ARM架構有望發(fā)揮其在移動市場的傳統(tǒng)優(yōu)勢，借力端/云協(xié)同，搶占服務器市場更多份額。據(jù)Omdia的統(tǒng)計結果顯示，2021340萬臺，和之前歷史最高水平（2020年第二季度）持平，預計2021920億美元。其中人工智能和分價格有所升高。值得注意的是，2021AMD的市場份25%還有一定差距。局面。2020914日，英偉達和軟銀集團公司簽訂協(xié)議，以400億美元的價格從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和微軟構建的nl”體系一直牢不可破，ItlPU的發(fā)展并領導著一批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系列臺式機處理器；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），該組合同樣具備強大的影響力。rm9%的nrid在移動操作系統(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，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封裝技術結合形成中道工藝，從而提高晶體管密度，延續(xù)摩爾定律。比如當前業(yè)內最關注的小芯片技術，將一些預先生產(chǎn)好的，能實現(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現(xiàn)。因此，目前業(yè)內（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，桌面和服務器產(chǎn)品性能進一步提升，尤其是海光和華為的服務器產(chǎn)品性能已接近國外中端產(chǎn)品水平，具備一定市PU應用生態(tài)方面，對商業(yè)生態(tài)的要求較低，對安全和定制化要求較高的重點行業(yè)市場成為國產(chǎn)PUPU在黨政辦公、重點行業(yè)等特定市場應用中已經(jīng)實現(xiàn)了對國外部分21-220PUPU出貨量呈現(xiàn)連續(xù)上升趨勢，國內市場規(guī)模保持高速增長。但在開放市場中，服務器和桌面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，市場應用初具規(guī)鏈和硬件兼容等指標方面，國內企業(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、高性能國內主流CPU廠商持續(xù)發(fā)力，逐步構建完整生態(tài)。飛騰在服CPUCPU方向持續(xù)發(fā)布新產(chǎn)品。20207月，飛騰S2500CPU，采用全新內核，最高支CPU8核處理器。龍芯產(chǎn)品應用