摘要：CPU是信息化社会的大脑，其技术水平已成为衡量一个国家产业竞争力与综合国力的重要标志之一，计算产业已经成为全球各国博弈的焦点。全球CPU产业生态发展进入关键变革期，先进代工工艺的发展导致高端CPU设计和制造呈现解耦合趋势，ARM生态向X86优势领域发起挑战，新架构和新模式冲击传统CPU生态。我国基于不同CPU架构发展形成了四大生态阵营，已经在各领域实现广泛应用，但仍面临企业实力较弱、技术能力不足、产业链供应链面临风险等问题。在当前疫情影响、新基建背景下，我国亟需抓住机遇实现CPU突破发展。

　　关键词：新时期；CPU生态；发展研究

　　Research on CPU ecology development in new period

　　GEJie（CCID Wise Integrated Circuits Research Institute, Beijing 100036,China）

　　Abstract: CPU is the brain of the information society. Its technical level has become one of the important symbols to measure the industrial competitiveness and comprehensive national strength of a country. The computing industry has become the focus of the game among countries all over the world. The ecological development of CPU has entered a critical period of change. The development of advanced foundry has led to the decoupling trend of CPU design and manufacturing. ARM ecology has challenged the superior field of X86, and new architecture and new mode have impacted the traditional CPU ecology. China has formed four ecological camps based on different CPU architectures, which have been widely used in various fields,but still face problems such as weak enterprise strength, lack of technical capabilities, and risks in the industrial chain and supply chain. Under the background of the current epidemic and new infrastructure, China is in urgent need of seizing the opportunity to achieve CPU breakthrough development.

　　Keywords:New period; CPU ecology; development research

　　CPU芯片是最典型的高端通用芯片，代表集成电路技术的最高水平，多年来在半导体市场中份额保持在15%以上。CPU技术发展是摩尔定律发展演进的具象化，每一代最先进的工艺制程最先应用于处理器芯片，使其成为推动半导体行业技术和工艺进步的重要力量。CPU生态需要软硬件深度协同，成为支撑电子信息产业甚至整个信息社会的关键基石。

　　1全球CPU产业生态变革趋势

　　高端CPU设计和制造呈现解耦合趋势。X86生态的领先得益于英特尔制造工艺与芯片设计的协同，但在移动智能终端市场发展带动下，台积电等代工厂先进制造已经赶上甚至反超英特尔，处理器设计和制造正在发生解耦合。一方面，英特尔因工艺放缓、市场驱动不足、外部竞争等问题进入发展拐点。由于良率、散热、产能等问题，原计划2015年量产的10nm工艺多次推迟，2019年中终于推出但产能不足，7nm工艺面临热密度、钴材料等问题进展缓慢，曾多次传出将产品外包给台积电代工，甚至放弃制造业务。另一方面，专用芯片的使用极大挤压了通用处理器的市场空间，受到竞争对手挑战的英特尔增长乏力。AMD、英伟达等公司依托其自主设计，借助台积电先进工艺代工，在桌面、服务器、人工智能、数据中心等市场中发展迅速，进一步冲击英特尔的运营模式。

　　ARM生态向X86优势领域发起挑战。在国际体系中，英特尔和ARM已经在桌面服务器和移动终端两大领域分别形成事实标准和完善生态，但近年来桌面和服务器领域的X86生态受到了ARM的挑战。早期移动应用的计算处理主要在终端侧进行，多基于ARM指令集进行开发、测试和运行。伴随着5G的发展，计算量和复杂程度提升，计算任务多由端云协同完成。相比X86架构，采用端云同构的ARM架构将显著降低应用开发者在异构环境下进行二次开发所造成的性能损失和潜在漏洞风险、能耗和成本等。如亚马逊、Marvell、Ampere等企业已经发布基于ARM的服务器芯片，成为云服务器企业数据中心的重要选择；苹果发布了自研的ARM架构M1桌面处理器，成为ARM进军桌面领域的重要标志。

　　新架构、新模式冲击传统CPU生态。全球产生的数据正在以年ZB的数级增长，面对持续产生的、不同结构类型的海量数据，支持计算机发展多年的冯诺依曼架构也开始凸显其局限性，通用型CPU、GPU、FPGA和ASIC都有各自的专长和局限，使得存算一体、异构计算、量子计算、神经网络计算等新型计算架构开始出现。同时，以RISC-V为代表的新兴指令集掀起了开源硬件和开放芯片设计的热潮，打破了传统指令集授权开发的模式，受到全球很多大中企业、科研院所和初创公司的支持，围绕RISC-V成长起来的生态和社区也发展迅猛，从基础RISC-V指令集、内核IP到开发环境和软件工具，以及风险投资都在推动RISC-V生态的进一步扩大。

　　计算产业成为全球各国博弈的焦点。计算体系的供应链安全和可持续发展是各国发展数字经济的普遍诉求，全球已经有40多个国家将计算上升为国家战略，主要大国均通过国家战略发展计算产业，与美国开展抗衡。目前数字主权都建立在X86体系上，德国、日本等都积极呼吁反对数字霸权。

　　基于数据安全、信息安全等诉求，多国鼓励国内企业发展本土CPU产品。2019年6月，欧盟提出高性能处理器计划（EPI），发展欧盟自主CPU，2020年发布数字欧洲计划，并于2020年12月宣布投入1450亿欧元支持半导体发展，其中高性能处理器是重要支持方向。2019年6月，日本发布《世界最先端数字化国家创造宣言》，即国家IT战略，发展数字经济和计算产业。

　　2我国CPU产业生态发展现状

　　我国基于不同CPU架构发展形成了四大生态阵营。在我国CPU发展历程中，国内企业几乎探索过所有指令集，目前主要形成了四大阵营。一是基于X86架构的阵营，主要包括上海兆芯、天津海光等公司，通过技术授权、建立合资公司等方式，分别与威盛和AMD合作开发桌面和服务器芯片。2019年6月海光被美国列入实体清单，后续业务受到限制。二是基于ARM架构的阵营，国内有200多家企业获得授权开发了嵌入式CPU芯片，其中华为海思麒麟系列产品在移动领域已经与国际主流水平同步。华为和飞腾获得最高水平的ARM-v8架构永久授权，在高性能计算和服务器领域推出鲲鹏、飞腾等产品。华为被美国打压后鲲鹏发展受到影响。三是基于MIPS、Alpha等发展的自主阵营，龙芯和申威获得永久授权发展自主指令集，但这两大指令集基本已经退出国际主流应用，我国企业成为应用产品研发和全球生态构建的单一力量，产品主要应用于党政办公、超算等领域。四是基于RISC-V架构的阵营，国内已有超过40家企业加入RISC-V国际基金会，其中白金会员中中国企业占一般以上，阿里平头哥、华米科技等成为RISC-V生态的重要力量。

　　我国CPU产品在各领域已经实现布局应用。超算领域，申威芯片在架构设计上达到国际领先水平，已稳定应用于“神威·太湖之光”超级计算机。服务器和桌面领域，初步建立了包括CPU、操作系统、数据库、办公软件等在内的国产生态，实现“从不可用到基本可用”的突破，在党政办公等行业领域形成一定的系统替代能力。嵌入式领域，移动处理器从跟随到逐渐引领国际先进水平，有力支撑我国移动通信终端迈向中高端；自主嵌入式CPU芯片也保障了视频监控、数字电视、卫星导航、工业控制等多种行业应用需求。

　　国内产业生态处于发展初期整体实力较弱。国外巨头凭借先发优势，在主流处理器市场如桌面、服务器等构筑了强大的产业生态，形成垄断格局，国内生态实力较弱。一是知识产权方面，英特尔公司保持对X86架构知识产权的绝对控制，arm公司（软银）控制ARM架构的市场主导权（若被收购被英伟达控制），都存在出口管制风险。微软和谷歌在操作系统、数据库、应用软件等领域积累大量专利，而且龙头公司通过高额的研发投入、强大技术实力不断深化垄断地位。二是行业标准方面，龙头企业通过技术优势主导CPU外围硬件生态，如内存条接口、硬盘接口、显卡接口、总线接口等，国内企业很难建立新的事实标准。三是整机方面，龙头企业通过掌控芯片定价权，与下游PC、服务器应用企业形成绑定关系，其他企业难以进入。

　　3我国CPU产业生态突破发展的必要性和紧迫性

　　疫情和新基建带动下为CPU提供广阔市场机会。一方面，疫情影响下远程办公与教学、自动化、数据中心、安防等带动相关基础设施和个人需求被激活，成为CPU市场增长的重要动力。据IDC统计，由于全球云服务商和企业加大服务器投资，2020年全球服务器出货量和销售额分别同比增长18.4%和19.8%，尤其是亚太地区服务器投资十分强劲，同比增长31%。预计全球服务器CPU市场规模将从2019年的200亿美元增长到2024年的276亿美元，年均增长率达到6.7%。

　　另一方面，以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施是新型基础设施重要组成部分。预计新基建背景下服务器出货有望保持高速增长，以20%的年均增长率估算，到2024年我国服务器市场规模将达到440亿美元。按服务器中处理器价值占比约为30%，则2024年我国服务器CPU市场达到132亿美元。

　　网络强国、数字中国建设亟需自主可控CPU作为安全保障。信息化渗透到国民生活的各个领域，网络和信息系统已经成为关键基础设施乃至整个经济社会的神经中枢，保障信息安全至关重要。但是目前国内主要以X86生态为基础构建数据中心服务器，在芯片层面和供应链层面的安全性都极为脆弱，面临的信息安全风险不断加大。2013年曝光的“棱镜门”事件、2018年爆发的英特尔CPU芯片漏洞事件等引起各界对信息安全的广泛关注。特别是2019年华为和中科曙光等厂商被美国纳入“实体清单”，核心技术受制于人的困境进一步凸显，亟需尽快突破自主CPU产品和技术。

　　CPU是实现我国集成电路产业基础高级化发展的重要突破口。从产品层面看，处理器是集成电路最量大面广的产品之一，2019年处理器产值为664亿美元，约占全球半导体市场的16%，而我国处理器产值仅有10亿元。如果我国能通过CPU的发展，使得市场占有率能达到20%以上，则可实现近千亿元产值，处理器的突破又可带动周围配套的南北桥芯片组、接口芯片、存储芯片等的国产化等，预计可实现1:2的带动作用，加上芯片对下游制造、封测等拉动作用，预计可带动4000亿元以上的产值。同时，CPU需要最先进的半导体工艺进行支撑，如果处理器实现突破，则可极大支撑国内先进工艺的发展。

　　4结语

　　我国亟需加快推动CPU产业发展，突破关键核心技术，加强科技自立自强，补齐集成电路产业链供应链短板，为网络强国、数字中国建设奠定坚实基础。

　　一是加强顶层设计和统筹协调。善借主流市场积蓄处理器力量，利用外溢效应和新兴领域发展机会窗口，寻求换道超车。近期瞄准打破垄断，从实现计算机产业安全和信息安全角度出发，在巩固国内X86体系以制衡英特尔的基础上，扶持有实力的ARM架构CPU载体企业发展壮大，提升产业话语权。同时在物联网等新兴市场扶持RISC-V开源生态，加快发展异构计算、存算一体等前沿技术领域。

　　二是以龙头企业为牵引培育和完善CPU产业生态。在芯片层，加快提升国内CPU专用工艺水平，强化对EDA工具和IP支持力度，降低供应链安全风险。在硬件层，鼓励国内企业尽快构建统一的软硬件接口和技术标准。在基础软件层，加快完善和丰富相关驱动内核和基础开发库，为应用软件提供统一便捷的开发环境。

　　三是发挥新型举国体制优势推动CPU实现突破发展。统筹利用国家重大专项、集成电路产业投资基金等资源，围绕选定的技术路线开展上下游企业投资。充分发挥我国集中力量办大事的制度优势和超大规模的市场优势，鼓励大型国有企业采购国产处理器芯片，加速选定路线的成熟。积极依托RISC-V、Linux等开源社区和开源技术平台，扩大中国技术在国际市场的影响力，形成开放发展、互利共生的产业格局。

　　作者简介：

　　葛婕，女，湖北，中国电子信息产业发展研究院赛迪智库集成电路研究所，集成电路产业研究。