作者|高禾投资研究中心行业研究组
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「国产CPU」行业研究报告 
1  CPU行业市场研究综述

 

 1.1  CPU定义及分类

 

 1.1.1 定义
CPU是中央处理器（central processing unit）的英文简称，作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元，是计算机的核心组成部件。
CPU的本质是超大规模集成电路，用于解释计算机指令和处理计算机软件中的数据，并负责控制、调配计算机的所有软硬件资源。CPU从逻辑上可以划分为控制单元和运算单元等。控制单元从存储单元中获取可执行的代码，通过指令译码将其转换为可执行的指令，进而运算单元基于获取的指令对存储单元中的数据进行运算。因此，通用CPU也被称作是集成电路中的“珠穆朗玛峰”，对集成电路和软件产业具有基础性和带动性作用。 图：CPU概念图 
来源：龙芯中科官网、高禾投资研究中心 1.1.2  分类

按照采用的指令集，CPU可以分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两大类。
复杂指令集架构与精简指令集架构是基于两种不同的指令集思路进行设计，这两种架构有着各自不同的特点：
复杂指令集指令丰富、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；
精简指令集指令结构简单、易于设计，具有较高的执行能效比。
其中，x86架构是复杂指令集的代表，而ARM架构、MIPS架构和Alpha架构等是精简指令集的代表。
x86、ARM、MIPS和Alpha架构的特点比较如下表所示：

2 CPU的发展历程
2.1 CPU全球发展历程
集成电路发明之前，人类已经拥有较多的技术积累，包括 18 世纪相继发现硫化银电阻温度的关系、光生伏特效应、光电导效应等半体特性。19 世纪初 ，英国科学家发明第一只电子管，随后科学家们逐步发现各种半导体材料。1947 年贝尔实验室诞生第一只晶体管，人类步入飞速发展的电子时代 。1958年德州仪器 Jack Kilby展示第一款集成电路（IC），1959年仙童公司 Robert Norton Noyce发明硅平面工艺的集成电路 ，标志着半导体产业由 “发明时代”进入 “商用时代 ”。
Intel 与AMD 公司的创始人期初都来自于仙童半导体公司。随着1975 年第一个桌面计算器Altair8800 的诞生，计算机微型化大幕正式开启。随着“蓝色巨人”IBM 正式进军微型计算机领域，由于Intel 在微型处理器的技术领先，所以成为了IBM 的第一供应商，但IBM 为了防止CPU 厂商一家独大，要求Intel 将技术授权给一家二级供应商。由于公司的渊源关系，Intel 将自身的8086 处理器技术授权给了AMD 公司（备选公司还有摩托罗拉、Zilog、国民半导体、仙童半导体），同时AMD 公司也放弃了自身的竞争产品，成为了Intel 的后备供应商。此后，两家公司在长达半个世纪的竞争中，不断进行研发投入和技术迭代，进而几乎占领了全球CPU市场，产业长期形成双寡头垄断格局。
半导体产业发展历程如下图所示：

来源：电子工业出版社《集成路产全书》 2018 年9月第1版，尚普咨询、高禾投资研究中心
2.2 CPU国内发展历程

2.2.1  技术起步期（20世纪50-70年代）
在此期间，国内计算机研究服务于“两弹一星”，实现了完全的自主创新，但是没有走向市场。1956年，半导体科技被列为国家新技术四大紧急措施之一。此后，中科院计算所、109厂、半导体所先后成立，锗晶体管、硅平面晶体管、集成电路等半导体器件相继实现突破，为109乙机、109丙机、156机的诞生分别提供了基础。1975年，伴随大规模集成电路技术的兴起，我国第一台集成电路百万次计算机013机研制成功。这一时期独立自主的产业发展为我国CPU事业打下了坚实基础。
2.2.2  行业转折期（20世纪80-90年代）
在此期间，国内计算机产业开始走向市场化，却逐渐丧失了自主性，传统的芯片研究队伍几乎全面垮掉。1985年，中科院计算所、半导体所有关研制大规模集成电路的单位和109厂合并，成立中科院微电子中心。但这一时期，由于政策支持力度有所减弱等原因，产业完全市场化但自主性不足，更关键的是传统研究队伍的逐步流失。
2.2.3  快速发展期（21世纪初至今）
从“十五”开始，国产CPU自主性的问题再度提上议程，产业政策不断加码。泰山计划、863计划等催生了一批国产CPU品牌，2002年，我国首款通用CPU——龙芯1号（代号X1A50）流片成功。2006年，“核高基”重大专项推出，“高”即为高端通用CPU。2014年，我国发布《国家集成电路产业发展推动纲要》，国家集成电路产业投资基金第一期成立，主要投资集成电路制造企业。2019年，国家大基金第一期成立，主要投资应用端。2021年，国产CPU厂商陆续提交IPO方案，开始加速进入资本市场。
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3 CPU市场规模
3.1  全球CPU市场规模

 

 CPU 的重要应用领域包括桌面和服务器，每台桌面通常只有一颗 CPU，而每台服务器的 CPU 数量不定。
桌面领域，2015 年至 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 年全球桌面出货量较前 5 年有较大增长。
服务器领域，根据IDC数据，2020年全球服务器出货量达1,220万台，同比增长3.92%。

来源：IDC、高禾投资研究中心
过去十多年，全球服务器市场总体保持了稳健的增长。根据IDC数据，2020年，受全球互联网行业资本投入收缩和“新冠疫情”的影响，全球服务器出货量为1,212.9万台，销售额910.2亿美元，同比分别增长3.26%和4.37%，增速低于前期平均水平。
但随着更多的经济及社会活动由线下转移至线上，对于数据存储及运算能力提出了更高的要求，未来服务器市场需求将恢复快速增长态势。2014年至2020年全球服务器的出货量和销售额的趋势如下图所示：

来源：IDC、高禾投资研究中心
3.2  国内CPU行业市场规模

 

 国内桌面领域，近年来出货量同样呈现缓慢下降的趋势，但是整体出货量依 然保持在5,000万台/年左右。

来源：Wind、高禾投资研究中心
国内服务器领域，根据 IDC 数据，2020 年国内服务器出货量为 350 万台，同比增长 9.80%。2021年上半年，国内服务器市场出货量为170.6万台，同比增长8.9%；市场规模为108.1亿美元，同比增长12.1%。其中，X86服务器市场出货量为167.2万台，同比增长8.0%；市场规模为104.9亿美元，同比增长12.6%。

来源：IDC、高禾投资研究中心
2021年上半年，国内整体服务器市场在出货量和厂商销售额均保持稳健增长，得益于在疫情控制方面取得的成功，国内经济在2021年迎来强劲复苏，大部分企业基于业务需求，在服务器采购上均呈现出旺盛的需求，尽管由于全球供应链导致的短缺问题愈发显著，使得部分需求无法兑现，但国内服务器市场在厂商销售额方面依然保持了两位数的正增长。除了互联网企业之外，传统行业的增长也是2021年上半年市场增长的主要驱动力，金融、制造、服务、医疗和能源均呈现20%以上的同比增长，其中金融表现尤为突出，在智慧金融建设的推动下，金融机构从2020年第四季度开始的旺盛需求持续到了2021年上半年。
总结近两年市场情况，国产CPU的桌面和服务器产品发展迅速，但市场份额仍不足 5%，未来市场份额增长空间巨大。
4  集成电路产业链分析

 

 集成电路产业链相应划分为上游产业支撑环节、中游设计制造环节、下游应用环节。其中，中游设计制造环节主要分为集成电路设计、集成电路制造和封装测试等三个主要部分，每个部分配套不同的制造设备与生产原材料等辅助环节。
图：集成电路产业链分析图

来源：龙芯中科招股书、高禾投资研究中心
具体而言，CPU上游原材料，主要指半导体晶圆制造材料以及半导体封装材料，其中高纯度硅片、基板、光刻胶等是核心原材料，光刻机是核心生产设备。
CPU中游生产环节，包括设计、制造、封装测试三个环节。其中，设计是指将系统、功能与性能的具体要求转化为物理版图；制造环节是指在准备好的晶圆材料上按照物理版图构建完整电路的过程；封装测试的具体过程是对合格晶圆进行切割、焊接、封装，使芯片电路与外部器件实现连接，并对封装完毕的芯片进行功能和性能测试。
CPU下游应用环节，已经广泛应用到消费电子、工业电子、物联网、数据中心等领域。 
5  CPU行业驱动因素分析

 

 5.1   国家、地方产业政策支持，国产替代迎来巨大机遇

 

集成电路行业是信息化社会的支柱，其发展水平是国家科技实力的重要体现，对国家的信息安全具有极其重要的意义。我国一直高度关注以处理器为代表的集成电路产业的发展，近年来，国家相继推出了一系列鼓励集成电路行业发展的优惠政策，对我国集成电路产业的快速发展起到了重要作用。集成电路产业目前呈现专业分工深度细化、细分领域高度集中的特点。目前，中国拥有全球最大且增速最快的半导体消费市场。2020年，中国半导体产业产值达8,848亿元，比上年增长17.01%。巨大的下游市场配合积极的国家产业政策与活跃的社会资本，正在全方位、多角度地支持国内半导体行业发展。随着集成电路产业链相关技术的不断突破，加之我国在物联网、人工智能、新能源汽车等下游市场走在世界前列，有望在更多细分市场实现国产替代。 
5.2  新兴科技产业的发展，带来新的市场增量空间
随着物联网、5G通信、人工智能等新技术的不断成熟，消费电子、工业控制、汽车电子等集成电路主要下游制造行业的产业升级进程加快。下游市场的革新带动了集成电路行业的规模增长。在物联网领域，根据Gartner提供的数据，全球联网设备从2014年的37.5亿台上升到2020年的250亿台，形成超过3,000亿美元的市场规模，其中整体成本集中在MCU、通信芯片和传感芯片三项，总共占比高达60%至70%。在汽车电子领域，相比于传统汽车，以自动驾驶为代表的新一代汽车需要使用更多传感器与集成电路设备，并包含多个CPU、GPGPU和人工智能专用处理器，单车半导体价值将达到传统汽车的两倍。新兴科技产业将成为行业新的市场推动力，并且随着国内企业技术研发实力的不断增强，国内集成电路行业将会出现发展的新契机。 
5.3  集成电路国产化进程加速，安全可控趋势日趋明显
信息产业是国民经济的主导产业，同时支撑着传统产业的转型升级。信息产业的持续发展，带来了集成电路消费需求的持续增长。然而，国内市场对进口通用处理器过度依赖，多数通用处理器产品需要从境外采购，桌面市场主要为 Intel、AMD 占领；服务器市场则主要为 Intel 垄断。我国对进口通用处理器的过度依赖已经成为我国信息产业发展的一大软肋。受国际供应链不确定性影响，近年来部分企业的 CPU 供应也成为问题。根据海关的统计数据，集成电路已经超过原油，成为我国第一大进口商品，2020年的进口额度已经达到24,207亿元，同比增长14.8%。对国外集成电路产品的高度依赖，极大影响了我国信息产业的可持续发展。
6  CPU行业制约因素分析

 

 6.1 高端专业人才稀缺，行业发展面临长期人才缺口 

 

CPU 行业是典型的技术密集行业，在架构设计、电路设计、先进工艺应用、先进封装设计等方面对创新型人才的数量和专业水平均有很高要求。我国信息产业应用人才充足，但基础软硬件人才极度缺乏。经过多年发展，虽然我国已经培养了一批高水平芯片研发专业人才，但由于行业发展时间较短、技术水平较低，且人才培养周期较长，和国际顶尖 CPU 企业相比，高端、专业人才仍然紧缺。未来一段时间内，人才匮乏依旧将是制约 CPU 行业快速发展的瓶颈之一。 
6.2  我国集成电路行业竞争力有待提升

 

国际主流集成电路设计公司大都经历了五十多年的发展，积累了大量的技术、市场和人才资源。我国集成电路设计企业多处于成长期，与国际同行相比，资金实力相对较弱，技术差距尚待缩小。尤其在制造环节所需的材料和设备方面存在明显的短板，产业链上下游的技术水平在一定程度上限制了我国 CPU 行业的发展。目前我国 CPU行业中的消费级市场仍由国外企业占据绝对主导地位。另一方面，产业链上下游存在的不足也在一定程度上限制了我国高端芯片设计行业的发展。我国集成电路产业环境有待进一步完善，以CPU和GPU为代表的高端芯片设计行业的整体研发实力、创新能力和应用推广能力仍有待提升。
7  CPU行业政策因素分析

 

 集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。近年来，我国政府陆续出台了大批鼓励性、支持性政策法规，投入了大量社会资源，为整个产业的升级和发展营造了良好的政策环境。
表：行业政策汇总表
 8  CPU行业市场竞争格局

 

CPU是计算机科学和微电子技术研发成果的结晶，代表着集成电路设计的最高技术水平。服务器CPU架构主要包括x86和RISC架构。截至2020年底，x86架构服务器CPU在全球服务器市场中销量占比超过97%，为当前主流架构，其代表性国际厂商为Intel和AMD。
从CPU 的市场占有率来看，AMD 公司的CPU 市场份额占比在2006 年达到历史最高，几乎与Intel 平分秋色在短暂落后AMD 后，2008 年英特尔重磅推出酷睿架构，以超高能效比的优势重新确立CPU 龙头地位。酷睿产品推出在PC 市场大获成功，在移植到台式机后的酷睿2 更是将AMD市场份额大幅夺回。此后的Intel 推出的产品不论是在产品性能方面还是在制造工艺方面，都领先于AMD，并坐稳了CPU 龙头宝座。

来源：Passmark、高禾投资研究中心
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。
Intel 于上世纪 80 年代自研 X86 指令系统架构，凭借先发优势迅速扩大市场份额并构建生态优势，并通过与 Windows 联盟形成“Wintel”联盟逐步占领桌面 CPU 市场；ARM 则在苹果、高通、三星、华为、英伟达等方面的努力下，凭借其指令系统开源、异构运算、可定制化等一系列优势，立足于低功耗的移动市场。Wintel 体系与 AA 体系正是凭借对操作系统和 CPU 芯片的垄断，设定了一系列技术规范与标准，构建了庞大的软件生态体系，从而主导着主流 CPU 市场。
围绕 CPU 芯片和操作系统两个基点，CPU 行业内存在 Wintel 体系和 AA 体系的两种模式：（1）在 Wintel 体系中，CPU 厂商生产芯片，操作系统厂商提供操作系统；（2）在 AA 体系中，CPU 厂商对芯片或系统厂商进行指令系统或 CPU IP 核授权，操作系统厂商提供基础版操作系统，由整机厂商定制专用芯片和发行版操作系统。龙芯中科充分吸收上述两类模式的优点，以 CPU 销售为主业，并开发与龙芯CPU相配套的面向信息化应用的基础版操作系统Loongnix以及面向工控应用的基础版操作系统 LoongOS，支持操作系统厂商及整机厂商研制发行版操作系统。
CPU 是信息产业中最基础的核心部件，设计技术门槛高、研发周期长，且具有极高的生态壁垒。Wintel 体系起步较早，目前在桌面和服务器市场中占主导地位；AA 生态体系则主要应用于移动平台，在移动芯片市场占主导地位。目前，国内 CPU 产品大多数是基于 X86 和 ARM 指令系统。
近些年，随着国内处理器设计和基础软件研发水平提升，独立于 Wintel 和 AA 的其他生态体系开始出现，如龙芯中科推出的基于 LoongArch 指令系统的生态体系。支持LoongArch 的 CPU 市场占有率目前尚低，但随着相关 CPU 产品性能的提升和生态的不断完善，其竞争力正不断增强。
国产 CPU 企业目前主要有 6 家，分别是龙芯中科、申威科技、华为海思、飞腾信息、海光信息、上海兆芯。按采用的指令系统类型可大致分为三类：第一类，是龙芯中科和申威科技，早期曾分别采用 MIPS 兼容的指令系统和类Alpha 指令系统，现已分别自主研发指令系统；第二类，是华为海思和飞腾信息，采用 ARM 指令系统；第三类，是海光信息和上海兆芯，采用 X86 指令系统。
9  国产CPU行业的“六大厂商” 经过近二十年的沉浮发展，国产CPU 产业已初具规模，并涌现出一批领军企业，其中，龙芯中科、天津飞腾、华为鲲鹏、上海兆芯、申威科技及海光信息被业内称为中国“芯”的“六大家族”。
从进入资本市场进度来看，龙芯中科科创板IPO已经过会，海光信息已报材料，另外，上海兆芯也传出有IPO的计划。
其中，进展最快的当属龙芯中科，2020 年 12 月，北京证监局官网公告，龙芯中科与中信证券签署科创板上市辅导协议，2021 年 7 月报科创板注册稿，2021 年 12 月通过交易所审核过会。
紧随其后的是海光信息，2021 年 1月，天津证监局官网公告，海光信息与中信证券签署IPO辅导协议，拟在科创板上市。2021 年 11月该公司刊发招股说明书，目前为待审核状态。
根据CPU指令集体系进行分类：
1）复杂指令集（CISC）下，以X86架构为主，国内代表厂商包括海光信息、上海兆芯；
2）精简指令集（RISC）下，涉及ARM架构、MIPS架构、Alpha架构等，国内代表厂商包括华为鲲鹏（ARM）、天津飞腾（ARM）、龙芯中科（MIPS）、申威科技（Alpha）等。

来源：高禾投资研究中心
而如果以自主可控和授权来分：
第一类，以龙芯中科和申威科技为代表，基本实现完全自主可控或仅在部分关键技术需付专利费；
第二类，以天津飞腾和华为鲲鹏为代表，获得授权等级最高的指令集层级授权，企业可以对ARM指令集进行改造以实现自行设计处理器；
第三类，以海光信息和上海兆芯为代表，获得x86的仅内核层级的授权，未来扩充指令集形成自主可控指令集难度较大。