半导体系列（三）：芯片设计篇之CPU研究，国产CPU到底行不行

CPU又称中央处理器，作为计算机系统的运算和控制核心，是半导体产业技术最密集、最具战略价值的产品，是一个国家技术势力的象征。

目前CPU的市场基本被美国的两大公司垄断，分别是大哥Intel和小弟AMD，两家几乎占领了99%的市场份额。

目前Intel和AMD以X86指令集和微软共同建立了庞大的生态系统并且不对外开放，这样一来，中国队想要自己做CPU的空间不多了。

01 CPU定义

CPU在半导体行业中是人们常接触到的一种芯片，最常见的应用就是在电脑中，其中有名的有Intel的 i9-11980HK 和AMD的 R7-5800X 。

按照CPU种类来分类，可以分为服务器CPU、家用电脑CPU、嵌入式设备CPU和手机CPU，服务器CPU需要更出色的性能、稳定性和安全性，要求服务器365天开机运行，连续工作，一个服务器可以安装多个CPU；而家用电脑CPU性能要求相对较低，容量较小，不要求连续工作，一个电脑只能安装一个CPU；嵌入式设备和手机对CPU的性能要求相对更低。

按照CPU指令集架构来分类，CPU可以分为RISC和CISC。

CISC 即复杂指令系统计算机，物如其名，CISC是比较复杂的，指令系统比较丰富，有特定的指令来完成对应的功能，可以处理特殊任务。

RISC及精简指令集计算机，把精力集中在经常使用的指令上，对不常用的功能，通过组合指令来完成，实现简单高效的特点，一次RISC不能处理特殊任务。通俗来说就是经常用的功能简单化，不经常用的功能复杂化。

这其中CISC代表的指令集有X86，RISC代表的指令集有ARM、MIPS、RISC-V、Alpha、SPARS，除了这两种之外，还有我国自主研发的指令集DEC和LoongArch。

02 六大国产CPU

首先我们来了解一下什么是CPU的生态环境， CPU的生态环境就是一块CPU推出后，系统和软件对它的支持和优化有多少， 比如国产CPU龙芯就没有一个好的生态，不论是采用MIPS还是自主研发的LoongArch都不能支持Windows系统。

自主建立生态环境又难于上青天，而生态如果没有建立，软件商店就不会有软件（比如QQ在Linux中停更），这也是国产CPU发展最大的瓶颈之一。

目前国内有六大CPU设计厂商，他们是华为、飞腾、兆芯、申威、龙芯、海光（均未上市），他们分别以不同的方式参与CPU的设计。

CPU国产替代的故事得从Intel开始。

Intel趁着PC的东风迅速发展，建立了X86架构，标识了一套通用计算机指令集合，并且与微软一起在X86指令集上建立了庞大的生态。

目前的X86指令集不对外授权，只被英特尔和AMD所掌握，而X86又是PC、服务器领域做得最好的，别的指令集的生态环境远远抵不过X86，留给中国队的发展空间实属有限。

中国队CPU分为3个路线。

其一是由 龙芯 和 申威 代表的：自研指令集

龙芯最初采用的是MIPS精简指令集，制作通用CPU，主要产品是自主可控消费类例如服务器、台式机、嵌入式、航天器等领域。

申威最初采用的是Alpha精简指令集，主要应用在超级计算机和军事领域。

龙芯和申威都因为生态的原因，很难发展起来，尤其是龙芯，想要打入服务器和台式机市场必须有很好的生态。

龙芯因为MIPS的分崩离析，开始发展自己的指令集—— LoongArch ，它是完全有龙芯自主研发，可以兼容MIPS生态， 并且开始尝试用二进制翻译兼容ARM、X86处理器，龙芯的目标是在2025年消除指令集之间的壁垒，彻底搞定兼容问题。

申威也因为Alpha被收购，开始发展自主研发的指令集—— SW64 ，它是由Alpha改进而来，申威制作的神威·太湖之光超级计算机便采用SW64指令集，被称为“国之重器”，在国际上都有一定的地位，多项指标全球第一。

第二路线是由 华为 和 飞腾 代表的：ARM指令集授权

华为芯片“四大天王”麒麟、鲲鹏、巴龙、升腾中，除了巴龙以外，均采用ARM指令集授权来开发。这其中最著名的就是“麒麟”了，在手机领域一度领先，直至海外因畏惧华为的崛起，开始了制裁华为事件，就此“麒麟”短暂隐身。

飞腾也是国内目前使用ARM架构制作CPU的厂商之一，其技术不弱于高通，目前公司也被美国列入黑名单，其芯片制造环节同样被卡脖子，可能成为第二个华为。

除了华为和飞腾以外，国内以ARM架构制作芯片的厂商还有很多，例如贵州华芯通、展讯通信等。

第三路线是由 兆芯 和 海光 代表的：合资获取X86授权

兆芯的X86架构授权是源自于VIA公司将部分X86处理器相关技术、资料等IP产权以1.18亿美元价格卖给兆芯。兆芯基于X86的生态和技术，性能方面普遍高于龙芯，但还是不能和英特尔比肩。

海光的X86架构授权是通过和AMD合资公司来拥有AMD授权IP，但并不是完整的技术转让，而是阉割后的残缺版，所以性能上面和AMD锐龙、高通骁龙差一个档次。

03 RISC-V

RISC-V近些年流行的新型指令集，它是一种开源式指令集，对使用者免费开放，也是这种特性使它被众多专家认为是中国处理器产业的一次机会，而且可能是最后一次机会。

目前全球CPU的市场格局是以X86架构垄断PC、服务器行业；ARM架构垄断移动设备行业，这两家几乎涵盖了所有CPU市场需求。

X86架构归“Wintel”（英特尔+微软）所属，是一种封闭指令集，不对外授权， 简单说就是谁也别想用，就我自己能用 ；ARM架构属于可授权指令集+可授权设计， 简单说就是你用需要经过我同意并且收费，你想再它基础上设计还得再经过我同意并且再收费。

正因为如此，RISC-V作为开放式指令集，被中国队大力支持，看作救命稻草。

那RISC-V究竟有没有那么好呢？我们主要得看两方面： 一个是它的生态好不好，生态是决定指令集发展空间的最大因素；另一个就是它到底是不是彻头彻尾的免费，日后会不会再被卡脖子。

第一，RISC-V的生态怎么样。

RISC-V具有性能高、功率低、面积小、易于扩展等技术特点，最重要的是它的开源、免费的独特属性，为其带来众多合作商，影响力逐步扩大。

从2015年组织RISC-V基金会成立是的25个成员，到现在已经有超过300多个单位的加入，其中包括阿里、谷歌、华为、英伟达、高通、中科院、麻省理工等等。

日前，有知情人士表明，英特尔将以20亿美元收购RISC-V领域的重量级公司SiFive，这也表明了英特尔的态度。

虽然英特尔靠X86架构在PC、服务器领域无人能敌，但是移动设备一直是他的心病，ARM在移动设备领域是他无法抗衡的，而RISC-V的出现，给了机会。

但是看好归看好，ARM的垄断地位依旧很难撼动，RISC-V后续可能与X86联手对抗ARM，但更大的可能是打入嵌入式设备市场中，做物联网领域的“一哥”。

总体来说，不论是PC、服务器，还是移动设备，都很难被RISC-V介入，相反一些嵌入式设备比如空调、冰箱、扫地机器人、电动车等等发展环境更好。

第二，RISC-V是否永远免费。

RISC-V源于2010年，加州大学伯克利分校的一个研究团队研发，当时他们因为市场已存在的指令集相当复杂，且成本和门槛太高，所以建立了新的指令集。

“开源架构RISC-V将永久免费，成为人类共有财产。相较于X86和ARM架构的高门槛，开源架构RISC-V将带来芯片设计的革命”——RISC-V架构开发者之一Krste Asanovic博士。

这是RISC-V架构开发者的原话，表明该指令集是完全开源免费的，到目前为止他们也很好的履行了，甚至把基金会总部搬离美国，迁移至瑞士（永久中立国）以防止美国地方政策的限制。

尽管RISC-V从表现来看做得很优秀，但抽丝剥茧，终究还是有隐患在的。

实现RISC-V指令级架构的处理器内核有很多个不同的微架构实现，而微架构实际的模式是分不同类型的，其中有开放的、需授权的以及封闭的。

虽然基于RISC-V开发CPU不需要支付授权费用，但如果直接用RISC-V内核设计，也是需要支付授权费的。通俗来说就是你用我不需要收费，但是想在它的基础上设计得经过我同意，甚至收费（我们目前是全免费，但我有权利在以后收些钱）。

总结来说，目前全球的指令集呈现以X86、ARM、RISC-V三足鼎立的局势，RISC-V作为新时代的弄潮儿得到了各大厂商的认可，有发展的空间，但它不足以撼动其他两个指令集的地位，不过可以预料到的是，等RISC-V成长起来，仍然有可能对我国CPU发展卡脖子，我们需要保持隐患意识，在跟随洋人步伐的同时，发展自身CPU业务。

纵观国内厂商在电脑CPU领域，龙芯以自研为主，开发属于中国的指令集，目前已经可以满足一些党政领域以及机密工作的需求，但打入家用电脑领域仍需要提升CPU的生态和性能；服务器CPU中，申威在超算上小有成绩；华为近期也有消息称完成40nm去美化工作线投产，在明年更将攻破20nm的工作线，麒麟可能会重新归来；一些未上市公司如芯来 科技 、平头哥等也有在尝试RISC-V领域。

种种迹象都在证明，虽然我们起步慢了30年之久，但国产CPU一直在突破，路途艰辛却一路披荆斩，长夜漫漫，但黎明终将到来。

全文由各种资料查证，如有专业领域上的错误，希望可以抛砖引玉，有所探讨。

芯片全产业链图（绿底已经写完）

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芯片一直以来就与我们的生活息息相关，它一直在围绕我们的生活在运转，无论是在特斯拉 汽车 、烤面包机还是烘干机。随着全球经济迎来复苏，芯片有可能会出现一种供不应求的现象。该现象将有可能带动芯片的价格上涨和通胀上升。芯片半导体概念股或将迎来新的一轮炒作，俞哥特整理份芯片半导体龙头股供大家参考。

兆易创新 ：公司核心产品为存储器的NOR系列闪存，MCU微控制器产品和指纹芯片和触控芯片等传感器产品。兆易创新作为一家本土的半导体公司，采用的是无晶圆厂的运营模式，公司产品线均跻身全球前三。为了提高公司的竞争力，公司今年将推出首颗19nmDDR4产品。面对国内外“缺芯”的问题，兆易创新表示年底将会量产最新车规MCU产品。该产品对车辆的作用极大，平均一辆车上使用的MCU达到70颗，但凡缺少一颗，就会卡住整车的生产

景嘉微 ：公司是国内GPU龙头，也是国内唯一能自主研发出GPU的企业。公司主要在信息探测、信息处理和信息传递等领域为客户提供高可靠、高品质的解决方案、产品和配套服务。产品主要包括图形显控、小型专用化雷达和芯片等，主要应用于军用领域。 对于景嘉微的发展，让我们拭目以待，如果对于投资方面想不明白，你可以参考目前的市场氛围如果光刻机、CPU的龙头公司如果上市，市值要多少，这样一想就豁然开朗了。

扬杰 科技 ：国内功率器件龙头公司。公司 汽车 电子相关产品包括二极管、三极管、MOSFET，公司第三代半导体已经实现批量销售。关于产品价格方面，近期有做上涨调整，总体来看还是呈涨价趋势。2021年公司产能继续大幅扩张，2021年公司产品价格上调幅度大约为5-15%。

中芯国际 ：中芯国际是中国大陆规模最大的晶圆厂，在全球纯晶圆代工领域排名第四。公司的业务除了集成电路晶圆代工外，还在设计服务与 IP 支持，光掩膜制造以及凸块加工及测试方面提供完备配套服务。业务覆盖下游绝大部分，在行业内有着举足轻重的地位。公司计划2021年将投入43亿美元用于扩充公司业务。中芯国际计划今年成熟12英寸产线扩产1万片，成熟8英寸产线扩产不少于4.5万片。在实体清单影响下，公司会考虑加强第一代、第二代FinFET多元平台开发和布建，并拓展平台的可靠性及竞争力。

三安光电 ：公司主要从事全色系超高亮度LED外延片，芯片，微波通讯集成电路与功率器件等产品的研发，生产与销售。随着lED行业的回暖，以及公司半导体业务的爬坡快速增长，公司在未来三年内业务将会迎来快速增长，公司盈利能力也将进行爬升。

士兰微 ：公司是集成电路的龙头公司，公司的MOSFET技术在国内处于领先地位， 也是目前国内拥有全部MOSFET主流器件结构研发和制造能力的主要企业。公司的 车用IGBT模块也已交付上汽、北汽等国内知名厂商测试，开始小批量供货；MEMS传感器打入小米、华为等国内大客户。

公司作为中国集成电路设计行业的领先企业，已掌握和拥有的技术可从事中高端产品的开发，核心技术在中国同行业中处于较高水平，具有明显的竞争优势。 凭借持续大力研发投入和坚持IDM模式积累的技术优势，公司产品竞争力强，且在下游市场高景气度驱使下，未来成长动能充足。

北方华创 ：公司是国内半导体设备龙头企业，主要从事基础电子产品的研发、生产、销售。公司深度布局半导体装备、真空装备、新能源锂电装备和精密元器件，产品体系具有较强竞争力。为了提高自己的竞争优势，公司 定增募资85亿元，将受益行业扩容+国产替代持续成长

长电 科技 ：公司是全球知名三极管制造商，国内集成电路封装测试的龙头企业。全球领先的半导体微系统集成和封装测试服务提供商，提供全方位的微系统集成一站式服务。 由于国外疫情影响，全球封测产能严重的吃紧，公司的订单充足，国内疫情以及得到了控制。作为全球第三，大陆第一 的封测龙头，公司将有望凭借技术优势和成本优势从中受益。

北京君正 ：公司是国最具发展潜力IC设计公司，是国内拥有自主创新CPU核心技术的极少数公司之一，是国内出货量最大的自主设计嵌入式CPU 芯片供应商。

紫光国芯 ：公司存储器芯片业务深耕国产计算机的应用需求，产品继续在服务器、个人计算机、机顶盒、电视机等方面稳定出货，强化了国产DRAM存储器供应商的领导地位。公司自主创新的内嵌ECC DRAM存储器产品，在有安全和高可靠性要求的工控、电力、安防、通讯和 汽车 电子等领域已实现批量销售。新开发的平面SLC Nand Flash产品已经完成验证，开始客户试验。

英特尔公司（INTC）

英特尔是一家集成设备制造商，致力于设计和制造主板芯片组，网络接口控制器和集成电路。该公司的最初产品是存储芯片，包括世界上第一个金属氧化物半导体。今天，英特尔为各种计算机和技术公司创建处理器。分析师预计，在2020年6月，苹果公司（AAPL）宣布计划终止与英特尔的长期合作关系，而苹果公司准备内部生产自己的芯片。

台积电（TSM）

台积电（Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.）是全球最大的独立自主纯晶圆代工厂。纯晶圆代工厂仅制造集成电路，不具有任何内部设计能力。许多半导体公司将其组件制造外包给台湾半导体。

高通公司（QCOM）

高通公司是一家设计和销售无线通信产品和服务的全球半导体和电信公司。全球各地的电信公司都使用高通公司的专利CDMA（码分多址）技术，该技术在无线通信的发展中起了不可或缺的作用。其Snapdragon芯片组可在许多移动设备中找到。

Broadcom Inc.（AVGO）

Broadcom生产数字和模拟半导体，并为计算机的蓝牙连接，路由器，交换机，处理器和光纤提供接口。

美光科技公司（MU）

美光科技在国际上销售半导体产品。其产品用于计算机，消费电子产品，汽车，通信和服务器。它创建闪存RAM产品以及可擦写光盘存储解决方案。

德州仪器（TXN）

德州仪器（TI）为全球制造商设计和制造半导体。该公司是移动设备，数字信号处理器和模拟半导体芯片的主要制造商。它仍然生产最初广为人知的产品：计算器。德州仪器（TI）在1930年成立时是一家石油和天然气公司，然后在1940年代专注于国防系统电子产品。该公司于1958年开始从事半导体业务，目前拥有成千上万的专利。

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