国产CPU正从可用向好用转变，自主可控前景可期

CPU（中央处理器）是计算机系统的核心和大脑，也是国家重大战略物资。该系统复杂且难以开发。我国CPU研发起步较早，但发展比较坎坷，“十二五”后走上了正轨。在国家集成电路产业政策和大资金投入等多重措施的支持下，国内一大批CPU设计单位成长壮大，产品覆盖高性能计算、桌面、移动、嵌入式等主要应用场景. 而国内设计公司在CPU指令集架构上主要依靠国际授权和技术合作。飞腾、龙芯、神威等主要厂家，兆芯和海思在各自领域都设计了高度自主可控的CPU，产品本身也在从“可用”向“好用”转变。政府和军工、重点行业市场得到应用推广，生态建设也取得长足进步。MHcednc

本文摘自平安证券研究报告《国产CPU从好用向好用转变，自主可控前景看好》，重点关注国产CPU的发展现状和未来机遇。MHcednc

一、国产CPU发展现状1、国产CPU研发起步早，但发展坎坷，“十二五”逐步走上正轨

CPU是计算机的大脑和心脏，是国家大宗战略产品，是一个极其复杂的系统。一台计算机主要由三部分组成：CPU、内存、外部设备（存储、显示、输入输出等）。CPU负责指示外部设备和内存协同工作，处于指挥和控制位置，它是核心。CPU也是国家大宗战略产品，尤其是在信息化、智能化时代。就像工业化阶段的钢铁一样，是整个行业的基础。应用范围广，支撑作用强。是国家重要的战略安全和产业安全。保证。CPU 仍然是一个巨大的复杂系统。它不同于其他芯片设备。它必须是全能的。它不仅强调逻辑控制，还需要有强大的计算速度。技术实现难度很大。世界上能够独立开发高性能CPU的国家寥寥无几。很少。MHcednc

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计算机结构图 MHcednc

我国处理器研发起步比较早，但发展过程比较坎坷。1960年代，基于VLSI的微处理器尚未出现，计算机系统是大型中央处理器，体积大，计算速度慢。当时我国使用的计算机系统都是自主设计的，与国际水平相差不大。标志性产品包括晶体管109机（1965年6月研制）和小规模集成电路106机（1968年研制）。1970年代以后，大规模集成电路，特别是美国的超大规模集成电路发展迅速。以Intel 4004为标志，推出美国真正的微处理器，CPU正式进入商用时代。从那时起，它按照摩尔定律继续快速发展。，英特尔自此主导了全球台式机和高性能计算市场。MHcednc

相反，我国受到国内经济条件、国际技术封锁等原因的限制。在此期间，虽然研制了基于大规模集成电路的第三代计算机系统专用77型微机，但丢失了第四代计算机系统（基于超大规模集成电路）。集成电路）研究能力。从“七五”到“九五”，国家对国产CPU的支持力度明显下降，并未纳入重大科研支持计划。其直接后果是，1990年代中期，国内大量处理器研究单位关闭，大量人员流失。大学很少开设硬件专业，电脑公司变成了组装厂，CPU设计能力基本丧失。MHcednc

然而，随着国内信息化进程的加快和电子信息制造业的快速发展，“缺芯”问题再次受到国家关注。“十五”期间，是否发展国产CPU的争论开始爆发。此后，科技部牵头信息产业部启动“台山计划”，发展国产CPU。尽管该计划未能达到既定目标，但为国产CPU的发展点燃了“火花”，而这些火花又演变成飞腾、神威、龙芯三支国家队——现在专为国产CPU设计的。MHcednc

除了“泰山计划”，科技部也在通过“863计划”支持国产CPU。“十一五”以来，国家通过核高技术重大科技专项扶持国内重点CPU企业。“十二五”以来，国家通过集成电路产业优惠政策、产业基金等措施扶持国内CPU产业，在国内培育了一批国内CPU设计单位和研究机构，发展步入正轨。其中，龙芯、飞腾、神威、海思、紫光展锐等传统设计机构正在提升竞争力8位复杂指令集cpu设计，君正、兆芯、海光也在快速增长。、国防科技大学、江南计算技术学院、北京大学、浙江大学等都积极参与，形成百花齐放的局面。MHcednc

2、 国内部分CPU厂商具备自主研发能力，但大部分仍依赖国际合作

CPU发展到今天，其内部结构和逻辑关系也变得错综复杂。如果一个设计企业从零开始进入，想要成功是非常困难的。国内有一些完全独立的架构，比如北大智完全自主研发的指令集产品UniCore，以及苏州国芯、杭州中天、浙江大学联合设计的国产嵌入式CPU-C-Core。但是我们也看到，这些产品虽然在指令集架构上实现了完全的自主性和最高的安全性，但它们的缺点也非常明显，包括缺乏操作系统等基础软硬件支持，缺乏开发工具（编译器、调试器等）。等等。），应用开发难、移植难等，在产业化上受到很大限制。目前活跃在市场上的国产CPU大多采用与国外合作的方式，主要方式有采购指令集授权、技术合作等。MHcednc

说到指令集架构，我们不得不从计算机发展的历史说起。在早期的计算机系统中，软件的编写直接面向硬件系统。即使是同一厂商的不同计算机产品，其软硬件也不能通用，软硬件紧密耦合，密不可分。后来，IBM为了让自己的系列计算机能够使用相同的软件，避免重复编写的痛苦，将指令集架构（ISA，Instruction Set Architecture）的概念引入到其计算机系统中，软件编程所需要的硬件信息被抽象出来形成一个抽象机架构，程序员在这个抽象机上进行编程，从而实现与硬件的解耦。至此，处理器已经从最初的与系统密不可分的发展到指令集架构、微结构、底层物理实现的三层结构，并一直延续到现在。在指令集架构中，最基本的就是指令集，它是用来指导CPU进行加减运算和控制计算机操作系统的一系列指令集。MHcednc 是一系列指令集，用于指导CPU进行加减运算，控制计算机操作系统。MHcednc 是一系列指令集，用于指导CPU进行加减运算，控制计算机操作系统。MHcednc

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处理器结构演进过程MHcednc

目前全球CPU指令集架构有两种——复杂指令集（X86）和精简指令集（以ARM、MIPS、POWER等为代表）。其中，复杂指令集（CISC ) 可以通过添加功能复杂的命令来实现，并采用多种灵活的寻址方式来提高程序的运行速度，但是直接的后果是需要对不同长度的指令进行分割处理，导致一些不必要的等待，效率低，硬件集成度差。，进程，功耗都很高。MHcednc

相反，精简指令集（RISC）采用等长指令，可以将一条指令分成若干进程或线程，交给不同的处理器并行处理，效率高，硬件集成要求低，操作简单过程和成本。低的。英特尔在早期开发CPU的时候，精简指令集还没有出现，而精简指令集出现之后，英特尔也看到了精简指令集的明显优势，但是为了实现向后兼容，它只好一路走黑，继续推进X86复杂指令集的开发。MHcednc

这两种架构非常具有竞争力。1990年代，复杂指令集和精简指令集阵营展开了激烈的战斗。在复杂指令集方面，英特尔凭借与微软（Wintel系统）事实上的联盟，也在新的微内核中整合了精简指令集的一些技术优势，占据了中低端等主流领域。服务器、PC、笔记本等。在简化指令集方面，虽然指令集本身有优势，但该集团没有领导者，单打独斗，最终被Wintel系统打败，挤进了嵌入式市场，后来在智能手机兴起后发现了新的市场。市场空间。尤其是 ARM，通过与 Android 的合作，在智能手机处理器市场占有压倒性的份额。ARM的64位产品（ARM V8）推出后，其市场不再局限于嵌入式和移动领域，高性能计算、服务器和台式机也成为重要方向。MHcednc

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复杂指令集和精简指令集架构在中国都有授权或技术合作。X86 许可证包括兆新和海光。兆芯是通过威盛获得的X86授权，海光是曙光和AMD合作的产物。简化指令集授权包括龙芯（MIPS）、飞腾（兼容ARM V8架构）、神威（Alpha）、海思（ARM）等，可见ARM架构在国内市场影响力较大。MHcednc

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目前主流的CPU授权方式有架构授权、软核授权和硬核授权三种。对于使用授权的企业来说，CPU完成度提高，设计难度依次降低，但自主度也在降低。MHcednc

架构授权。这种级别的授权允许被许可人开发与被许可人开发的指令集架构兼容的芯片。主要好处是可以分享被许可方建立的软件生态红利。但是，由于架构只是对处理器的抽象描述和设计概念，类似于建筑物的渲染，因此对被许可方的研发能力要求非常高。设计中的任何错误都会导致投资失败。目前，国内采购架构授权的企业都是具有领先芯片研发能力的企业。如天津飞腾、龙芯、神威等，所有授权方均获得标准文件（包括指令定义、通用寄存器的数量等），并且需要设计大量的寄存器传输级模型和布线，需要独立设计。非常高，也正是因为如此，上述公司也被认为是自主可控程度最高的设计厂商。软核许可证。软核通常以 HDL 文本形式提交给用户，经过 RTL 级设计优化和功能验证，但不包含任何具体的物理信息。据此，用户可以综合出正确的门级设计网表，并可以进行后续的结构设计，具有很大的灵活性。借助 EDA 综合工具，它可以轻松地与其他外部逻辑电路集成。采用不同的半导体工艺设计不同性能的器件8位复杂指令集cpu设计，设计难度和自由度低于架构授权。硬核授权。硬核基于半导体工艺的物理设计，具有固定的拓扑布局和特定的工艺，并经过工艺验证，性能有保障。以电路物理结构掩膜版图和全套工艺文件的形式提供给用户，是一整套可立即使用的技术，获得用户授权后即可生产。硬核的设计和工艺已经完成，无法更改。授权制造商对其进行完全控制，知识产权保护相对简单。