1.?概念及內(nèi)涵

1.1. CPU?基本概念

CPU?是?Central Processing Unit（中央處理器）的簡稱，由采用超大規(guī)模的集成電路組成制造，是實現(xiàn)計算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。CPU?包括運(yùn)算器、控制器、高速緩沖存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)總線、控制總線及狀態(tài)總線輸入/輸出接口等模塊。

CPU?的主要功能是解釋計算機(jī)指令以及處理計算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)，從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器進(jìn)行指令解碼，將指令分解成一系列的微操作，連接到各種能夠進(jìn)行所需運(yùn)算的?CPU?模塊部件，發(fā)送控制命令，從而完成指令的?執(zhí)行。

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（Micro Processor）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?中的一個模塊。微處理器根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，大致可以分為三類：通用處理器（MPU，主要用于高端?CPU）、微控制器（MCU）和專用處理器。本文中除非另作說明，對“微處理器”和“CPU”不加區(qū)分的使用。

1.2.?產(chǎn)品分類

CPU?是一個龐大的家族，可以按照指令集、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類。

1.2.1.?基于指令集

指令集是?CPU?所執(zhí)行的指令的二進(jìn)制編碼方法，是軟件和硬件的接口規(guī)范。日常交流中有時也把指令集稱為架構(gòu)。CPU?按照指令集可分為?CISC（復(fù)雜指令集）和?RISC（精簡指令集）兩大?類，CISC?型?CPU?目前主要是?x86?架構(gòu)，RISC?型?CPU?主要包括ARM、RISC-V、MIPS、POWER?架構(gòu)等。

（1）x86?架構(gòu)：主導(dǎo)桌面/服務(wù)器?CPU?市場

基于?CISC（復(fù)雜指令集）的?x86?架構(gòu)是一種為了便于編程和提高存儲器訪問效率的芯片設(shè)計體系，包括兩大主要特點(diǎn)：一是使用微代碼，指令集可以直接在微代碼存儲器里執(zhí)行，新設(shè)計的處理器，只需增加較少的晶體管電路就可以執(zhí)行同樣的指令集，也可以很快地編寫新的指令集程式；二是擁有龐大的指令集，x86擁有包括雙運(yùn)算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到存儲器以及存儲器到寄存器的多種指令類型。

（2）ARM?架構(gòu)：崛起移動市場

ARM?架構(gòu)過去稱作進(jìn)階精簡指令集機(jī)器，是一個?32?位精簡指令集處理器架構(gòu)，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，近年來也因其低功耗多核等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場。早期?ARM?指令集架構(gòu)的主要特點(diǎn)：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)操作都在寄存器中完成，指令執(zhí)行速度更快；三是尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；四是指令長度固定，可通過多流水線方式提高處理效率。

（3）RISC-V?架構(gòu)：物聯(lián)網(wǎng)時代的新選擇

RISC-V?是加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計并發(fā)布的一種開源指令集架構(gòu)，其目標(biāo)是成為指令集架構(gòu)領(lǐng)域的?Linux，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域，但可擴(kuò)展至高性能計算領(lǐng)域。RISC-V?采用?BSD?License?發(fā)布，由于允許衍生設(shè)計和開發(fā)閉源，吸引了一大批公司的關(guān)注，目前已有不少公司開發(fā)基于?RISC-V?的?IP?核，如?Si-Five、臺灣晶心、阿里平頭哥等已可提供基于?RISC-V?的處理器?IP?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?MCU芯片等。但整體上，由于?RISC-V?產(chǎn)業(yè)生態(tài)還比較薄弱，未來的發(fā)展仍有較長一段路要走。

（4）MIPS?架構(gòu)：RISC?先驅(qū)

MIPS?是高效精簡指令集計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的一種，MIPS?的優(yōu)勢主要有三點(diǎn)：一是發(fā)展歷史早，MIPS?在?1990?年代已經(jīng)廣泛使用在服務(wù)器、工作站設(shè)備上。二是在學(xué)術(shù)界影響廣泛，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教材都是以?MIPS?為實際例子。三是?MIPS?在架構(gòu)授權(quán)方面更為開放，授權(quán)門檻遠(yuǎn)低于?x86、ARM，在?2019?年曾經(jīng)有開放授權(quán)的實際動作，并且?MIPS?允許授權(quán)商自行更改設(shè)計、擴(kuò)展指令，允許二次授權(quán)。

（5）POWER?架構(gòu)：逐漸退出歷史舞臺

POWER架構(gòu)是由IBM設(shè)計的一種RISC處理器架構(gòu)，POWER在大型機(jī)領(lǐng)域獨(dú)具優(yōu)勢。POWER3?是全球首款?64?位架構(gòu)處理器，開始應(yīng)用銅互聯(lián)和?SOI（絕緣體上硅）技術(shù)。直至?POWER9?依然追求最高性能，不僅具備亂序執(zhí)行、智能線程等技術(shù)，還實現(xiàn)了SMP（對稱多處理技術(shù)）的硬件一致性處理。POWER?架構(gòu)?CPU價格高昂，主要應(yīng)用于高端服務(wù)器領(lǐng)域，市場份額逐漸減少。

1.2.2.?基于應(yīng)用領(lǐng)域

微處理器根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，大致可以分為三類：通用微處理器（MPU, Micro Processor Unit）、微控制器（MCU, Micro Controller?Unit）和專用處理器，本文涉及的中央處理器（CPU, Central?Processing Unit）屬于通用微處理器。

（1）通用微處理器

CPU?通常按照面向的市場分為用于服務(wù)器、桌面（臺式機(jī)/筆記本）、超級計算機(jī)等。另外，近年的網(wǎng)絡(luò)安全、嵌入式應(yīng)用也對?CPU?性能提出較高要求，很多網(wǎng)絡(luò)安全、嵌入式系統(tǒng)使用和桌面、服務(wù)器相同級別的?CPU。

（2）微控制器

MCU?微控制單元，是用于控制類應(yīng)用的低性能、低功耗?CPU。CPU?的主頻一般低于?100MHz，通常率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存、常用外設(shè)接口計數(shù)器、USB、A/D?轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至?LCD?驅(qū)動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機(jī)，主頻、功耗都可以很低，為不同的應(yīng)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(fèi)領(lǐng)域，以及汽車電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達(dá)、機(jī)器手臂的控制等，都大量使用?MCU。

（3）專用處理器

專用處理器實現(xiàn)面向某一領(lǐng)域的特定功能。例如數(shù)字信號處理器（DSP，Digital Signal Processor），DSP?芯片也稱數(shù)字信號處理器，是一種專用于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。DSP?一般專用于某種專用的計算，一般不會像?CPU?一樣運(yùn)行通用的操作系統(tǒng)。DSP廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制、運(yùn)動控制方面的應(yīng)用主要有磁盤驅(qū)動控制、引擎控制、激光打印機(jī)控制、噴繪機(jī)控制、馬達(dá)控制、電力系統(tǒng)控制、機(jī)器人控制、高精度伺服系統(tǒng)控制、數(shù)控機(jī)床等。其它專用處理器還有深度學(xué)習(xí)處理器、數(shù)據(jù)庫加速處理器、安全處理器、類腦計算芯片等。

1.3.?產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)關(guān)系

1.3.1.?產(chǎn)業(yè)鏈上游

CPU?的產(chǎn)業(yè)鏈上游包括支撐集成電路設(shè)計和制造的?EDA?輔助設(shè)計工具和?IP?服務(wù)，半導(dǎo)體制造設(shè)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，國產(chǎn)化程度較低。

（1）EDA?輔助設(shè)計工具(Electronic design automation)

EDA?工具（Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化）是用來輔助芯片設(shè)計的專用軟件工具，是集成電路設(shè)計業(yè)的基礎(chǔ)。

EDA?是需要多年積累的高復(fù)雜軟件。從功能類別上，EDA?工具可分為：設(shè)計自動化軟件如邏輯綜合、布局布線等；分析驗證軟件如仿真、時序分析、物理驗證等。從設(shè)計對象類別上，EDA?工具可分為：模擬電路設(shè)計軟件；數(shù)字電路設(shè)計軟件；工藝輔助設(shè)計軟件等。

（2）IP?服務(wù)

IP?核，又稱知識產(chǎn)權(quán)核（Intellectual Property Core），是指具有預(yù)先設(shè)計的功能并且重復(fù)用于其它系統(tǒng)的電路模塊。IP?核類似于軟件模塊，形成了成熟的?IP?設(shè)計服務(wù)市場。芯片公司無需對芯片每個細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，通過購買成熟可靠的?IP?方案，實現(xiàn)某個特定功能。這種類似搭積木的開發(fā)模式，縮短了芯片開發(fā)的時間，有利于搶占市場。

（3）半導(dǎo)體制造設(shè)備

半導(dǎo)體制造設(shè)備是?CPU?芯片制造的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體制造流程包括硅片制造、晶圓制造、封裝測試三個環(huán)節(jié)，整個制造流程中晶圓代工廠設(shè)備占比最高約為?80%、檢測設(shè)備占?8%、封裝設(shè)備約占7%，硅片制造設(shè)備及其他占?5%。

（4）芯片生產(chǎn)測試流程

在芯片生產(chǎn)環(huán)節(jié)，主要的供應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)包括流片、封裝和測試。在流片、封裝、測試方面，國際主流的企業(yè)是臺積電、三星等，工藝水平最高達(dá)到?5nm。以流片環(huán)節(jié)為例，2019?年全球十大半導(dǎo)體流片代工廠分別為：臺積電、三星、格芯、聯(lián)電、中芯國際、TowerJazz、華虹半導(dǎo)體、VIS、PSC、DongbuHiTek。其中境內(nèi)廠商有中芯國際、華虹半導(dǎo)體，境內(nèi)企業(yè)占全球市場份額的比重低于?10%，境內(nèi)工藝水平最高達(dá)到?14nm。目前最先進(jìn)的制程被?Intel、積電、三星等公司壟斷。測試機(jī)臺研發(fā)企業(yè)，主要有?Advantest、Hontec?等。

編輯：黃飛