本期分享內(nèi)容<行業(yè)研究：國(guó)產(chǎn)6大CPU全對(duì)比>，分上下2篇內(nèi)容分享，上篇分享CPU行業(yè)現(xiàn)狀，下篇分享6大CPU公司技術(shù)和產(chǎn)品。
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CPU是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心和 大腦，主要由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和連接總線構(gòu)成。其中，控制器和運(yùn)算器組成CPU的內(nèi)核，內(nèi)核從存儲(chǔ)器中提取數(shù)據(jù)，根據(jù)控制器中的指令集將數(shù)據(jù)解碼，通過(guò)運(yùn)算器中的微架構(gòu)（電路）進(jìn)行運(yùn)算得到結(jié)果，以某種格式將執(zhí)行結(jié)果寫(xiě)入存儲(chǔ)器。因此，內(nèi)核的基礎(chǔ)就是指令集（指令集架構(gòu)）和微架構(gòu) 。
指令集是所有指令的集合，它規(guī)定了CPU可執(zhí)行的所有操作微架構(gòu)是完成這些指令操作的電路設(shè)計(jì)。相同的指令集可以有不同的微架構(gòu)，如Intel 和AMD都是基于X86指令集但微架構(gòu)不同。指令集架構(gòu)（ Instruction Set Architecture ），又稱指令集或指令集體系，是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中與程序設(shè)計(jì)有關(guān)的部分，包含了基本數(shù)據(jù)類(lèi)型，指令集，寄存器，尋址模式，存儲(chǔ)體系，中斷，異常處理以及外部 I/O 。指令集架構(gòu)包含一系列的 opcode 即操作碼（機(jī)器語(yǔ)言），以及由特定處理器執(zhí)行的基本命令。簡(jiǎn)單地來(lái)說(shuō)，指令集一般被整合在操作系統(tǒng)內(nèi)核最底層的硬件抽象層中，屬于計(jì)算機(jī)中硬件與軟件的接口，它向操作系統(tǒng)定義了CPU的基本功能。
CPU 按指令集的架構(gòu)區(qū)分，分為 CISC復(fù)雜指令集和 RISC精簡(jiǎn)指令集型兩類(lèi) 。CISC 的設(shè)計(jì)者希望通過(guò)直接在硬件中構(gòu)建復(fù)雜的指令從而使編程更方便、 程序運(yùn)行速度更快，其架構(gòu)中每個(gè)指令可執(zhí)行若干低端操作，諸如從存儲(chǔ)器讀取、存儲(chǔ)、和計(jì)算操作，全部集于單一指令之中；與之相反， RISC 架構(gòu)中只包含使用頻率高的少量簡(jiǎn)單指令，并提供一些必要的指令以支持操作系統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言 。CISC陣營(yíng)以 Intel、AMD的X86架構(gòu)為代表，而RISC陣營(yíng)則包括 ARM 、MIPS 、 Power PC 等架構(gòu)。
1）從硬件角度來(lái)講， CISC處理的是不等長(zhǎng)指令集，而 RISC 執(zhí)行的是等長(zhǎng)精簡(jiǎn)指令集，在并行處理方面 RISC 明顯優(yōu)于CISC 。由于RISC執(zhí)行的是精簡(jiǎn)指令集，相比CISC在硬件層面需要更少的晶體管，所以它的硬件制造工藝更簡(jiǎn)單且成本更低廉。RISC型CPU 與CISC的CPU在軟件和硬件上都不兼容，這是由指令集的特性而決定的。2）從性能角度來(lái)說(shuō)， CISC 與 RISC 并無(wú)絕對(duì)的孰優(yōu)孰劣之分 。但在發(fā)展過(guò)程中， CISC 陣營(yíng)的Intel 和 AMD在提升芯片性能上做出了持續(xù)的努力，芯片的功耗被放在了性能后的第二位；而 RISC 本身出現(xiàn)時(shí)間較CISC晚十年左右（ARM誕生于1985年， X86誕生于1978年），ARM 、 MIPS 在創(chuàng)始初期缺乏與Intel產(chǎn)品對(duì)抗的實(shí)力，專(zhuān)注于以低功耗為前提的高性能芯片。RISC 陣營(yíng)的Power PC架構(gòu)最初是為個(gè)人計(jì)算機(jī)產(chǎn)品而設(shè)計(jì)，但其出現(xiàn)時(shí)已是 1992 年，此時(shí) Intel 旗下的 80386和 80486 占據(jù)了大部分 PC 市場(chǎng)。次年， Intel 赫赫有名的奔騰系列發(fā)布并助力 Intel 占領(lǐng)了絕大部分 PC 市場(chǎng)，這是第五代基于 CISC 的X86 架構(gòu)微處理器， Intel 將其命名為“ Pentium ”。在整個(gè) 1990 年代中期， PowerPC 處理器均達(dá)到或超 過(guò)了最快的x86 CPU的基準(zhǔn)測(cè)試成績(jī)。但由于PowerPC面向Windows、OS/2 和Sun的客戶都存在應(yīng)用軟件極度缺乏的問(wèn)題，所以最終并未在 PC 市場(chǎng)濺起水花。但其后 Apple 因?yàn)?PowerPC 處理器的更高性能，在 Macintosh 個(gè)人電腦系列使用了 PowerPC 處理器。2005 年，出于發(fā)熱量和能源消耗有關(guān)的考慮， Apple 宣布不再在其 Apple Macintosh 計(jì)算機(jī)中使用 PowerPC處理器，轉(zhuǎn)而支持 Intel 生產(chǎn)的處理器。此后 PowerPC 開(kāi)始往超高性能服務(wù)器方向發(fā)展。
3）CISC 與 RISC 已 逐步走向融合，兩方處理器互相借鑒互相優(yōu)化 。例如，Intel 公司的 Pentium Pro 種內(nèi)含三個(gè)能夠把 x86 指令轉(zhuǎn)換成 118 位定長(zhǎng)的 RISC 風(fēng)格微操作的譯碼器。
4）整體來(lái)看，在移動(dòng)芯片領(lǐng)域， ARM 架構(gòu)的芯片占據(jù)了 90% 以上的市場(chǎng)份額，在 計(jì)算 CPU 市場(chǎng)上，英特爾 X86 處理器占據(jù)超過(guò) 90% 市場(chǎng)份額。MIPS和 Power 雖然已經(jīng)不是主流，卻也有部分廠商仍在使用 。5）國(guó)產(chǎn)CPU與X86產(chǎn)品尚存在差距主要體現(xiàn)在：1）專(zhuān)業(yè)人才 是技術(shù)和水平的承載體，國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)人才數(shù)量少、 整體規(guī)模尚小；2 ）硬實(shí)力包括軟硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境 EDA 等存在短板；3 ）軟實(shí)力包括 CPU 的設(shè)計(jì)方法學(xué)、CPU 的設(shè)計(jì)流程與規(guī)范等存在差距。關(guān)于國(guó)產(chǎn)CPU的發(fā)展現(xiàn)狀，中國(guó)自200 年開(kāi)始啟動(dòng)處理器設(shè)計(jì)項(xiàng)目，至今 將近 20 年，產(chǎn)生了以中科龍芯、天津飛騰、 海光信息、 上海申威、上海兆芯等為代表的國(guó)產(chǎn) CPU并且產(chǎn)品的性能逐年提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，使中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)“芯”可用的局面得到了極大扭轉(zhuǎn)，為構(gòu)建安全、自主、可控的國(guó)產(chǎn)化計(jì)算平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)。目前， 國(guó)產(chǎn)主要CPU廠家有六家。
對(duì)指令集的掌控程度決定了國(guó)產(chǎn)化的程度。對(duì)指令集的消化吸收和創(chuàng)新程度決定了 CPU的創(chuàng)新可信的程度 ，通常 自主研發(fā) 國(guó)產(chǎn) CPU 可以通過(guò)授權(quán)或者完全自研的方式，授權(quán)方式主要有兩種：指令集架構(gòu)授權(quán)、 IP內(nèi)核授權(quán) 。
國(guó)產(chǎn)芯片種類(lèi)繁多 基于ARM 架構(gòu) 授權(quán)的芯片廠商最有可能形成自主可控指令集。由于指令集的復(fù)雜性和重要性，自主研發(fā)一套全新的指令集難度較大且效益不高。國(guó)產(chǎn)CPU廠家大多選擇購(gòu)買(mǎi)國(guó)外授權(quán)，以實(shí)現(xiàn)不同程度的自主可控。目前， 國(guó)產(chǎn)CPU架構(gòu)大體可以分為三類(lèi)：
第一類(lèi)，是以龍芯為代表的MIPS 指令集架構(gòu)和以申威為代表的 Alpha 架構(gòu)，申威已基本實(shí)現(xiàn)完全自主可控（申威64已經(jīng)完全形成了自己的架構(gòu)），龍芯部分關(guān)鍵技術(shù)需付專(zhuān)利費(fèi)。第二類(lèi)，是以飛騰和華為鯤鵬為代表基于 ARM 指令集授權(quán)的國(guó)產(chǎn)芯片。ARM主要有三種授權(quán)等級(jí)：使用層級(jí)授權(quán)、內(nèi)核層級(jí)授權(quán)和架構(gòu) 指令集層級(jí)授權(quán)，其中指令集層級(jí)授權(quán)等級(jí)最高，企業(yè)可以對(duì)ARM 指令集進(jìn)行改造以實(shí)現(xiàn)自行設(shè)計(jì)處理器，如蘋(píng)果在 ARM v7 架構(gòu)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出蘋(píng)果 Swift 架構(gòu)， 其他如：高通、Krait 、Marvell等都是基于ARM指令集或微架構(gòu)進(jìn)行的改造。因此， 已經(jīng)獲得ARM V8 永久授權(quán)的海思、飛騰 等廠家憑借自身的研發(fā)能力， 亦有可能發(fā)展出一套自己的指令集架構(gòu) 。第三類(lèi)，是以海光、兆芯為代表的獲得X86的授權(quán)（僅內(nèi)核層級(jí)的授權(quán)），未來(lái)擴(kuò)充指令集形成自主可控指令集難度較大。因此， 可以 看 出， 在 自主可控程度上申威、龍芯 飛騰 、鯤鵬 海光、兆芯，但未來(lái)鯤鵬和飛騰如果基于 ARM V8 發(fā)展出自己的指令集， 則創(chuàng)新可信程度將顯著提升 。同時(shí)，在未來(lái)ARM V9、V10 等新架構(gòu)拿不到授權(quán)的情況下，依然可以維持先進(jìn)性 。
簡(jiǎn)單總結(jié)：綜合對(duì)比六大國(guó)產(chǎn)CPU廠商，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局進(jìn)一步明晰。申威由于過(guò)去主要市場(chǎng)在軍隊(duì)，且其產(chǎn)品偏向底層應(yīng)用及超算領(lǐng)域， Alpha 生態(tài)應(yīng)用較少 預(yù)計(jì)其可獲得的市場(chǎng)份額有限 。海光、兆芯受制于X86 內(nèi)核層級(jí)授權(quán)自主性較弱， 且海光僅獲得AMD 服務(wù)器授權(quán)，暫未獲得桌面應(yīng)用授權(quán)， 兆芯由于使用臺(tái)灣威盛電子的X86 早期授權(quán)，產(chǎn)品性能相對(duì)落后，且兆芯早期市場(chǎng)開(kāi)拓不佳 。因此在黨政信創(chuàng)市場(chǎng)，預(yù)計(jì)飛騰、鯤鵬和龍芯三家將成為主導(dǎo) 。龍芯研發(fā)起步最早，黨政市場(chǎng)原始份額較大（約占 70以上），國(guó)產(chǎn) 整機(jī)及 應(yīng)用適配廠商較多，但MIPS 整體生態(tài) 、性能是劣勢(shì)商用前景較一般，隨著鯤鵬進(jìn)入市場(chǎng)及飛騰逐步成熟， ARM體系的生態(tài)和性能優(yōu)勢(shì)逐步體現(xiàn)。另一方面，在黨政信創(chuàng)市場(chǎng)通過(guò)投資給當(dāng)?shù)貛?lái)稅收及就業(yè)機(jī)會(huì)是獲得份額的一大途徑。鯤鵬和中國(guó)長(zhǎng)城均在多地成立了子公司 ，預(yù)計(jì)龍芯未來(lái)在黨政信創(chuàng)領(lǐng)域的市占率會(huì)有所下降。鯤鵬當(dāng)前因?yàn)楹Ｋ际艿矫绹?guó)制裁，未來(lái)存在一定不確定性，預(yù)計(jì)其在黨政信創(chuàng)市場(chǎng)拓展會(huì)有所取舍 。
對(duì)行業(yè)市場(chǎng)而言，行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模是黨政信創(chuàng)市場(chǎng)的數(shù)倍，行業(yè)市場(chǎng)對(duì)CPU性能 、 生態(tài)等的要求也遠(yuǎn)高于信創(chuàng)市場(chǎng) 。因此， 在此前行業(yè)國(guó)產(chǎn)招標(biāo)中基本只有鯤鵬 、海光兩家獲得更多訂單， 鯤鵬作為華為海思旗下產(chǎn)品，性能已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。而ARM生態(tài)亦在不斷成熟， 若不考慮美國(guó)制裁帶來(lái)的負(fù)面影響，其前景最為光明。海光 因獲得四年前AMD最先進(jìn)產(chǎn)品授權(quán)， 且經(jīng)過(guò)不斷改良加之X86 架構(gòu)的天然生態(tài)優(yōu)勢(shì) ，在行業(yè)市場(chǎng)亦獲得較多訂單。參考來(lái)源：國(guó)金證券
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全集下載：龍芯LoongArch指令集全集
《龍芯LoongArch 指令集介紹》
《龍芯指令系統(tǒng)融合技術(shù)》
《龍芯架構(gòu)32位精簡(jiǎn)版參考手冊(cè)》
《龍芯架構(gòu)參考手冊(cè)卷一：基礎(chǔ)架構(gòu)》
《龍芯3A1000 處理器用戶手冊(cè)(上冊(cè))》
《龍芯3A1000 處理器用戶手冊(cè)(下冊(cè))》
《龍芯3A3000-3B3000處理器手冊(cè)(上冊(cè))》
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3、國(guó)產(chǎn)架構(gòu)服務(wù)器研究框架4、服務(wù)器系列報(bào)告(計(jì)算篇)CPU平臺(tái)
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