CPU及產(chǎn)業(yè)技術(shù)：產(chǎn)品與趨勢(shì)篇
本文分享自“CPU技術(shù)與產(chǎn)業(yè)白皮書”，內(nèi)容包括五個(gè)章節(jié)，分兩篇內(nèi)容分享。分別就 CPU 基本概念做了詳細(xì)的介紹，對(duì)全球發(fā)展歷程、現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行了描述和分析，并針對(duì) CPU產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)做了詳細(xì)的說明和對(duì)比分析，最后就整個(gè)行業(yè)發(fā)展中的突出問題及對(duì)策建議做了總結(jié)性的梳理和報(bào)告。
來源：中國(guó)軟件評(píng)測(cè)中心
上篇鏈接：
2. 產(chǎn)品發(fā)展歷程
2.1. 國(guó)外產(chǎn)品發(fā)展歷程
從整個(gè) CPU 的技術(shù)發(fā)展歷史來看，大致可以分為以下幾個(gè)階段：
第一階段：計(jì)算性能提升。1971-90 年代初，CPU 主要向計(jì)算性能提升方向發(fā)展，晶體管數(shù)量由千級(jí)提升至百萬級(jí)。
第二階段：多媒體及個(gè)人應(yīng)用出現(xiàn)。90 年代初-2000 年初，CPU 向個(gè)人應(yīng)用及多媒體方面發(fā)展，包括音、視頻及通信方向，同時(shí)晶體管數(shù)量由百萬級(jí)提升至千萬級(jí)。
第三階段：多元化發(fā)展。2000 年代初-2010 年，出現(xiàn) 64 位處理器產(chǎn)品，CPU 產(chǎn)品開始向多元化發(fā)展，包括服務(wù)器、桌面、移動(dòng)端等，同時(shí)工藝制程得以提升。
第四階段：多核技術(shù)出現(xiàn)，集成化更高。2010 年至今，CPU 核心數(shù)量、頻率得以大幅發(fā)展，主頻突破3GHz，實(shí)現(xiàn)多核/多線程技術(shù)，AMD 第 1 代 APU（CPU 集成 GPU單元）開始出現(xiàn)。
以 Intel 酷睿處理器的發(fā)展過程為例，Intel 酷睿處理器目前已經(jīng)發(fā)展到了第十一代產(chǎn)品，全新 Alder Lake 架構(gòu)的第十二代酷睿處理器也即將發(fā)布，這是 Intel 首次在桌面處理器中采用 10nm 工藝。
2008 年推出的 Nehalem 微架構(gòu)是酷睿處理器的代表之作，2009 年9 月，Intel 推出基于 Nehalem 微架構(gòu)的 Lynnfield 處理器，2010 年，Intel 推出的 Clarkdale 采用雙核設(shè)計(jì)，將 GPU 和 CPU 封裝在一起，CPU 的制造工藝升級(jí)到了 32nm，從 Intel 后續(xù)的產(chǎn)品序列來看，可以認(rèn)為第一代酷睿處理器是基于 Clarkdale 微架構(gòu)的產(chǎn)品。表 1 是Intel 第一代至第十一代酷睿桌面處理器代表產(chǎn)品，可以看出在 2015年之后 Intel 桌面處理器主要采用 14nm 工藝制程，核心數(shù)量由雙核增加到了八核，主頻上限也由 3.46GHz 提升到了 5GHz 以上。
2.2. 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品發(fā)展歷程
國(guó)產(chǎn) CPU 在桌面、移動(dòng)、高性能計(jì)算、及嵌入式領(lǐng)域均實(shí)現(xiàn)較快發(fā)展，在不斷縮小與國(guó)外 CPU 的技術(shù)差距。在發(fā)展的同時(shí)需要大量的資金、人員投入，以及國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的持續(xù)支持。在 2006年啟動(dòng)的核高基專項(xiàng)，以及后續(xù)大基金持續(xù)支持下，政府和企業(yè)均在發(fā)力，無論是高性能計(jì)算、服務(wù)器級(jí) CPU、還是桌面以及移動(dòng)和嵌入式 CPU，都取得了較大進(jìn)展。已有的產(chǎn)品通過不斷的優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了從“可用”到“好用”，一些量大面廣的領(lǐng)域，也實(shí)現(xiàn)了“零”的突破。從整體上看，國(guó)產(chǎn) CPU 芯片同國(guó)際差距擴(kuò)大的態(tài)勢(shì)逐步在逆轉(zhuǎn)。
3. 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
3.1. 全球發(fā)展現(xiàn)狀
產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面，據(jù)公開數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年全球 CPU 整體市場(chǎng)規(guī)模約為 1800 億美元，其中服務(wù)器 CPU 市場(chǎng)規(guī)模約為 450 億美元，桌面CPU 市場(chǎng)規(guī)模約為 550 億美元，移動(dòng)終端 CPU 市場(chǎng)規(guī)模約為 800 億美元。按照 Mercury Research 的數(shù)據(jù)分析，2020 年第四季度，全球 X86 CPU 市場(chǎng)中，Intel 占據(jù) 78.3%份額，AMD占據(jù) 21.7%；細(xì)分市場(chǎng)中，移動(dòng) PC CPU（除 IoT 和平板）中，Intel占 81.0%，AMD 占 19.0%，桌面 CPU（除 IoT）中，Intel 占 80.7%，AMD 占 19.3%。與 2020 年第三季度相比，Intel 在移動(dòng) PC CPU（除IoT 和平板）和桌面 CPU（除 IoT）的兩個(gè)細(xì)分市場(chǎng)份額分別增加1.2%和 0.8%。可見，在 CPU 行業(yè)里，Intel 的霸主地位依然不可撼動(dòng)。雖然 AMD 發(fā)布了 ZEN3 架構(gòu)的處理器，但由于產(chǎn)能受限，所以市場(chǎng)份額只有小幅度的增長(zhǎng)；相反 Intel 由于發(fā)布了酷睿i9-10900K 等出色的產(chǎn)品，同時(shí)憑借強(qiáng)大的生產(chǎn)線，仍然處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的地位。
在服務(wù)器市場(chǎng)，目前的 CPU 架構(gòu)包括 x86 和 ARM。x86 為當(dāng)前服務(wù)器 CPU 的主流架構(gòu)，占據(jù)服務(wù)器市場(chǎng)的絕大多數(shù)份額，代表性廠商為 Intel 和 AMD，國(guó)內(nèi)廠商兆芯和海光也參與到了 x86架構(gòu)的國(guó)內(nèi)化替代工作，目前主要定位于政務(wù)和行業(yè)應(yīng)用等市場(chǎng)；
在 ARM 陣營(yíng)中，目前的代表廠商包括華為、飛騰、高通、亞馬遜等，在新基建政策的推動(dòng)下，ARM 架構(gòu)有望發(fā)揮其在移動(dòng)市場(chǎng)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，借力端/云協(xié)同，搶占服務(wù)器市場(chǎng)更多份額。據(jù) Omdia的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2021 年第二季度全球服務(wù)器市場(chǎng)共出貨 340 萬臺(tái)，和之前歷史最高水平（2020 年第二季度）持平，預(yù)計(jì) 2021年全球服務(wù)器市場(chǎng)銷售額將達(dá)到 920 億美元。
行業(yè)發(fā)展方面，企業(yè)并購將催生產(chǎn)業(yè)架構(gòu)及制造環(huán)節(jié)發(fā)展新局面。2020 年 9 月 14 日，英偉達(dá)和軟銀集團(tuán)公司簽訂協(xié)議，以400 億 美 元 的 價(jià) 格 從 SBG 和 SoftBank Vision Fund 收 購 Arm Limited；2020 年 10 月 28 日，AMD 宣布將以 350 億美元的全股票交易收購知名的 FPGA 制造商 Xilinx。
產(chǎn)品生態(tài)方面，在傳統(tǒng) PC 市場(chǎng)，Intel 和微軟構(gòu)建的“Wintel”體系一直牢不可破，Intel 引領(lǐng)者 CPU 的發(fā)展并領(lǐng)導(dǎo)著一批 PC 硬件制造企業(yè)為其適配，微軟及其合作伙伴在操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件方面同 Intel 的 x86 體系芯片進(jìn)行密切合作。2020 年，Intel 發(fā)布了采用 Willow Cove 微架構(gòu)的第 11 代酷睿處理器；AMD 發(fā)布了采用 Zen3 微架構(gòu)的銳龍 5000 系列臺(tái)式機(jī)處理器；蘋果發(fā)布了三款Mac 硬件新品并正式推出基于 ARM 指令集的 M1 芯片，并推出ARM 架構(gòu)桌面處理器。
制造工藝方面，臺(tái)積電 5nm 工藝的芯片已在 2020 年量產(chǎn)，并計(jì)劃 2022 年實(shí)現(xiàn) 3nm 產(chǎn)線量產(chǎn)，考慮到 Intel 使用 7nm 工藝制程的產(chǎn)品在 2021 年量產(chǎn)，臺(tái)積電仍將在代工領(lǐng)域保持強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。
2021年 9 月，三星發(fā)布了首款 3nm 工藝 GAA 芯片，根據(jù)三星方面的消息，三星將啟用新一代 GAAFET 晶體管技術(shù)，相較目前使用的FinFET 晶體管技術(shù)，雖其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但在功耗發(fā)面有明顯優(yōu)勢(shì)，三星也因此成為了全球首個(gè)生產(chǎn) 3nm 芯片的公司。
封裝測(cè)試方面，隨著最小溝道長(zhǎng)度不斷逼近物理極限，特征尺寸微縮難度不斷加大，目前封裝測(cè)試行業(yè)界正嘗試將制造工藝與三維堆疊集成等先進(jìn)封裝技術(shù)結(jié)合形成中道工藝，從而提高晶體管密度，延續(xù)摩爾定律。比如當(dāng)前業(yè)內(nèi)最關(guān)注的小芯片技術(shù)，將一些預(yù)先生產(chǎn)好的，能實(shí)現(xiàn)特定功能的芯片裸片（die），通過先進(jìn)的集成技術(shù)集成封裝在一起。此舉相當(dāng)于將 SoC 芯片化整為零，將其功能分解以使用更適合的工藝來實(shí)現(xiàn)。因此，目前業(yè)內(nèi)在著重發(fā)展小芯片（chiplet）等先進(jìn)封裝技術(shù)。2020 年 6 月 11 日，Intel 正式發(fā)布其首款 3D Foveros 封裝處理器，代號(hào)為 Lakefield。
3.2. 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó) CPU 產(chǎn)品發(fā)展迅速，產(chǎn)品線種類繁多，市場(chǎng)應(yīng)用初具規(guī)模。目前已經(jīng)初步建立了完整的軟硬件生態(tài)，在操作系統(tǒng)、工具鏈和硬件兼容等指標(biāo)方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)均兼容統(tǒng)信 UOS、麒麟軟件等主流國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)，硬件兼容性方面，目前產(chǎn)品基本兼容國(guó)內(nèi)外主流的內(nèi)存、硬盤和顯卡產(chǎn)品。目前，國(guó)產(chǎn) CPU 及配套軟硬件雖然與 Wintel 生態(tài)尚有一定差距，但已經(jīng)在政府、國(guó)防、高性能計(jì)算機(jī)、北斗導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)安全、工業(yè)控制等等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，形成了多個(gè)小型的軟硬件生態(tài)。
國(guó)內(nèi)主流 CPU 廠商持續(xù)發(fā)力，逐步構(gòu)建完整生態(tài)。飛騰在服務(wù)器 CPU 和桌面 CPU 方向持續(xù)發(fā)布新產(chǎn)品。2020 年 7 月，飛騰發(fā)布“騰云 S2500”高性能服務(wù)器 CPU，采用全新內(nèi)核，最高支持 8 路直連；2020 年 12 月，飛騰發(fā)布“騰銳 D2000”高行能桌面CPU，這是飛騰首款 8 核處理器。龍芯產(chǎn)品應(yīng)用初具規(guī)模，開發(fā)生 態(tài) 進(jìn) 一 步 完 善 。2020 年 5 月 ， 龍 芯 第 三 代 處理器產(chǎn)品3A4000/3B4000 全面展開信息化應(yīng)用，2020 年 12 月，龍芯平臺(tái).NET 正式發(fā)布，支持龍芯 CPU 系列產(chǎn)品及 UOS、麒麟等操作系統(tǒng)。兆芯處理器整機(jī)產(chǎn)品線進(jìn)一步完善，下游產(chǎn)品種類齊全。
2020 年 2 月，基于兆芯新一代 KX-6000/KH-30000 系列處理器，聯(lián)想、同方、東海、海爾、銳捷、升騰、攀升等品牌推出 20 余款桌面 PC 和服務(wù)器產(chǎn)品，以及 60 多種嵌入式計(jì)算產(chǎn)品。基于鯤鵬處理器，打造全棧式鯤鵬計(jì)算產(chǎn)業(yè)。
我國(guó)CPU產(chǎn)業(yè)研究持續(xù)跟進(jìn)，行業(yè)白皮書陸續(xù)發(fā)布。華為發(fā)布《鯤鵬計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》；飛騰發(fā)布《基于飛騰平臺(tái)的全棧解決方案白皮書》以及《信創(chuàng)研究專題框架》。
4. 未來發(fā)展趨勢(shì)
市場(chǎng)份額短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化。預(yù)計(jì)在短時(shí)間內(nèi)，全球 X86 CPU 市場(chǎng)的份額不會(huì)有劇烈的變化，仍以 Intel 和 AMD 為主，其中 Intel 依然會(huì)在 X86 CPU 市場(chǎng)中占霸主地位，而 AMD 由于產(chǎn)能等原因的影響，其份額會(huì)逐步小幅度提升。
國(guó)內(nèi) CPU 市場(chǎng)份額初步顯露，國(guó)內(nèi)飛騰、龍芯、兆芯和華為等企業(yè)的產(chǎn)品生態(tài)將逐步完善。我國(guó) CPU 產(chǎn)品發(fā)展迅猛，產(chǎn)品種類繁多，已經(jīng)實(shí)現(xiàn) CPU 產(chǎn)品對(duì)國(guó)內(nèi)外主流設(shè)備的兼容，且在政府、國(guó)防等領(lǐng)域得以應(yīng)用，產(chǎn)品生態(tài)初步建立，市場(chǎng)份額初步顯露。
國(guó)內(nèi)的 CPU 產(chǎn)業(yè)白皮書呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，CPU 行業(yè)成為各研究機(jī)構(gòu)的熱點(diǎn)研究行業(yè)。隨著國(guó)家的大力支持，CPU 制造逐步成為目前亟需解決的國(guó)家級(jí)技術(shù)難題，中國(guó)軟件評(píng)測(cè)中心、華為、飛騰等企事業(yè)單位陸續(xù)發(fā)布了 CPU 產(chǎn)業(yè)白皮書，為國(guó)內(nèi) CPU 產(chǎn)業(yè)對(duì)標(biāo)國(guó)際發(fā)展指明方向。
中美貿(mào)易摩擦影響持續(xù)擴(kuò)大，CPU 產(chǎn)業(yè)鏈的壓力也隨之?dāng)U大。中美貿(mào)易摩擦已經(jīng)嚴(yán)重阻礙 CPU 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國(guó)雖是全球的制造大國(guó)，但包括 CPU 產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的高端制造業(yè)仍是薄弱環(huán)節(jié)，若中美貿(mào)易摩擦不斷擴(kuò)大，勢(shì)必會(huì)造成我國(guó)的高端制造業(yè)水平停滯不前，甚至出現(xiàn)倒退。
5. 未來應(yīng)對(duì)建議
首先，應(yīng)積極推動(dòng)核心工藝創(chuàng)新升級(jí)。國(guó)家應(yīng)積極推動(dòng) CPU產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)創(chuàng)新升級(jí)，引導(dǎo)上游企業(yè)開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 EDA 設(shè)計(jì)工具、模擬仿真軟件等設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具，同時(shí)引導(dǎo)企業(yè)向 14nm、7nm、5nm 等先進(jìn)工藝進(jìn)軍，早日追趕世界先進(jìn)水平，為發(fā)展高端制造業(yè)奠定基礎(chǔ)。
其次，應(yīng)構(gòu)建國(guó)產(chǎn) CPU 產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系。國(guó)家應(yīng)繼續(xù)引導(dǎo) CPU產(chǎn)業(yè)生態(tài)的全方位構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)軟硬件的全方位發(fā)展，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展體系，在桌面 CPU、服務(wù)器 CPU 等方面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代。國(guó)家應(yīng)大力支持企事業(yè)單位、政府機(jī)關(guān)單位等積極采購國(guó)產(chǎn)CPU 產(chǎn)品，形成國(guó)產(chǎn) CPU 的應(yīng)用生態(tài)。
最后，應(yīng)大力扶持 CPU 的新興應(yīng)用領(lǐng)域。目前，我國(guó)在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G 等新興技術(shù)發(fā)展迅猛，國(guó)家應(yīng)建立大型的新興技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新平臺(tái)，為 CPU 企業(yè)和下游的應(yīng)用企業(yè)搭建橋梁，讓 CPU 企業(yè)和創(chuàng)新應(yīng)用企業(yè)直接溝通，開發(fā)與應(yīng)用產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的個(gè)性化專用芯片，為下游應(yīng)用企業(yè)創(chuàng)建便利的開發(fā)環(huán)境，已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn) CPU 在新興領(lǐng)域的彎道超車。
《算力時(shí)代關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告匯總》
1、算力感知網(wǎng)絡(luò)CAN技術(shù)白皮書
服務(wù)器基礎(chǔ)知識(shí)全解PPT(終極版)
服務(wù)器基礎(chǔ)知識(shí)全解PDF(終極版)
