CPU行业研究报告：CPU是计算机之根本，国产化进程风起云涌

（报告出品方/作者：东吴证券，王紫敬、王世杰）

1.1.CPU的定义和分类

CPU是计算机的运算和控制核心。CPU是中央处理器（CentralProcessingUnit）的简称，是对计算机的所有硬件资源进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为CPU的操作。CPU包括运算器、控制器、寄存器等模块。其中运算器和控制器是CPU的核心模块，前者负责进行各种算术和逻辑运算操作，后者为“决策机构”，主要任务就是发布命令，发挥着整个计算机系统操作的协调与指挥作用。

CPU按用途可分为桌面、服务器、移动端CPU和嵌入式CPU。桌面CPU主要应用于个人计算机（台式机、笔记本电脑）。服务器CPU主要用于服务器，对运算性能和稳定性要求更高。桌面和服务器CPU主要厂商为Intel和AMD。移动端CPU主要用于各种手机和平板中，对功耗、可靠性要求较高，主流的移动端CPU厂商主要有苹果、高通、联发科、华为和三星五家品牌。嵌入式CPU主要用于汽车电子、工业控制与自动化、智能电网等领域，对功耗、稳定性有较高要求。

CPU按照指令集可分为CISC（复杂指令集）和RISC（精简指令集）两大类。CISC指令丰富、寻址方式灵活，以微程序控制器为核心，指令长度可变，功能强大，复杂程序执行效率高；RISC指令结构简单、易于设计，具有较高的执行能效比。CISC型CPU目前主要有X86架构，主要应用于桌面和服务器领域，RISC型CPU主要包括ARM、Alpha、MIPS、POWER、RISC-V架构等，主要应用于移动终端、物联网领域和网关、机顶盒等网络设备中。

1.2.CPU的发展历史：走向高制程、多核、新IP之路

自1971年Intel推出了世界上第一款微处理器4004至今，全球CPU的发展历程可以划分为四个阶段：性能提升阶段（1970-1990年）、应用扩展阶段（1990-2000年）、多元发展阶段（2000-2010年）、多核集成阶段（2010年-至今），在不同阶段CPU发展呈现出不同特点。

芯片工艺制程越来越高。在一定程度上，芯片工艺制程越小，单位面积内容纳的晶体管数量就越多，就可以构建更为复杂、性能强大的电路。同时，芯片工艺制程越小，电子元器件的功耗就越小。因此，随着芯片工艺制程提高，芯片集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。根据台积电官网数据，公司7nmFinFET制程比10nm速度增快约20%，功耗降低约40%。

多核处理器的出现打破性能提升瓶颈。2005年CPU主频接近4GHz，单纯的主频提升已经无法明显提升系统整体性能，反而会导致CPU功耗急速上升。于是当年Intel推出双核奔腾D和奔腾四至尊版840，AMD也随后发布了双核皓龙和速龙64X2处理器，经过十几年的强化升级，2023年Intel将会推出代号为SierraForest的128核至强处理器，AMD也将推出基于Zen4c微架构的128核处理器Bergamo，多核已经成为提升CPU性能的重要手段。IP降低CPU芯片设计难度。摩尔定律的经验表现为，芯片中晶体管数量呈现指数级上升趋势，同时，芯片构造的复杂度、设计难度、制造成本都显著增加，芯片设计公司难以单独完成芯片制作的全部流程，只能进行简单芯片设计。为了解决开发难度的问题，IP应运而生，芯片设计公司经常采用其他公司的IP以加快设计速度，不再从零做起，重复造轮子。ARM公司的快速壮大就是IP商业模式跑通的重要证明。

1.3.CPU架构演进：ARM大有可为

当前X86架构生态占据全球主要市场份额。微软公司和英特尔公司各自凭借自身规模效应和技术优势，使其产品Windows和IntelCPU占据了绝大部分市场份额，结成了“Wintel”技术联盟。截至2022年9月4日，在Intel的合作伙伴联盟中，包括了94家云和通信服务提供商、271家独立软件厂商、2940家原始设备制造商(OEM)、88家服务集成商以及4479家解决方案提供商。是整个产业中最庞大、最完善、应用最广泛的处理器架构之一，具有极高的生态壁垒。

ARM架构在高并发应用场景具有比较优势。ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器，全称为AdvancedRISCMachine。ARM芯片比Intelx86芯片具有更高的功率效率，并且功耗更低，性价比更高。以ARM为代表的RISC通用架构处理器在场景多样化计算时代具备明显的优势。例如在分布式数据库、大数据、Web前端等高并发应用场景，单芯片核数更多的ARM架构处理器相比传统处理器拥有更好的并发处理效率。ARM生态繁荣。在移动设备领域，ARM架构有着压倒性的市场和技术优势，根据软银2017年世界大会的数据，ARM在智能手机、调制解调器、车载信息设备、可穿戴设备等领域都占据统治地位。基于海量的市场空间，目前芯片领域的新工艺、新制程和新材料都率先在ARM架构上得以实现。可以预见未来ARM架构的CPU在并发性能、功耗、集成度等方面都会长期保持领先优势。

ARM是最活跃的体系架构生态。对于一些不太活跃的CPU架构，发行版就慢慢减少支持，甚至有不再支持的风险，由此会给软件开发、移植部署等带来诸多困难。根据《从端到云基于飞腾平台的全栈解决方案白皮书》数据，Linux内核对于几种CPU架构的维护活跃程度（选取较新的稳定版5.3.7内核，分别对比了六种CPU架构相关代码维护活跃程度）和代码维护活跃度，由高到底依次为ARM64（1468次）、x86（1329次）、PowerPC（879次）、MIPS（310次）、SPARC（114次）和ALPHA（64次）。

西方也在转向采用ARM架构。PC方面，在MercuryResearch的2021年第四季度PC统计中，基于ARM处理器的PC在所有PC总出货销量中的占比达到了9.5%的新高，同比增加了6.1pct，环比增加1.2pct。2020年苹果旗下MacBook笔记本电脑、Mac一体机和平板电脑配置的M1芯片表现出ARM架构性能的潜力和低能耗优势。服务器领域，华为已经于2019年推出基于ARM架构的鲲鹏920服务器芯片，性能对标Intek至强8180。英伟达也在2020年推出了基于ARM架构的Grace服务器芯片。信创事业发展可以更多利用ARM。随着中美科技脱钩，CPU架构也会成为博弈的焦点。ARM架构是未来芯片主流技术方向，目前芯片领域的新工艺、新制程和新材料都率先在ARM架构上得以实现。可以预见未来ARM架构的CPU在并发性能、功耗、集成度、场景多样化具备明显优势。西方由于原有技术路径拖累以及现有利益冲突，较难完全拥抱ARM架构，中国从0到1选择布局ARM架构，历史包袱较小，有望借助ARM架构夺得CPU技术高地。

2.1.CPU市场规模庞大，海外寡头垄断

全球CPU市场较为稳定，疫情促进桌面CPU市场规模增加。CPU的重要应用领域包括桌面和服务器，在桌面领域，2015-2018年全球出货量增速呈现缓慢下降的趋势，但是整体出货量依然保持在2.6亿台/年左右。2019年开始全球桌面出货量出现回升，2020年疫情催生全球“线上化”浪潮，全球桌面出货量较前5年有较大增长，达到3.03亿台。在服务器领域，2020年全球服务器出货量达1,220万台，同比增长3.92%。

2020年国内桌面CPU出货量约5000万片，服务器CPU出货量约700万片。根据IDC数据，2020年中国PC出货量为4910万台，X86服务器出货量为344万台。假设平均每台PC用1片CPU，服务器主要为双路服务器（配置2片服务器CPU），则2020年中国桌面CPU市场出货量约5000万片，服务器CPU市场出货量约700万片。

Intel和AMD两大巨头垄断全球CPU市场。X86为当前全球信息化类CPU的主流架构，根据MercuryResearch数据2021年Q3全球PC和服务器中，X86占比超过90%。Intel和AMD作为全球信息化类CPU中的两大巨头，在2021年Q4，Intel占据全球X86总体市场的74%，AMD占比为26%。2021年两大CPU巨头Intel和AMD营收合计超过900亿美元。根据我们测算，2021年CPU国产化率超过10%。

2.2.CPU市场的竞争要素：性能和生态

CPU技术迭代快速，全球CPU巨头保持高研发投入。CPU行业技术壁垒较高，处理器迭代速度快，Intel和AMD作为行业巨头平均每1-2年迭代一次，在指令集、IPC和缓存容量等方面实现创新突破。2015-2021年Intel和AMD研发费用率整体保持平稳，维持在20%上下。

3.1.对海外依赖性较强，国产化迫在眉睫

供应链方面，国产CPU面临被美制裁风险。CPU是信息产业中最基础的核心部件，整个软件生态架构都建立在底层CPU架构之上。中美两国在该领域的博弈日趋激烈，美国多次在该领域制裁中国企业。2020年8月7日，华为表示，由于美国制裁，华为麒麟高端芯片在9月15日之后无法制造。此外海光、申威、飞腾等多家实体也陆续被美制裁。信息安全方面，CPU是信息安全重要关口。2018年的幽灵和熔断事件，主要影响的为云服务厂商，只能通过去intel、Microsoft等厂商打补丁修复，国内没有解决方案。海外大厂CPU也可能含有未公开的指令集，留有后门，对中国信息安全造成严重威胁。

3.2.国产CPU发展瓶颈：性能、生态和制造

国产CPU在性能方面与国际领先水平仍有差距。虽然国内桌面和服务器产品性能正在提升，尤其是海光和华为的服务器产品性能已接近国外中端产品水平，但是整体上国产CPU性能仍然落后于国际先进水平。

国产CPU生态构建不够完备。虽然目前国产CPU及其配套软硬件已在政府、国防、高性能计算机、北斗导航、网络安全、工业控制等领域得到了越来越多的应用，但是与Wintel和AA生态仍然有着较大的差距，在商用市场的应用场景比较有限。半导体制造工业能力较弱阻碍国产高制程处理器发展。中国虽然已经具有能够设计高制程芯片的设计厂商，如华为海思等，但芯片制造能力较弱，半导体设备国产化率较低，芯片制造制裁成为美国遏制中国芯片产业发展的重要手段。2020年5月17日，美国商务部BIS针对华为及其相关实体修订了禁令3（外国直接产品规则），规定9月15日后台积电无法再给华为供货，华为只有向BIS申请许可才能再出口。

3.3.国产CPU市场群雄逐鹿，六大CPU厂商各具特色

信创产业的本质是发展国产信息产业，CPU是信创产品中最重要的环节。中国的信创产业发展是中国乃至全球信息产业一次格局重构，其过程就是中国基础软硬件厂商的崛起，这已经不仅仅是对wintel架构安全与否的质疑，更是要发展中国IT产业完整的产业链和核心竞争力。CPU是信息产业的基础硬件底座，是整个信创产品中最重要的环节，整个软件生态架构都建立在底层CPU架构之上。信创加快推进，CPU国产化先行。目前，国内共有海光信息、兆芯、龙芯中科、华为鲲鹏、飞腾信息和申威科技六家国产CPU厂商。

国内六家均实现自主可控。六家国产CPU厂商均进入信创名录，获得工信部自主可控的认可。六家CPU国产厂商模式各具特点，主要分为三类，第一类是龙芯和申威，二者原先海外授权方均停止授权，切换到了自研指令集，无海外授权纠纷风险。第二类是飞腾和鲲鹏，拥有ARM架构永久授权。第三类是海光和兆芯，与海外成立合资公司，获得X86技术授权。

各家CPU生态构建有所差异。海光和兆芯凭借X86架构拥有最强生态，能够兼容目前存在的数百万款基于X86指令集的系统软件和应用软件；鲲鹏和龙芯基于ARM架构，ARM在移动端一家独大，逐步向桌面和服务器延伸，生态建设较为繁荣。龙芯和申威从MIPS和Alpha转向自主指令集，逐步构建自主生态。国产CPU性能参差不齐，逐步向国际主流水平逼近。不同指令集架构下部分产品参数如核心数、超线程对产品性能影响程度不同，海光7285可对标Intel在2020年发布的铂金级旗舰芯片，鲲鹏920可对标Intel在2017年发布的XeonPlatium8180，兆芯的开胜KH-30000可对标Intel在2017年发布的酷睿i5，飞腾S2500可对标Intel在2016年发布的至强E5，龙芯3C5000性能基本与典型64核ARM相当。

市场格局方面，六家各自在不同市场具有优势。党政信创方面，2021年，党政信创招标中我们预计飞腾市占率最高，龙芯位居第二。行业信创方面，重要行业客户对IT基础架构偏好X86，其中行业信创的PC端以兆芯为主；服务器领域现阶段只有海光和鲲鹏两家可以提供满足性能需求的产品，因为行业客户要求避免单一供应商依赖，因此海光和鲲鹏在市场份额上基本维持五五开的局面。国产CPU定价与性能和市场定位有关。海光信息定位于高端服务器的7000系列2021年均价高达8574元，而定位于较低端应用场景的3000系列，均价仅1046元。龙芯中科定位于工控领域的芯片2021年销售均价仅296元。飞腾2021年在党政信创市场占有较大市场份额，我们测算，2022年8月，桌面CPUD2000均价约为2000元，服务器CPUS2500均价约为6750元。

3.4.边际变化：信创推进加快，国产化产线突破

3.4.1.信创事业发展规划

党政信创产业规模逐年递增。规模和节奏上，完成党政领域部委省市级别的电子公文交换系统的国产化替换之后，县乡级别电子公文交换系统、以及电子政务系统的国产化会紧密衔接。党政信创分为两部分，除了电子公文交换系统外，还有电子政务系统，后者的替换规模远大于前者。

行业信创强调增量替换。行业信创从已经实施的节奏来看，都是围绕新增采购提国产比例要求，并没有主动进行存量替换。未来任务是能替尽替，现阶段要求是办公系统能替尽替，业务系统优先采购信创产品。预计2022年是行业信创大年，2023年行业信创将迎来放量。

3.4.2.需求端：CPU信创市场空间广阔，节奏即将加快

信创分为行业信创和党政信创，信创CPU主要用在PC和服务器上。

PC端：党政信创市场PC存量广阔。测算方法一，党政信创除了公文系统之外还有政务系统和事业单位。根据人力资源与社会保障事业发展统计公报数据，我国有700多万公务员与3000多万事业编制人员（未计算离退休人员），假设公务员每人都配备至少1台PC、同时还有约300万台内网终端、2/3的事业编制人员配备PC计算，党政行业对应约3000万台存量PC。测算方法二，在最低使用年限6年的前提下，在最近的折旧周期内政府行业历年PC采购数量之和即其存量规模：党政行业近年平均PC采购量接近500万台，党政行业的PC保有量接近3000万台。假设每台PC配置一片CPU，则党政信创存量PCCPU市场规模为3000万片，按照6年折旧计算，平均每年采购500万片。行业信创PCCPU市场规模远超党政。测算方法一，商用市场中，我们假设每年40%下游需求来自关基行业，对应约1200万台PC，按5年折旧则重要行业客户存量PC达到6000万台。测算方法二，过去5年重要行业的服务器平均年采购量约为120万台，按照10:1的PC:服务器数量，预计重要行业信创对应PC存量规模亦为6000万台，假设每台PC配置一片CPU，则重要行业信创PC存量是规模为6000万片。行业信创市场规模约为部委省市级别电子公文交换系统市场的10倍，是整个党政行业市场的2倍。

4.6.2.性能稳定安全，专用领域首选芯片

性能稳步提升。在服务器领域，浮点运算算力相比于同期外国处理器毫不逊色。申威在研的432、443将分别采用第四代、第五代申威核心，综合性能将分别达到同期国际主流桌面CPU的60%和80%。此外，申威在研的3232为32核CPU，主要面向云计算、大数据领域，综合性能预计为同期英特尔主流服务器CPU的60%-70%。技术安全，是专用领域首选。作为专用领域的CPU供给商，出于安全性能以及知识产权角度，申威在研发出第一代基于Alpha指令集的CPU后，开始将指令集替换为自研的自主可控的申威64位指令集。因此，基于完全自主指令集架构的申威CPU研发能力不受美国制裁的限制和威胁，产品经过军工认证，可以为军队、党政机关等高机密、关键行业持续稳定提供支撑。自主国产生态逐步构建。国产处理器得以推广应用的关键在于生态的丰富与否。为应对这一问题，申威推出了自研的操作系统，实现了从处理器到操作系统，在到上层应用软件的国产化。现阶段而言，拥有了超强的硬件，数据处理和平台网络安全产品，申威CPU将大力发展各类申威处理器应用的研究和各种软件的适配，旨在打通行业上下游，建立起完全自主可控的产业生态。

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