计算机行业深度报告：CPU是计算机之根本，国产化进程风起云涌

CPU是计算机硬件核心，ARM大有可为：CPU是计算机的底层基础硬件，整个软件生态架构都建立在底层CPU架构之上。CPU指令集主要有X86、ARM、RISC-V等，2021年X86架构生态占据全球主要市场份额。信创事业发展可以更多利用ARM，1）ARM技术领先，在并发性能、功耗、集成度、场景多样化相比X86具备明显优势；2）ARM生态繁荣，在移动设备领域占据统治地位，在PC和服务器领域ARM架构的应用成长迅速，苹果和英伟达相继布局ARMCPU。3）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。 CPU行业高壁垒大赛道，产品性能、生态和生产制造是突破海外垄断的关键：CPU技术迭代快速，2015-2021年全球CPU巨头保持20%左右高研发费用率。CPU生态包括硬件产业链生态和软件生态，一旦形成，十分稳固，靠纯商业手段很难打破。CPU赛道空间广阔，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。 全球CPU市场主要有Intel和AMD两大巨头垄断，2021年两大CPU巨头Intel和AMD营收合计超过900亿美元。中国国产CPU最强性能相当于海外巨头中端产品，生态建设相比于海外巨头仍有不小差距，芯片代工制造换届国产化率较低，是海外“卡脖子”重要环节。 信创推进加快，国产化线突破在即：需求端，信创市场CPU需求量较大。PC端，我们测算，党政行业对应约3000万台存量PC，行业信创重要行业客户存量PC达到6000万台。服务器端，2020年，党政和行业信创服务器出货量分别为40/158万台。随着中美科技脱钩，信创节奏有望加快，党政信创有望向电子政务和县乡级电子公文渗透，我们预计2022年行业信创有望翻倍增长，2023年有望迎来快速增长。供给端，2022年华为 28nm 产线突破在即，2021年 28nm 及以上成熟制程占据全球76%市场份额，可以满足大部分领域国内发展需求，国产CPU芯片生产问题有望解决。 信创风来，六大国产CPU厂商各显神通：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。 六家国产CPU厂商均进入信创名录，获得工信部信创的认可。建议优先关注行业客户切换成本较低，兼容X86架构的国产CPU厂商海光信息（已上市）、中科曙光（已上市，海光第一大股东）、上海兆芯（未上市）；关注直接受益于 28nm 国产线拉通，产能恢复的华为鲲鹏（未上市）、神州数码（已上市，鲲鹏服务器厂商）；关注党政信创进一步深化，市场份额较高的飞腾信息（中国长城参股）、龙芯中科（已上市）；关注布局专用领域，受益于军工景气度提升的申威科技（未上市）。 风险提示：研发进度不及预期；疫情影响超预期；政策推进不及预期。 1.CPU：计算机核心 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（Central Processing Unit）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。 图1：CPU的运行原理 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。 图2：CPU按用途分类 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。 表1：复杂指令集和精简指令集的区别 表2：主要精简指令集区别 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。 图3：CPU产业发展历程 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7nm FinFET制程比 10nm 速度增快约20%，功耗降低约40%。 图4：2008-2023年Intel和AMD CPU工艺不断提升 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64 X2处理器，经过十几年的强化升级，2023年Intel将会推出代号为Sierra Forest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。 图5：IP核分类及特点 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Intel CPU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Advanced RISC Machine。ARM芯片比Intel x86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。 图6：ARM在移动领域占据统治地位 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）。 表3：芯片体系架构活跃度对比 图7：对芯片架构相关Linux内核维护活跃度对比 西方也在转向采用ARM架构。PC方面，在Mercury Research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.高壁垒大赛道，寡头垄断格局 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%。 图8：2020年全球桌面出货量为3.03亿台 图9：2020年全球服务器出货量为1220万台 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。 图10：2020年中国PC出货量为4910万台 图11：2014-2020年全球X86服务器销量占比 图12：2014-2025年中国X86服务器出货量 图13：中国X86服务器路数分布情况 图14：2016-2025年中国X86服务器芯片出货量（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Mercury Research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%。