六大國產CPU龍頭，誰能與國際大廠一戰？
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國產CPU六劍客，能否撐起中國CPU的一片天？
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中央處理器（CPU），顧名思義，是底層硬件基礎設施中的核心。當前CPU主流芯片架構為Arm和x86，均為國外主導，國產化率較低。經過多年發展，國產CPU初步形成六大廠商齊頭并進的格局，以鯤鵬、飛騰、龍芯、兆芯、海光、申威為代表，一批優質國產CPU企業快速崛起。其中，龍芯中科、海光信息在2022年先后登陸科創板，海光信息自上市后一直是科創板市值最高的芯片半導體公司。截至2023年1月16日收盤時間，海光信息總市值967億元，龍芯中科總市值為352億元。按指令集架構，國產CPU廠商采用的路線可分為四類：x86、Arm、MIPS、Alpha。
▲從指令集架構看CPU市場格局x86是當前PC及服務器市場的主流架構。海光信息、兆芯都采用x86架構IP內核授權模式，可基于公版CPU核進行優化或修改，優點是性能起點高、生態壁壘低，但由于依賴海外企業授權，自主可控風險偏高。相較x86，走Arm路線自主化程度更高。華為鯤鵬、飛騰都獲得了Armv8永久授權，可自行研發設計CPU內核和芯片，也可以擴充指令集。不過Arm將不再向這些國產CPU廠商提供Armv9的永久授權，因此采用Arm架構仍存長期隱患。龍芯中科、申威分別走的是MIPS、Alpha路線，自主可控程度相對更高，但偏小眾。此外，與Arm、MIPS同源的RISC-V也正在興起。因其相對精簡的指令集架構（ISA）以及開源寬松的BSD協議近年來發展較快，國內阿里平頭哥、國芯科技等企業推出了基于RISC-V架構的相關嵌入式CPU產品。本期芯東西內參，我們推薦國金證券的報告《中流擊水—六大國產CPU廠商分析》，揭秘六大國產CPU廠商的最新發展格局。如果想收藏本文的報告，可以在芯東西公眾號回復關鍵詞“nc680”獲取。來源 國金證券原標題：《中流擊水—六大國產CPU廠商分析》作者：孟燦
01.華為鯤鵬：垂直生態的領導者，國產服務器CPU黑馬
華為自研芯片有五大類，包括服務器芯片鯤鵬系列、手機SoC芯片麒麟系列、人工智能芯片昇騰系列、5G****芯片天罡系列、5G終端芯片巴龍系列等，以及凌霄芯片、NB-IoT芯片、視頻編碼解碼芯片以及SSD控制芯片等一系列專用芯片。
▲華為芯片全景圖其中鯤鵬處理器基于Armv8指令集永久授權，自主研發設計處理器內核，兼容全球 Arm生態。華為圍繞鯤鵬處理器打造了“算、存、傳、管、智”五個子系統的芯片族，實現全場景處理器布局。當前其鯤鵬芯片族正沿著“量產一代、研發一代、規劃一代”的策略持續升級產品。2019年，華為發布鯤鵬920處理器。該芯片支持Armv8.2指令集，是行業內首款7nm數據中心Arm處理器。鯤鵬920由華為自主研發，采用多****、亂序執行、優化分支預測等多種手段提升單核性能。鯤鵬920擁有64個內核，集成8通道DDR4，可以提供多個接口，主頻可達2.6GHz，總內存帶寬最高可達1.5Tb/s，支持PCIe 4.0及CCIX接口，總帶寬640Gbps。華為 Cache一致性總線（HCCS）的480Gbps片間互聯支持最多4顆鯤鵬920互聯和最高 256個物理核的NUMA架構，保證了鯤鵬920超強算力的高效輸出。
▲鯤鵬920處理器關鍵特性此外，鯤鵬920在Memory子系統上也進行了大量的優化，采用當前典型的3級Cache的架構，對Cache大小以及延時進行了優化設計。非x86架構芯片中，鯤鵬920芯片在算力維度方面優勢領先，且發展至今已經達到可以與x86芯片相匹配的性能。參照鯤鵬920不同核心下與競品芯片的對比，其在48核時，整數打平英特爾旗艦級服務器芯片至強8180（28核、2.5GHz頻率），功耗低20%；在64核心時，比過英特爾至強8180 33%左右。
▲鯤鵬920 SPECINT 2006橫向對比華為也在構建openEuler開源社區，高效推進處理器深度優化。openEuler開源社區以 Linux kernal、GNU等為上游社區，定期同步上游社區創新成果，并針對鯤鵬處理器進行深度優化，提供完整OS開發環境和上下游生態驗證環境，使開發者和用戶高效開展需求適配、生態集成和測試認證。
▲OpenEuler開源社區鯤鵬計算產業生態不斷擴大。鯤鵬計算產業是基于鯤鵬處理器構建的全棧IT基礎設施、行業應用及服務，包括PC、服務器、存儲、操作系統、中間件、虛擬化、數據庫、云服務、行業應用以及咨詢管理服務等。
▲鯤鵬計算產業首批廠家該路線是華為提出的六大數字技術生態之一，除鯤鵬外還包括昇騰、HMS、鴻蒙、華為云、MDC（智能駕駛計算平臺）。其中鯤鵬是華為面向政企市場，與地方政府和合作伙伴共同打造鯤鵬產業生態、構建具有國際競爭力的通用計算技術路線。華為鯤鵬得到了地方政府的大力支持。2020年4月，成都市印發《關于加快培育發展鯤鵬產業工作方案的通知》，明確2025年成都鯤鵬產業規模超過500億元，并成為全國領先的鯤鵬軟件生態基地、鯤鵬硬件制造基地和鯤鵬應用示范基地，該案例為鯤鵬產業體系的推進提供了重要模板。02.飛騰：PKS生態體系主導者，黨政市場占有率高
另一家采用Arm架構的國產CPU玩家飛騰，由中國電子信息產業集團、天津市濱海新區政府和天津先進技術研究院于2014年聯合成立。2020年以來，飛騰對高性能服務器CPU、高效能桌面CPU、高端嵌入式CPU三條產業線進行了全面的品牌升級。高性能服務器CPU產品線統一以飛騰騰云S系列進行命名，高性能桌面CPU產品線以飛騰騰銳D系列進行命名，高端嵌入式CPU產品線統一以飛騰騰瓏E系列進行命名。
▲飛騰騰云S2500性能提升明顯其2020年發布的騰云系列新一代可擴展多路服務器芯片騰云S2500與FT 2000+相比性能大幅提升。在整機性能方面，雙路的SPECint分值為原來的2倍，四路的SPECint 值為原來的3.5倍；在分布式數據庫性能方面，雙路服務器的tpmc值線性提升至原來的2倍，四路的tpmc值線性提升至原來的4倍；在云桌面支持方面，雙路服務器支持虛擬機70個，是原來的2.5倍，四路服務器支持140個，是原來的5倍。相比上一代產品FT-2000/4桌面處理器芯片，最新飛騰高效能桌面CPU騰銳D2000的性能大幅躍升，帶寬達18.7GB/s，SPECint分值為97.45，SPECfp分值為94.62，接近原來的2倍，在計算能力上得到進一步提升，并兼顧桌面終端與邊緣服務器。此外，騰銳D2000與FT-2000/4產品管腳兼容，用戶可以實現現有系統的原位拔插代換、無縫兼容。此設計能夠大幅降低產品研發成本，同時降低整機合作伙伴的開發難度，加快開發進度。
▲騰銳D2000與飛騰其他產品的性能對比在生態建設方面，飛騰與1600余家國內軟硬件廠商打造完整生態體系，與6大類 1000余種整機產品、2600余種軟件和外設完成了適配；基于飛騰桌面CPU的終端已形成了較為完整的生態圖譜，可覆蓋從整機硬件、基礎軟件到上層的應用；基于飛騰桌面CPU的終端產品已能夠實現海量安卓應用的運行，基于飛騰CPU的軟件生態也在不斷豐富和完善。飛騰是PKS體系領導者。PKS體系最早由飛騰CPU（Phytium）和麒麟操作系統（Kylin）組成的“PK體系”發展而來。依托飛騰全新的硬件級安全機制，以相關可信技術為支撐，PK體系融合“S-Security”的立體防護安全鏈，升級為PKS體系，并全球首創將“可信計算3.0”技術融入到CPU、操作系統和存儲控制器中，實現底層構架的本質安全，并成為國內首個計算機軟硬件基礎體系標準。對比鯤鵬與飛騰的生態構建，可以發現，鯤鵬技術路線比PKS路線有較明顯的技術和產品優勢，PKS技術路線比鯤鵬技術路線有較明顯的安全優勢。
▲鯤鵬計算產業與PKS技術路線對照表鯤鵬在硬件終端、云平臺、人工智能、中間件等方面具有絕對優勢，但在安全方面略遜一籌。PKS路線的一個顯著特點是“注入安全”，即“PKS”體系中的“S”，將安全貫穿從CPU、OS底層到產品服務應用，一直到供應鏈安全保障的全過程，為信創工程提供內生安全、過程安全和供應鏈安全的全流程服務。
03.海光信息：領跑國產服務器CPU，科創板半導體股市值第一
海光信息成立于2014年，主營產品包括CPU和DPU（屬于GPGPU），營收規模和增速都位居國產CPU企業的前排。由于x86架構在服務器CPU的市占率超9成，海光信息CPU兼容x86指令集，使得其具備較高的應用兼容性、較低的遷移成本，有望受益于x86完備的生態體系。該公司在2021年實現首次盈利，背靠中科曙光、AMD兩家巨頭。國產高性能計算龍頭企業中科曙光，是海光信息的第一大股東，也是海光信息的優質客戶源。曙光服務器中應用海光產品的比例超過30%，為海光芯片的放量打下了深厚基礎。海光信息的x86授權來自全球第二大x86處理器供應商AMD公司。2016年，AMD和海光信息合資成立了成都海光微電子技術有限公司和成都海光集成電路設計有限公司，授權海光微電子x86指令集和Zen架構，AMD獲得2.93億美元的授權費。海光集成電路購買海光微電子的IP授權，以此為基礎開發CPU。海光集成電路與海光微電子的股權結構保證了公司在規避了英特爾的x86授權限制的同時，又使得海光x86 CPU成為內資公司開發的產品，滿足了國家產業政策和創新的需求。
其產品基于AMD Zen1架構，產品性能起點較高。對比英特爾在2020年（與海光7285 同期）發布的6款至強鉑金系列產品（能夠反映英特爾2020年發布的主流CPU產品的性能），在典型場景下，海光7285已接近國際同類高端產品水平。
▲海光7285與英特爾至強鉑金系列產品對比
▲海光CPU主要規格和特點面向企業計算、云計算數據中心、大數據分析、人工智能、邊緣計算等眾多領域，海光信息提供了多種形態的處理器，滿足互聯網、電信、金融、交通、能源、中小企業等的廣泛應用需求。
電信和金融是其產品應用最多的兩個領域。基于前期電信、金融、互聯網等行業對其產品的認可，海光信息在電信運營商集采、金融行業入圍等方面市場份額增長較快，其產品在相關重點行業銷量逐漸提升。
04.兆芯：合資CPU的探路者，掌握三大核心技術
兆芯于2013年由臺灣威盛與隸屬于上海市國資委的上海聯和投資公司所合資成立，威盛持股20％，上海國資委持股80%，總部位于上海張江，在北京、西安、濟南等地設有子公司。威盛與英特爾交叉授權協議，擁有設計、生產x86芯片權利，技術授權來自威盛。2020年10月26日，威盛作價2.57億美元將部分x86技術出售給兆芯，兆芯擁有了部分x86技術產權。目前兆芯同時掌握中央處理器、圖形處理器、芯片組三大核心技術，具備相關IP自主設計研發的能力，已成功研發并量產多款通用處理器產品，形成PC/嵌入式處理器“開先”、服務器處理器“開勝”、IO拓展芯片/芯片組三大產品系列，產品性能不斷提升，達到國際主流同等水平。其中，兆芯開先KX-6000系列處理器是國內率先實現主頻3.0GHz關鍵突破的國產通用處理器。
▲兆芯產品體系與解決方案兆芯通用處理器具備良好的操作系統和軟硬件兼容性，生態體系成熟，支持構建臺式機、筆記本、一體機、云終端等多種類型的桌面整機以及服務器、存儲等產品。在嵌入式領域，也已經有不同規格基于兆芯通用處理器的工業主板、模塊化電腦、工業整機、Box PC、工業級服務器、網絡安全平臺等產品陸續推出。開先KX-6000/開勝KH-30000系列處理器是業內第一款完整集成CPU、GPU、芯片組的SoC單芯片國產通用處理器，這為整機系統的開發提供了較大的便利條件，同時也更利于控制成本。這兩個系列處理器的單芯片性能相比上一代產品提升了多達50%，同頻下性能功耗比則是上代產品的3倍。
▲兆芯產品系列
▲兆芯KX-6000系列處理器橫向對比在產業鏈合作方面，兆芯積極協同產業合作伙伴，為政府、金融、教育、交通、能源、網絡安全、醫療、通信等行業提供多樣化的產品和解決方案，助力客戶應用實現平滑遷移。目前，基于兆芯新一代處理器（KX-6000/KH-30000），已有20余款不同形態的桌面PC及服務器產品，30多種工業主板、工業電腦模塊和嵌入式計算平臺，以及30多種網絡安全平臺相繼推出。
05.龍芯中科：自主可控程度高，主力CPU產品進入快速增長階段
龍芯中科是中國科學院計算所自主研發的通用CPU，采用自主LoongISA指令系統，兼容MIPS指令，所有IP模塊皆為自主設計，擁有片內安全機制、可信性高。龍芯處理器以32位和64位單核及多核CPU/SoC為主，主要面向高端嵌入式、個人電腦、服務器和高性能機等應用。
2002年8月誕生的“龍芯一號”是我國首枚擁有自主知識產權的通用高性能微處理芯片。龍芯中科從2001年至今共開發了1號、2號、3號三個系列處理器和龍芯橋片系列，在政企、安全、金融、能源等應用場景得到了廣泛應用。其產品體系分為三大系列，龍芯1號系列為低功耗、低成本的專用嵌入式SoC或MCU 處理器，主要根據需求定制；龍芯2號系列為低功耗通用處理器，采用單芯片SoC設計，應用場景面向工業控制與終端等領域，定位可類比英特爾的凌動系列；龍芯3號系列為高性能通用處理器，通常集成4個及以上的64位高性能處理器核，與橋片配套使用，應用場景面向桌面和服務器等信息化領域，對標英特爾的酷睿/至強系列。
▲龍芯中科產品體系龍芯中科自主研發的LoongArch，具有較強的擴展性和自主性。LoongArch包括基礎架構部分和向量指令、虛擬化、二進制翻譯等擴展部分近2000條指令，具有較好的擴展性。LoongArch指令系統從整個架構的頂層規劃，到各部分的功能定義，再到每條指令的編碼、名稱、含義，都進行了自主設計，具有充分的自主可靠性。此外，LoongArch充分考慮兼容需求，在定義時充分考慮了MIPS、x86、Arm、RISC-V等主要指令系統的特征，摒棄了傳統指令系統中部分不適應當前軟硬件設計技術發展趨勢的陳舊內容，吸納了近年來指令系統設計領域諸多先進的技術發展成果。同原有兼容指令系統相比，LoongArch不僅在硬件方面更易于高性能、低功耗設計，而且在軟件方面更易于編譯優化和操作系統、虛擬機的開發。
▲LoongArch架構優勢基于自主指令系統（LoongArch）的3A5000/3B5000，是龍芯當前重點發展產品。龍芯3A5000/3B5000是面向個人計算機、服務器等信息化領域的通用處理器，基于LoongArch的LA464微結構，進一步提升頻率、降低功耗、優化性能；在與龍芯3A4000處理器保持引腳兼容的基礎上，頻率提升至2.5GHz，功耗降低30%以上，性能提升50%以上。龍芯3B5000在龍芯3A5000的基礎上支持多路互連。
▲龍芯3A5000/3B5000產品參數從龍芯3A5000在SPEC CPU 2006 BASE性能測試中的表現來看，龍芯3A5000單核定點為25.1分，單核浮點為26分，相比英特爾i5 9500六核14nm有不小差距，但單核定點與國產Armv8四核7nm處理器不相上下，單核浮點略優。龍芯3A5000對比國產 Armv8八核14nm處理器的單核定點則高出近10分，單核浮點則高出近1倍。多線程測試中，英特爾i5 9500六核14nm處理器依然表現最佳，而龍芯3A5000的多核定點與多核浮點均高于國產Armv8四核7nm處理器，由于國產Armv8八核14nm處理器核心數量上具有一定的優勢，因此定點和浮點的分數要高于龍芯3A5000和國產 Armv8四核7nm處理器。龍芯3A5000在主流內存帶寬測試程序Stream Copy的子項性能測試中表現出色，表現超過英特爾i5 9500六核14nm處理器。其Copy單線性能獲得16864分，多線性能獲得21873分。國產Armv8八核14nm處理器和國產Armv8四核7nm處理器分數相差不大，但整體表現比龍芯3A5000稍遜一籌。龍芯秉承獨立自主和開放合作的運營模式，從指令集/IP核授權、到芯片級/主板級開發以及系統內核應用等方面對生態伙伴進行全方位的開放支持。目前龍芯的信息化合作伙伴達到上千家，可以提供基于龍芯從端到云的完整解決方案，相關軟硬件開發人員數萬人。龍芯開源社區（www.loongnix.cn）是龍芯CPU的基礎軟件生態建設平臺，由龍芯中科組織并聯合產業鏈合作廠商、國際開源軟件社區及開源愛好者共同參與建設。社區以“開源、開放”的形式進行管理，設置BIOS、Linux內核、GCC編譯器、Java虛擬機、瀏覽器、媒體解碼庫、圖形桌面、KVM虛擬機等重要基礎軟件項目。經過多年建設，信息化應用中的主流編程語言和開發環境已在龍芯平臺上得到支持。
▲龍芯的開源社區建設06.申威：特種領域的領導者，為“國之重器”中國超算供應大腦
成都申威成立于2016年，依托國家信息安全發展戰略，主要從事對申威處理器的產業化推廣。申威處理器以Alpha指令集為基礎進行拓展，高度自主可控。Alpha指令集由美國DEC公司研制，主要用于64位的RISC微處理器。DEC公司后被美國惠普收購，無錫江南計算所購買了Alpha指令集的所有設計資料。江南計算所基于原來的Alpha指令集，開發出了更多的自主知識產權的指令集，并研制了申威指令系統，推出了申威處理器。申威處理器是在國家“核高基”重大專項支持下，由上海高性能集成電路中心研制的全國產處理器。首顆申威處理器代號“SW-1”，于2006年研制成功，基于DEC公司Alpha架構，采用130nm制程，主頻為900MHz。
▲申威主要產品系列出于安全性能以及知識產權角度，申威在研發出第一代基于Alpha指令集的CPU后，將指令集替換為自研的自主可控申威64位指令集，完全區別于原有Alpha指令集。申威處理器專注于高性能計算，尤其是在服務器領域，浮點運算算力與同期外國處理器相當。申威SW26010是中國首個采用國產自研架構且性能強大的計算機芯片。
▲申威26010性能對比申威26010處理器的峰值性能大于每秒12.5萬萬億次浮點運算結果，峰值速度、持續性能、性能功耗比排在世界前列。在2016年法蘭克福世界超算大會上，國之重器“神威·太湖之光”搭載該處理器登頂國際TOP500超級計算機榜單之首，并成為全球首臺峰值計算速度超過十億億次的超級計算機。隨后，我國科研人員依托“神威·太湖之光”的應用成果首次榮獲“戈登·貝爾”獎，實現了我國高性能計算應用成果在該獎項上零的突破。申威8A芯片采用最新的第四代申威處理器核心（簡稱Core4）。Core4核心繼續采用超標量流水線結構，支持亂序****、亂序執行、推測執行，并首次采用SMT技術，支持每個核心同時運行兩個線程。相比上一代4核CPU申威421，申威831在功耗相當的前提下，性能提升2倍以上，下一代產品申威4E相比申威831性能再提升50%以上，與英特爾中端桌面處理器相當；申威下一代服務器產品威鑫8A與英特爾中端服務器處理器相當。
▲終端處理器性能對比（SPEC分值）經過長期穩定的研發，基于系列申威芯片的各種產品也逐漸增多，在保障特種領域應用和國家戰略任務的前提下，隨著其產品技術的日益成熟，其生態也不斷完善。
▲申威生態芯東西認為，經過多年發展，六大國產CPU主流玩家，各具優勢，也各存短板。考慮到產品性能和生態優勢，短期內海光信息、華為鯤鵬、飛騰在市場化道路上預計更為好走。但目前尚未見哪家在高自主化程度、高商用市場接受程度方面做到兩全，國產化道路依然曲折漫長。在自主可控長期需求的驅動下，國產CPU龍頭需更有定力，肩負起可持續的技術創新研發重任，才有能力參與到更長期的國際競爭中。*博客內容為網友個人發布，僅代表博主個人觀點，如有侵權請聯系工作人員刪除。
