换道引领国产CPU行业未来可期

换道引领国产CPU行业未来可期

　　换道引领国产CPU行业未来可期

同轴芯片封装,灯光芯片封装,半导体芯片封装　　CPU 产业链巨头大多集中在海外，位居产业链各个核心环节，从当前国产 CPU 产业链进口 替代的视角来看：在设计环节，华为鲲鹏，飞腾等龙头已跻身世界一流水平；封测环节，通富承接 AMD 7nm CPU 封测、 14nm 及以下结点的先进制程；设备、材料、EDA/IP、制造等环节仍与国外龙头差距较大，目前仍采用“外循环为主+ 内循环为辅”的模式。

　　同轴芯片封装,灯光芯片封装,半导体芯片封装CPU，即中央处理器，是电子计算机的主要设备之一。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU 主要包括两个部分，即控制器、运算器，其中还包括高速实现缓冲处理器之间联系的数据、控制的总线。其功效主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。在计算机体系结构中，CPU 是对计算机的所有硬件资源（如存储器、输入输出单元）进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。CPU 是计算机运算和控制的核心，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 内核的基础是指令集和微架构，指令集确定了 CPU 的工作方式及与之相适配的硬件架构（微架构）。按照指令集的复杂程度可以分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两大类，复杂指令集包括 x86 等，精简指令集包括 ARM、MIPS、Alpha 等。

　　CPU 产业链巨头大多集中在海外，位居产业链各个环节核心，对全球 CPU 行业影响力较大。在设计环节，英特尔和 AMD 几乎垄断通用型 CPU 市场；在设备、材料、EDA/IP 等环节国内龙头与国外龙头差距较大，国产化率较低；在制造环节，目前只有台积电和三星有 5nm 制程生产能力，但均需使用美国设备；在封测环节，目前中国台湾、中 国大陆、美国三分天下。

　　从当前国产 CPU 产业链进口替代的视角来看：在设计环节，华为鲲鹏，飞腾等龙头已跻身世界一流水平；封测环节，通富承接 AMD 7nm CPU 封测，14nm 及以下结点的先进制程；设备、材料、EDA/IP、制造等环节仍与国外龙头差距较大，目前仍采用“外循环为主+内循环为辅”的模式。

　　全球集成电路产业重回增长态势。2013 年至 2018 年期间，全球集成电路行业呈现快速增长趋势，产业收入年均复合增长率为 9.33%；2019 年，受国际贸易摩擦的影响，全球集成电路产业总收入为 3304 亿美元，较 2018 年度下降 15.99%；2020 年，因贸易摩擦缓解，加之数据中心设备需求增加、5G 商用带动各种服务扩大、汽车智能化等因素，2020 年全球集成电路产业市场规模为 3612 亿美元，较 2019 年增长 9.32%，市场重回增长态势。

　　我国集成电路产业起步较晚，但近年来在结构和规模方面得到较大提升。2010 年以来， 随着我国智能手机全球市场份额的持续提升，催生了对半导体的强劲需求，加之国家 对半导体行业的大力支持以及人才、技术、资本的产业环境不断成熟，全球半导体产业酝酿第三次产业转移，并且向我国转移趋势逐渐显现。

　　我国集成电路产业持续高速发展，市场规模复合增长率达到全球的近三倍。2013 年到 2020 年的复合年均增长率为 19.73%，持续保持高速增长态势。2020 年实现总销售额高达 8848 亿元，较上年增长 17.01%。受益于人工智能、大数据、5G 等技术的成熟和普及，预计我国集成电路产业将在未来继续保持快速增长趋势。

　　从集成电路设计、芯片制造、封装测试的结构变化来看，2020 年，我国集成电路设计产业销售收入 3778.4 亿元，所占比重从 2010 年的 26.9%增加到 42.7%；芯片制造销售收入 2560.1 亿元，所占比重从 2010 年的 28.7%增加到 28.9%；封装测试销售收入 2509.5 亿元，同比增长 6.8%，所占比重从 2010 年的 44.4%下降至 28.4%。芯片设计产业规模占比逐年攀升，我国集成电路产业发展质量正稳步提高。

　　全球服务器市场增速放缓，未来有望提速。根据 IDC 数据，受全球互联网行业资本投入收缩和新冠疫情影响，2020 年全球服务器出货量为 1212.9 万台，销售额为 910.2 亿美元，分别增长 3.26%和 4.37%，增速低于前期平均水平。但随着更多的经济及社会活动由线下转移至线上，对数据存储及运算能力提出了更高的要求，未来服务器市场需求有望恢复快速增长态势。

　　服务器市场中 x86 服务器表现亮眼。微软和英特尔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，打造了“Wintel”技术联盟。 Wintel 技术联盟的基本特点是基于 x86 架构优化各类软件应用，使得 x86 架构具备良好的产业生态优势。在操作系统领域，Windows 和 Linux 均兼容 x86 架构；在应用软件方面，得益于对独立软件开发商的指令集开放与应用平台操作系统的一致性，技术开发门槛显著降低，使得 x86 架构下的软硬件环境成熟度相较于其他架构具有明显优势。应用 x86 处理器的服务器销售量在全部服务器中的占比常年维持在 97%以上，2020 年 x86 服务器销售量达 1180.2 万台。

　　我国 x86 服务器中双路服务器是主流。由于 x86 处理器起步较早，生态环境较其他处理器具有明显优势。IDC 数据表明，我国 x86 服务器以双路服务器为主，从 2016 年到 2020 年，双路服务器占比均保持在 80%以上，其次是单路和 4 路服务器，合计占比在 10%至 20%之间；8 路以上的服务器占比较少。

　　CPU 可以应用在服务器、工作站、个人计算机（台式机、笔记本电脑）、移动终端和嵌入式设备等不同设备上，根据应用领域的不同，其架构、功能、性能、可靠性、能效比等技术指标存在一定差异。

　　从全球 CPU 竞争格局来看，集成电路产业头部效应较为明显，少数领军企业占据市场主导地位。全球 CPU 发展历程与 Intel 和 AMD 的发展史基本吻合，大致可分为四个阶段：性能提升阶段、应用扩展阶段、多元发展阶段和多核集成阶段。目前，全球集成电路市场主要由美国、欧洲、日本、韩国的企业所占据。

　　Intel 公司：Intel 公司成立于 1968 年，是半导体行业和计算创新领域的全球领先厂 商，并且是首家推出 x86 架构中央处理器的公司，长期占据 X86 市场霸主地位。当前 Intel 处理器主要包含 7 大品类：酷睿、奔腾、赛扬、至强、安腾、凌动、Quark。

　　AMD 是除 Intel 以外最大的 x86 架构微处理器供应商。公司于 1969 年成立，创办初期 的主要业务是为 Intel 公司重新设计产品，并以“第二供应商”的方式向市场提供这 些产品。目前公司主要提供用于商业及消费市场的 x86 微处理器和嵌入式微处理器、 台式和笔记本电脑芯片组、专业工作站和服务器、台式和笔记本电脑的视频图形和多 媒体产品，包括国内媒体电脑、专业游戏工作站和服务器等。

　　基于 Zen 架构持改进，形成三大产品线。公司已推出 Zen、Zen+、Zen2、Zen3 等架构， 形成民用处理器锐龙系列、线程撕裂者系列、服务器 CPU 霄龙系列三大产品线。公司 持续加强产品创新，于 2022 年正式发布锐龙 7000 系列处理器，拥有多达 16 个 Zen4 核心，成为世界上首款 5nm 处理器，并将于 2024 年推进至 Zen5 架构，进入 3nm 制程， 并推出代号为“Turin”的第五代 EPYC 伺机处理器以及代号“Granite Ridge”的新 款桌机处理器。

　　x86 领域，Intel 和 AMD 占领市场。2021 年在 x86 领域，Intel 市占率为 76.65%，仍占据主导态势。在非 x86 领域，ARM 以低能耗、高效率、发展时间长的优势占据移动终端市场主导地位，市占率达到 43.2%。此外，RISC-V 发展时间短但相对灵活，在物联网领域备受关注，因其开源性受关注程度较高，后续有望在新兴领域崭露头角；MIPS 主要应用在网关、机顶盒等网络设备中，市占率为 9%；Power 所代表的小型机是企业 IT 基础设施的核心，但在相关市场的市占率仅在 1%左右；Alpha 指令集基本已退出国际主流应用；SPARC 早先被 Sun 公司开源，后被 Oracle 公司并购，如今已逐渐退出市场。

　　在移动终端方面，ARM 占据绝对优势，其通过授权的方式占据移动设备端 90%以上的市场并形成了市场上的标准架构；服务器方面，国外的非 X86 参与者有高通、亚马逊等，国内的华为鲲鹏处理器是 ARM 服务器的重要参与者；在桌面 PC 市场，ARM 架构接受度不断提高，2011 年微软开始采用基于 ARM 架构的 Windows 系统，ARM 开始进入 x86 的传统优势领域，如今苹果 MacOS、新版 Windows 等均采用了 ARM 架构。

　　苹果于 2020 年 11 月发布基于 ARM 指令集的 M1 芯片。该芯片采用基于 Arm-ISA 的内部处理器和 CPU 微体系结构，是苹果首款针对 Mac 设计的 SoC，M1 芯片的发布标志着苹果继 2005 年放弃 IBM 的 Power PC 指令集转向 Intel 的 x86 指令集后的又一大 PC 领域转换。在 10W 的功耗限制下，M1 芯片可提供传统 x86 笔记本处理器 2 倍以上的 CPU 性能。

　　长期以来，我国对海外 IT 产品的依赖度较高，以“Intel、Microsoft、Apple、Oracle、 IBM、Qualcomm、Google、Cisco”为首的国外 IT 厂商在操作系统、数据库、芯片、 服务器、办公软件、智能终端等领域占据了中国市场的较大份额，对我国各个行业渗 透率较高。此外，近年来信息泄露事件层出不穷，为保证信息安全，IT 信创建设势在 必行。

　　指令集“断供”风险并不是“杞人忧天”，日本 CPU 曾因 Intel“断供”而一蹶不振。 日本在的 CPU 技术水平曾仅次于美国，但是却因只重视 CPU 产品本身而忽视了生态的 主导权。在日本相关公司将 x86 推广成“世界通用标准”后，1986 年在 80386 处理器 即将上市之际，Intel 断供日本的 32 位 CPU 授权，从此日本的 CPU 产业便逐渐丧失活 力。

　　以基于 ARM 架构的飞腾和鲲鹏为例，其均为指令集架构授权，自主化程度相对较高。 ARM 主要有三种授权等级：其中指令集层级授权等级最高，企业可以对 ARM 指令集进 行改造以实现自行设计处理器，此前海思、飞腾已经获得 ARMV8 永久授权，ARM 此前 确认 ARM v9 架构不受约束，华为海思依然可获授权。ARM 架构目前在桌面和服务器端 的生态远不如 x86，在前期的国产化替代中，应用到核心系统的案例较少。指令集架 构的永久授权一定程度上满足了自主创新的需求，但是依然存在版本更新后被断供的 风险。

　　美国《芯片与科学法案》限制获补贴企业在中国进行先进制程芯片投资。美国芯片法案主要涵盖两个重要部分，第一，向半导体行业提供 527 亿美元的资金支持，鼓励企业在美国研发和制造芯片，并为这些企业提供 25%的投资税抵免；第二，授权未来几年提供约 2000 亿美元的科学和技术研究资金，涵盖人工智能、机器人技术、量子计算、电池技术、生物技术等诸多对未来竞争力至关重要的领域。但是美国芯片法案禁止获得联邦资金的公司在中国大幅增产先进制程芯片，期限为 10 年，违反禁令或未能修正违规状况的公司可能需要全额退还联邦补助款。

　　美国《芯片与科学法案》将提升各国对半导体行业的重视程度，同时有望加速我国半 导体行业自主可控进程。一方面，该法案提出 5 年内将拨款 390 亿美元支持半导体制 造，在研发方向上包括先进封装制造，彰显了其对半导体行业的重视程度；另一方面， 该法案也对获得补贴企业提出对中国投资先进制程晶圆制造的限制。这也将进一步提 升半导体制造自主可控的重要性，加速晶圆制造中国产设备、材料的导入验证进度。

　　不同于以往的国产化替代，信创更强调生态构建。从 IT 基础设施到应用软件，再到 IT 安全。

　　2022 年信创产业规模将达到 9220.2 亿元，近五年复合增长率为 35.7%，预计 2025 年 突破 2 万亿。信创产业可以划分为两部分，核心市场由 IT 基础设施和基础软件构成， 非核心市场由平台软件、应用软件和 IT 安全产品构成。2022 年核心市场规模为 2392.8 亿元，占比 26%，非核心市场规模为 6827.4 亿元，占比 74%。

　　伴随数字经济建设加速和产业数字化的蓬勃发展，电子元器件国产化成为各行业关注 的焦点。国产化产品未来将逐步成为主导，同时信创产业有望形成更完善的行业标准 化组织以及覆盖广泛的产业联盟生态，帮助国产化产品走向成熟与完备。作为自主可 控的关键领域，芯片的自主化程度也有望从当前的不到 5%提升至 70%以上。

　　数字经济蓬勃发展，数据成为核心战略资源。科技革命与产业变革推动了生产力的大 幅跃升，关键生产要素也在不断发生变化。从农业经济时代到工业经济时代再到当今 的数字经济时代，每个时代都有对应的核心战略资源。具体来看，1）农业经济时代： 土地和劳动力是最重要的生产要素；2）工业经济时代：石油是该时期最重要的生产 要素；3）数字经济时代：在技术创新、政策演进、企业需求和人才红利的推动下， 数据成为该时代的核心战略资源。

　　数据价值凸显，各国数字经济投资提速。目前，各国均依托于自身优势发展数字经济， 我国的优势在于政府的大力支持以及完整的工业体系；美国依托于先进技术，欧盟对数字生态的探索较早，其中德国依托先进的制造业成为全球制造业数字化标杆。与此 同时，日本、欧盟也制定了 5G、光纤等新基建计划并给予预算支持；截至 2020 年， 在数字经济建设方面，美国体量最高位居第一，我国位处第二，未来仍有较大提升空间。

　　政策面不断发力，数字经济建设如火如荼。“十四五”数字经济发展规划明确提出数字经济核心产业增加值要占到 GDP 比重的 10%。2021 年 5 月，多部委联合发文提出要在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝，以及贵州、内蒙古、甘肃、宁夏等地布局建设全国一体化算力网络国家枢纽节点。数据和算力的工程建设离不开服务器这一基础 IT 设施，我们认为随着“东数西算”工程的启动，国产服务器以及服务器芯片的需求有望大幅度提升。

　　数字经济下数据量呈现爆发式增长。机器所产生的数据量在 2018 年首次超越人类所创造的数据量，2019 年起每年近乎以翻倍的幅度增长，到 2025 年全球数据量将达到157ZB，2020-2025 年 CAGR 为 89%，数据价值的提炼需运用各种具备高速运算的人工智能芯片来过滤、处理分析、训练及推理，这将持续带动 7nm 以下高速运算 HBM 存储器、3D NAND、CPU、AI GPU、FPGA、网络芯片晶圆代工的需求。

　　数字经济基建先行，“东数西算”保证算力供应。“东数西算”即国家引导市场在西部与东部超前部署算力与数据中心的新基建计划。计划纳入八大枢纽和十大集群，其中枢纽分为两类，第一类是以需求为导向，京津冀、长三角、成渝、粤港澳四枢纽地处人口密集、数据密集区，算力需求巨大；第二类是以资源为导向，内蒙古、宁夏、 甘肃和贵州枢纽所处领域大多地广人稀，土地、绿电资源丰富，气温较东部低，导致数据中心成本较低。十大集群内将建设大量数据中心，用于给予临近枢纽数据处理及存储支持。

　　数据中心市场巨大，成倍撬动数字经济。预计 2022 年我国数据中心的机柜数量将达到 670 万架，数据中心市场收入也将突破 1900 亿元。

　　算力调度是“东数西算”工程的核心。把分散的计算资源精准调度到目标区域需要实现跨数据中心、跨云、跨设备，并且建立算力调度与资源协同平台，以天翼云算力分发平台“息壤”为例，其由算力调度引擎、算力资源管理平台和算力资源共同构成。 通过核心部件“资源管理平台”能够感知到算力资源，感知后能够对泛在或异构的算力进行统一纳管，纳管后对算力进行统一注册、建模、度量，然后映射成标准的算力， 再供调度引擎无差异使用。

　　中国电信则是以“云网融合”作为算力网络发展的目标，强调以“网是基础、云为核心、网随云动、云网一体”为原则，实现网络、算力和存储三大资源的融合，让云和网发生化学反应，实现技术底座、运营管理和供给方式的三统一，形成真正的数字化平台，实现各种能力服务化。架构上包括云网基础资源、云网操作系统和数字化平台等三个层面，提供三个维度的一体化能力：一是一体化供给，对网络资源和云资源统一定义、封装和编排，形成统一、敏捷、弹性的资源供给体系；二是一体化运营，实现云网全域资源感知、一致质量保障、一体化规划和运维管理；三是一体化服务，云网业务可以统一受理、统一交付、统一呈现。

　　作为国家重点工程，保障安全是推动工程建设的首要任务，这为自主产品带来更大需求机遇。“东数西算”工程建设庞大的数据集群，对安全提出了更高的要求，带来了全新的安全风险和挑战。

　　“东数西算”作为落实数字经济国家战略的重要一步，从数据的产生到数据的传输、 再到计算、处理，都离不开计算芯片，更离不开 CPU 处理器。“东数西算”将为我国 CPU 产业的发展提供广阔的发展空间。

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