CPU基本架构图 CPU产业链上下游分布

1. 概念及内涵

1.1. CPU 基本概念

CPU 是 Central Processing Unit（中央处理器）的简称，由采用超大规模的集成电路组成制造，是实现计算机的运算核心和控制核心。CPU 包括运算器、控制器、高速缓冲存储器、内部数据总线、控制总线及状态总线输入/输出接口等模块。

CPU 的主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器进行指令解码，将指令分解成一系列的微操作，连接到各种能够进行所需运算的 CPU 模块部件，发送控制命令，从而完成指令的 执行。

目前在信息化系统中使用的 CPU 主要是微处理器。微处理器是（Micro Processor）是采用大规模集成电路实现的中央处理器CPU，形式上一般是一个芯片，或者芯片 SOC 中的一个模块。微处理器根据应用领域，大致可以分为三类：通用处理器（MPU，主要用于高端 CPU）、微控制器（MCU）和专用处理器。本文中除非另作说明，对“微处理器”和“CPU”不加区分的使用。

1.2. 产品分类

CPU 是一个庞大的家族，可以按照指令集、应用领域进行分类。

1.2.1. 基于指令集

指令集是 CPU 所执行的指令的二进制编码方法，是软件和硬件的接口规范。日常交流中有时也把指令集称为架构。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 型 CPU 目前主要是 x86 架构，RISC 型 CPU 主要包括ARM、RISC-V、MIPS、POWER 架构等。

（1）x86 架构：主导桌面/服务器 CPU 市场

基于 CISC（复杂指令集）的 x86 架构是一种为了便于编程和提高存储器访问效率的芯片设计体系，包括两大主要特点：一是使用微代码，指令集可以直接在微代码存储器里执行，新设计的处理器，只需增加较少的晶体管电路就可以执行同样的指令集，也可以很快地编写新的指令集程式；二是拥有庞大的指令集，x86拥有包括双运算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到存储器以及存储器到寄存器的多种指令类型。

（2）ARM 架构：崛起移动市场

ARM 架构过去称作进阶精简指令集机器，是一个 32 位精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计，近年来也因其低功耗多核等特点广泛应用在数据中心服务器市场。早期 ARM 指令集架构的主要特点：一是体积小、低功耗、低成本、高性能；二是大量使用寄存器，且大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快；三是寻址方式灵活简单，执行效率高；四是指令长度固定，可通过多流水线方式提高处理效率。

（3）RISC-V 架构：物联网时代的新选择

RISC-V 是加州大学伯克利分校设计并发布的一种开源指令集架构，其目标是成为指令集架构领域的 Linux，主要应用于物联网（IoT）领域，但可扩展至高性能计算领域。RISC-V 采用 BSD License 发布，由于允许衍生设计和开发闭源，吸引了一大批公司的关注，目前已有不少公司开发基于 RISC-V 的 IP 核，如 Si-Five、台湾晶心、阿里平头哥等已可提供基于 RISC-V 的处理器 IP 核，部分企业如兆易创新、北京君正等已开发出基于 RISC-V 的 MCU芯片等。但整体上，由于 RISC-V 产业生态还比较薄弱，未来的发展仍有较长一段路要走。

（4）MIPS 架构：RISC 先驱

MIPS 是高效精简指令集计算机体系结构中的一种，MIPS 的优势主要有三点：一是发展历史早，MIPS 在 1990 年代已经广泛使用在服务器、工作站设备上。二是在学术界影响广泛，计算机体系结构教材都是以 MIPS 为实际例子。三是 MIPS 在架构授权方面更为开放，授权门槛远低于 x86、ARM，在 2019 年曾经有开放授权的实际动作，并且 MIPS 允许授权商自行更改设计、扩展指令，允许二次授权。

（5）POWER 架构：逐渐退出历史舞台

POWER架构是由IBM设计的一种RISC处理器架构，POWER在大型机领域独具优势。POWER3 是全球首款 64 位架构处理器，开始应用铜互联和 SOI（绝缘体上硅）技术。直至 POWER9 依然追求最高性能，不仅具备乱序执行、智能线程等技术，还实现了SMP（对称多处理技术）的硬件一致性处理。POWER 架构 CPU价格高昂，主要应用于高端服务器领域，市场份额逐渐减少。

1.2.2. 基于应用领域

微处理器根据应用领域，大致可以分为三类：通用微处理器（MPU, Micro Processor Unit）、微控制器（MCU, Micro Controller Unit）和专用处理器，本文涉及的中央处理器（CPU, Central Processing Unit）属于通用微处理器。

（1）通用微处理器

CPU 通常按照面向的市场分为用于服务器、桌面（台式机/笔记本）、超级计算机等。另外，近年的网络安全、嵌入式应用也对 CPU 性能提出较高要求，很多网络安全、嵌入式系统使用和桌面、服务器相同级别的 CPU。

（2）微控制器

MCU 微控制单元，是用于控制类应用的低性能、低功耗 CPU。CPU 的主频一般低于 100MHz，通常率与规格做适当缩减，并将内存、常用外设接口计数器、USB、A/D 转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至 LCD 驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，主频、功耗都可以很低，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如在智能制造、工业控制、智能家居、遥控器消费领域，以及汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都大量使用 MCU。

（3）专用处理器

专用处理器实现面向某一领域的特定功能。例如数字信号处理器（DSP，Digital Signal Processor），DSP 芯片也称数字信号处理器，是一种专用于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。DSP 一般专用于某种专用的计算，一般不会像 CPU 一样运行通用的操作系统。DSP广泛应用于数字控制、运动控制方面的应用主要有磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控制、马达控制、电力系统控制、机器人控制、高精度伺服系统控制、数控机床等。其它专用处理器还有深度学习处理器、数据库加速处理器、安全处理器、类脑计算芯片等。

1.3. 产业链供应关系

1.3.1. 产业链上游

CPU 的产业链上游包括支撑集成电路设计和制造的 EDA 辅助设计工具和 IP 服务，半导体制造设备、芯片生产测试流程。目前 CPU 的产业链上游企业多为国外知名厂商，具有垄断优势，国产化程度较低。

（1）EDA 辅助设计工具(Electronic design automation)

EDA 工具（Electronic Design Automation，电子设计自动化）是用来辅助芯片设计的专用软件工具，是集成电路设计业的基础。

EDA 是需要多年积累的高复杂软件。从功能类别上，EDA 工具可分为：设计自动化软件如逻辑综合、布局布线等；分析验证软件如仿真、时序分析、物理验证等。从设计对象类别上，EDA 工具可分为：模拟电路设计软件；数字电路设计软件；工艺辅助设计软件等。

（2）IP 服务

IP 核，又称知识产权核（Intellectual Property Core），是指具有预先设计的功能并且重复用于其它系统的电路模块。IP 核类似于软件模块，形成了成熟的 IP 设计服务市场。芯片公司无需对芯片每个细节进行设计，通过购买成熟可靠的 IP 方案，实现某个特定功能。这种类似搭积木的开发模式，缩短了芯片开发的时间，有利于抢占市场。

（3）半导体制造设备

半导体制造设备是 CPU 芯片制造的基础，半导体制造流程包括硅片制造、晶圆制造、封装测试三个环节，整个制造流程中晶圆代工厂设备占比最高约为 80%、检测设备占 8%、封装设备约占7%，硅片制造设备及其他占 5%。

（4）芯片生产测试流程

在芯片生产环节，主要的供应链节点包括流片、封装和测试。在流片、封装、测试方面，国际主流的企业是台积电、三星等，工艺水平最高达到 5nm。以流片环节为例，2019 年全球十大半导体流片代工厂分别为：台积电、三星、格芯、联电、中芯国际、TowerJazz、华虹半导体、VIS、PSC、DongbuHiTek。其中境内厂商有中芯国际、华虹半导体，境内企业占全球市场份额的比重低于 10%，境内工艺水平最高达到 14nm。目前最先进的制程被 Intel、积电、三星等公司垄断。测试机台研发企业，主要有 Advantest、Hontec 等。

编辑：黄飞