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我国CPU行业群雄并起 技术正快速逼近国际先进水平 国产厂商存在赶超机会

1、CPU基本构架及产品分类情况

中央处理器(central processing unit,简称CPU),是计算机系统的运算和控制核心,是信息处理、程序运行的最终执行单元。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。其基本构架来看,主要包括运算器、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。

中央处理器(central processing unit,简称CPU),是计算机系统的运算和控制核心,是信息处理、程序运行的最终执行单元。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。其基本构架来看,主要包括运算器、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。

资料来源:公开资料整理

根据观研报告网发布的《中国CPU行业发展趋势分析与未来投资调研报告(2022-2029年)》显示,CPU 是一个庞大的家族,其产品分类来看,主要可以按照指令集和应用领域两种方式进行分类。根据指令集架构,CPU主要包括CISC和RISC两大类型,CISC型(复杂指令集)CPU以Intel和AMD的X86架构为代表,追求高性能,占据95%以上的PC机和服务器市场;RISC型(精简指令集)的ARM架构则凭借低能耗的特点占据移动领域(平板电脑、智能手机等)95%以上的市场份额。

CPU产品分类情况

分类标准 类别 细分种类
基于指令集划分 CISC(复杂指令集) X86架构
RISC(精简指令集) MIPS、ARM、POWER、RISC-V
基于应用领域划分 通用微处理器 服务器、桌面、智能终端、超算
微控制器 汽车电子、工业控制、智能制造、家电
专用处理器 DSP芯片、安全芯片、AI芯片、GPU芯片

资料来源:公开资料整理

基于应用领域划分,目前在信息化系统中使用的CPU主要可以分为通用微处理器、微控制器、专用处理器。其中通用微处理器按照面向的市场分为用于服务器、桌面(台式机/笔记本)、超级计算机等不同种类的CPU;微控制器即MCU微控制单元,是用于控制类应用的低性能、低功耗 CPU,主要应用于智能制造、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;专用处理器实现面向某一领域的特定功能,广泛应用于引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控制、机器人控制、高精度伺服系统控制等,而且其它专用处理器还包括深度学习处理器、数据库加速处理器、安全处理器、类脑计算芯片等。

2、行业进入壁垒较高,国家政策频出持续助力

CPU行业作为集成电路产业的重中之重,是名副其实的技术与资本密集型相结合的行业,具有较高的技术、资金和规模、人才以及生态壁垒,具体如下表所示:

CPU行业进入主要壁垒

壁垒名称 具体情况
技术壁垒 CPU 作为计算机的运算与控制核心,对通用计算处理能力等性能指标有较高的要求,属于集成电路设计中的最高端产品。掌握 CPU 核心设计能力需要长期积累,需要一批从业经验丰富的高素质工程人员长期持续的研发投入和持续迭代演进,即使引进国外 CPU IP 核,如果没有足够的工程实践和时间积累也很难做到引进消化吸收,技术储备需要较长周期。
资金和规模壁垒 集成电路企业的产品必须达到一定的资金规模与业务规模,才能通过规模效应获得生存和发展的空间。由于 CPU 产品设计研发周期长及成功的不确定性大, 而电子产品市场变化又十分迅速,经常会出现产品设计尚未完成而企业已面临倒闭,或产品设计完成而已不满足目标市场的要求等局面。因此,资金和规模是行业的重要壁垒。
人才壁垒 CPU及其配套基础软件需要高端人才以及长期的研发投入才能形成高水平成果。而行业内具有丰富经验的高端技术人才相对稀缺,且较多集中在少数领先厂商,因此,人才聚集和储备成为新兴企业的重要壁垒。
生态壁垒 CPU 产品需要研发配套的基础软件,包括如 BIOS、编译系统、操作系统、虚拟机等的配套软件支持。这些基础软件需要高端人才以及长期的技术积累才能形成高水平成果。不同 CPU 指令系统的操作系统、应用软件之间形成了独立的生态体系,不同生态体系承载的软件生态的应用数量、类型和丰富程度迥异,从而构成软件生态壁垒。

资料来源:公开资料整理

由于行业进入壁垒较高,且我国该行业起步较晚,在中美贸易摩擦之时,美国业多次在该领域制裁中国企业,例如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,所以一直以来我国CPU行业对海外依赖性较强。而 CPU行业作为信息产业的基础和核心,是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业。且海外大厂CPU也可能含有未公开的指令集,留有后门,这对中国信息安全造成严重威胁。因此近些年来为推动我国CPU行业的发展,国家给予了高度重视和大力支持,出台了一系列鼓励、扶持政策,涉及CPU芯片技术规范、集成电路集群发展支持、CPU芯片人才培养支持等内容,为行业国产厂商成长保驾护航。

2018-2022年我国CPU行业部分相关政策情况

时间 政策名称 相关内容
2022年3月 2022年汽车标准化工作要点 开展汽车企业芯片需求及汽车芯片产业技术能力调研,联合集成电路、半导体器件等关联行业研究发布汽车芯片标准体系,推进CPU控制芯片、感知芯片、通信芯片等标准研充和立项。
2022年1月 关于深入推进世界一流大学和一流学科建设的若干意见 面向集成电路、人工智能、储能技术、数宇经济等关键领城加强交叉学科人才培养。强化科教融合,完善人才培育引进与团队、平台、项目描合机制,把科研优势转化为育人优势。
2021年12月 十四五”数宇经济发展规划 瞄准传感器、量子信息、网络通信、集成电路等战略性的瞻性领域,提商数字技术基础研发能力;完善 5G,集成电路新能源汽车、人工智能、工业互联网等鱼点产业供应链体系
2021年7月 关于加快培育发展制造业优质企业的指导就见 依托优质企业组建创新联合体或技术创新战略联盟,开展协同创新,加大共础零部件。甚础电子元器件、集成电路等领城关键核心技术、产品、装备攻关和示范应用等。
2020年7月 新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策 国家鼓励集成电路线宽小于 28 纳米(含)且经营期在15 年以上的集成电路生产企业或项目,第一年至第十年免征企业所得税;鼓励集成电路线宽小于65纳米含目经营期在15年以上的集成电路生产企业或项目第一年至第五年免征企业所得税,第六年至第十年按照 25%的法定税率减半征收企业所得税;鼓励集成电路线宽小于130纳米(含)且经营期在10年以上的集成电路生产企业或项目第一年至第二年免征企业所得税,第三年至第五年按照 25%的法定税率减半征收企业所得税。
2019年5月 关于集成电路设计和软件产业企业所得税政策的公告 依法成立且符合条件的集成电路设计企业和软件企业,在2018年12月31日前自获利年度起计优惠期,第一年至第二年免征企业所得税,第三年至第五年按照 25%的法定税率减半征收企业所得税,并享受至期满为止。
2018年3月 关于集成电路生产企业有关企业所得税政策问题的通知 对于集成电路生产项目给予税收优惠政策,进一步 优惠类支持集成电路产业发展。

资料来源:观研天下整理

3、国内技术水平提升,国家电网专利申请量全球第一

在行业技术规范、人才培养等相关规范性、支持性等政策支持下,我国CPU行业取得一定发展,行业技术水平也得到提升,对比全球CPU行业技术来源国情况来看,目前我国已经成为全球CPU第一大技术来源国,其与第二名拉开差距也较大。根据数据显示,2021年我国CPU专利申请量占全球CPU专利总申请量的59.76%,排名第一;其次是美国,其CPU专利申请量占全球CPU专利总申请量的15.99%,排名第二。

在行业技术规范、人才培养等相关规范性、支持性等政策支持下,我国CPU行业取得一定发展,行业技术水平也得到提升,对比全球CPU行业技术来源国情况来看,目前我国已经成为全球CPU第一大技术来源国,其与第二名拉开差距也较大。根据数据显示,2021年我国CPU专利申请量占全球CPU专利总申请量的59.76%,排名第一;其次是美国,其CPU专利申请量占全球CPU专利总申请量的15.99%,排名第二。

资料来源:公开资料整理

另外,就全球CPU行业申请专利数量排名前十申请人来看,截止至2021年,我国的国家电网公司CPU专利申请数量最多,以2471项排名第一,且在全球CPU行业申请专利数量排名中我国共有三家公司占据前十地位,除了国家电网公司之外,还有华为技术有限公司和苏州浪潮智能科技有限公司,其排名分别为第五和第九。

另外,就全球CPU行业申请专利数量排名前十申请人来看,截止至2021年,我国的国家电网公司CPU专利申请数量最多,以2471项排名第一,且在全球CPU行业申请专利数量排名中我国共有三家公司占据前十地位,除了国家电网公司之外,还有华为技术有限公司和苏州浪潮智能科技有限公司,其排名分别为第五和第九。

资料来源:公开资料整理

4、国产厂商茁壮成长,行业国产化步伐逐渐加快

随着行业政策环境的持续助力,以及国内CPU相关技术水平的提升,行业内国产厂商逐渐成长,这也使得我国CPU行业整体国产化步伐逐渐加快。目前,国内共有海光、兆芯、龙芯中科、华为鲲鹏、飞腾和申威六家国产CPU厂商均进入了信创名录,获得工信部自主可控的认可,且这六家均实现自主可控。就我国CPU行业这六家国产厂商模式来看,其也均各具特点,如龙芯和申威二者原先海外授权方现均停止授权,切换到了自研指令集,无海外授权纠纷风险;飞腾和鲲鹏则是拥有ARM架构永久授权;而海光和兆芯则是与海外成立合资公司,获得X86技术授权。

国内六家CPU企业指今集及模式特点

公司简称 指令集架构 模式特点
龙芯中科心 MIPS/LoongArch 不存在海外授权纠纷,海外授权方已停止更新,公司切换到自研指令集。
申威科技 ALPHA/SW-64 不存在海外授权纠纷,海外授权方已停止更新,公司切换到自研指令集心。
天津飞腾 ARM 拥有ARM 架构永久授权。
华为馄鹏 ARM 拥有ARM 架构永久授权。
海光信息 X86 与AMD 成立合资公司,获得 AMD 技术授权。
上海兆芯 X86 与威盛成立合资公司,获得X86 技术授权,2020 年获得威盛部分X86 技术转让。

资料来源:公开资料整理

5、下游需求旺盛,我国将长期是全球CPU最大消费市场

CPU行业市场需求来看,其可搭载设备多样化,既可以应用在服务器、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,同时CPU产品也已经广泛应用到消费电子、工业电子、物联网、数据中心等领域。下游应用行业十分广泛。

近些年,我国智能手机和计算机整机需求高峰期已过,市场增长动力不足,其产量增长也都出现了瓶颈。智能手机方面,2022年Q3我国智能手机出货量下降16%,已经连续第六个季度出现下滑。计算机方面,疫情下地方政府、教育部门对办公设备的采购明显萎缩,终端需求下降,从2016年到2021年我国PC出货量也从5547万台下降至了4727万台。

近些年,我国智能手机和计算机整机需求高峰期已过,市场增长动力不足,其产量增长也都出现了瓶颈。智能手机方面,2022年Q3我国智能手机出货量下降16%,已经连续第六个季度出现下滑。计算机方面,疫情下地方政府、教育部门对办公设备的采购明显萎缩,终端需求下降,从2016年到2021年我国PC出货量也从5547万台下降至了4727万台。

资料来源:公开资料整理

尽管如此,但是我国智能手机和计算机两类产品体量本身就较为庞大,再加上近些年来我国电子政务、智慧交通、智慧口岸、消费电子、工业电子、物联网等行业的兴起,所以当前国内CPU的需求量仍然非常旺盛。未来我国也仍将长期是全球最大的CPU消费市场,一方面,我国人口基数大,智能手机、计算机等用户基数也十分庞大,其迭代更新将支撑起国内CPU市场需求;另一方面,在“中国制造”向着“中国智者”转变的过程中,CPU作为智能化的核心部件在国内的需求市场增长潜力巨大。

6、“政策+需求”驱动,国产CPU厂商存在赶超机会

总的来说,近几年我国CPU行业技术水平得到了一定的提升,业内相关国产厂商也借着政策方面频频吹来的“东风”茁壮成长,使得行业国产化步伐逐渐加快。但是,不得不提的是目前我国CPU技术水平与国外相比仍然存在一定差距,目前国产CPU与全球领先水平的差距主要是在性能差距和生态差距。性能上,国产 CPU 的微架构在乱序执行、高速缓存、多核互联等技术上都与先进水平存有差距;生态上差距则主要体现在软硬件整体,由于国产CPU积累不够,因此即使产品技术部分性能已基本满足使用需求,但其用户整体体验和稳定性仍有差距。这也说明我国CPU行业仍还有较大发展空间,未来国产厂商仍需不断努力。

国产CPU和Intel产品对比

国产CPU 发布时间 对应Intel产品 Imtel发布时间
海光7285 2020Q1 8376H(铂金) 2020Q2
兆芯开胜KH-30000 2019Q2 7代i5 2017Q1
馄鹏920-7260 2019Q1 至强(铂金) 8180处理器 2017Q3
飞腾S2500日 2020Q3 至强E5 2016Q1
龙芯3C5000日 2022Q2 至强E5 2016Q1

资料来源:公开资料整理

尽管当前我国CPU行业技术水平与国外先进水平相比仍有差距,但是我国CPU行业技术正在快速逼近国际先进水平,未来国产CPU仍存在赶超机会。当前我国对进口通用处理器过度依赖已经成为我国信息产业发展的一大软肋,影响到我国多个产业链条的供应端。在此背景下我国政府将持续加大对国产CPU的支持,包括对CPU相关企业的研发引导、资金支持以及财税优惠政策等。而且根据上文分析可知未来我国也仍将长期是全球最大的CPU消费市场,在行业“政策+需求”驱动下,我国CUP行业发展潜力较大,同时行业国产进程将继续加快,业内国产厂商竞争力有望赶超国际先进企业。(LQM)

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