上车吧，国产CPU
大家好，我是張巧龍，今天給大家帶來一篇關于國產CPU的文章。
在本文中，你將了解到：CPU主流架構和特征，CPU主流架構發展歷史，國產CPU創業融資潮及背后的思考。
CPU是最重要的數字芯片。過去十年，Arm（Advanced RISC Machine）架構的CPU已橫掃智能手機市場，并日漸侵蝕傳統桌面電腦市場，在服務器計算機市場也是步步緊逼。如今，Arm指令集在芯片國產化運動中展現出的潛力，也吸引大量資本進場，讓這一輪半導體盛宴大有烈火烹油之勢。
01?
x86與Arm，共天下
作為所有現代計算系統不可或缺的大腦，今天的單顆CPU可擁有多個處理內核，數百億個晶體管，最佳工作負載類型為串行計算，其極強的通用性亦可指揮運算全局，控制調配計算機所有硬件資源，解釋計算機指令和處理計算機軟件中的數據[1]。因此，從系統啟動、生產力應用程序，到密碼學、人工智能等高級工作負載，它都能應對。[2]
根據指令集（又稱為架構或ISA）的不同，CPU分為不同流派。所謂指令集，是指一套軟硬件的標準規范，CPU芯片和軟件應用會圍繞這套規范設計，可以將它理解成對CPU運算指導優化的硬程序。指令集一般分為兩大體系結構，即復雜指令集CISC（Complex lnstruction Set Computer）和精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set Computer）。
指令集的開端是英特爾（Intel）。英特爾于1971年推出首款完全集成到單芯片中的商用微處理器4004以來，CPU及指令集發展了將近50年。
CPU的50年歷史內經歷了四個階段，制表丨果殼硬科技
資料來源丨CSTC[3]
50年間也浮現了諸多指令集，但一些參與者或由盛轉衰，逐漸淡出市場，或初出茅廬，尚不能擔重任。桌面端、移動端、服務器對CPU性能要求高，目前市場形成以英特爾和AMD（超威半導體）為代表的x86指令集占大部分份額、Arm指令集占小部分份額的局面。
注丨x86的由來——由于早期英特爾的處理器以86結尾，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，所以被稱為x86。
市面主流指令集情況，制表丨果殼硬科技
國內CPU依賴進口，且以服務器對CPU性能和數量需求最大，其中英特爾和AMD占據了2021年中國服務器CPU出貨量的94%以上。
2021中國服務器CPU市場出貨情況，圖源丨華安證券[4]
02?
被看好的Arm
在誕生之初，Arm只用于手機，而后憑借低功耗的優勢占領了嵌入式和汽車領域。如今，無處不在的Arm芯片累計出貨量已超過2250億顆[5]。
近年來，原本活躍于移動設備（手機/平板/可穿戴）和嵌入式領域的Arm，已大批進軍桌面端、移動端、服務器CPU。這股越吹越猛的大風背后的造勢者，是蘋果和亞馬遜。
Arm架構生態系統日漸龐大，圖源丨太平洋證券[6]
蘋果有著引領行業風向的能力，幾次更換指令集，都顛覆了桌面端、移動端PC市場。
1994年，蘋果將Mac從摩托羅拉68000轉移至PowerPC，PowerPC是由蘋果、IBM和摩托羅拉三家創立的一種指令集，一段時間內PowerPC都取得了巨大成功，如索尼的PlayStation3、任天堂的Wii和Wii U、微軟的Xbox 360都搭載了PowerPC的處理器；[7]
2005年，蘋果轉向使用英特爾的x86處理器，彼時喬布斯希望與其它計算機OEM廠商爭奪更多市場，便使用與對手相同的指令集，允許用戶安裝對手的操作系統，以此“挖墻腳”。當然，如果不認可x86，喬布斯也不會選用它；[8]
2020年，風向又變了，蘋果棄用x86，轉用自研的Arm SoC（芯片內包含CPU、GPU、ISP、NPU等），一時間業界和媒體都認為，蘋果或將引領新的十年潮流。[9]
自蘋果棄用x86，推出M1后，把Arm帶得風生水起，整個市場也充滿了火藥味，搞得x86“人見人嫌”。Geekbench 5測試分數顯示，2020款13英寸MacBook Pro（M1@3.2 GHz）比2019款15英寸MacBook Pro（i7-9750H@2.6 GHz）單核快70%，多核快50%，并且M1還只有8線程，i7-9750H為12線程[10]。無獨有偶，PassMark基準測試上顯示，M1芯片單核性能甚至超過了部分11代酷睿i9（i9-11900K、i9-11900F等）和12代酷睿（i7-12700T、i5-12500T等）。[11]
也有一些不同的測試結果，Cinebench R23測試顯示英特爾CPU的單核性能強于M1，但多核性能依然不及M1[12]。英特爾也在M1產品上市后，急忙分享出一組數據，證明自家 產品優勢更大（i7-1185G7），但當時并未掀起波瀾。[13]
之后，蘋果推出M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra，Arm芯片勢頭愈發猛烈。
2022年WWDC期間，蘋果推出了M2芯片，采用臺積電第二代5nm制程，集成200多億個晶體管，較M1提升了18%的CPU速度，讓蘋果順利設計生產出這樣芯片的關鍵是Arm。[14]
盡管業界有越來越多的聲音批評蘋果炒作，盡管蘋果數據也的確有夸張之嫌，但不得不說，蘋果芯片的實機效果還是比較好的，坐實了Arm在桌面端和移動端PC的能力。
作為不折不扣的Arm派，亞馬遜（Amazon）在服務器領域力推Arm芯片。從2018年就首度推出基于Arm的AWS（Amazon Web Services）Graviton云處理器，向云計算市場展現了Arm IP的優勢。
此外，Google、微軟等大廠也都自研Arm云處理器。
主攻Arm架構服務器CPU的公司Ampere（安晟培）曾向筆者表示，x86已推出很長一段時間，在市場中應用了幾十年，其設計初衷和應用的場景都是非云端業務，這也是x86最大的劣勢。在過去的一二十年期間，由于市場沒有更好的選擇，所以x86也會用在云端業務中，未來Arm在數據中心的地位會愈來愈高。
Arm這種“越來越高”的地位，在各種CPU領域都有所體現，這也是國產勢力也大舉進軍Arm市場背后的邏輯。? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ?
隨之而來的，是各路資本入局，國產Arm架構CPU公司迎來遍地是錢的時代。
03?
國產Arm架構CPU融資潮
多年以來，我國市場上的CPU均依賴進口，不僅存在木馬、漏洞、后門等安全隱患，還可能會被監聽和控制。在“震網”“棱鏡門”及各種制裁事件后，擺在國產CPU面前的只有一條路：發展自主可控。[15]
但作為“人造物巔峰”，造CPU很難。一款成功的CPU背后不僅要求高昂的投入，還會涉及一整個鏈條：一方面，高性能CPU尖端復雜，是典型的人才、資金和技術密集型行業；另一方面，造出芯片并不意味著結束，還要建立完整的產業生態，一款芯片沒有配套軟硬件，便無用武之地。
想造CPU就先要有指令集，擺在國產廠商面前有三條路：
獲得IP（知識產權）內核授權：相當于買半成品，將已經設計好的電路或物理版圖買下，基于半成品再后端設計，入門門檻低，性能有保障，但硬核IP需要使用指定的代工廠和工藝，而軟核IP除了配置選項外，不允許任何設計改動，更重要的是，這兩種IP均不具備自主可控性；[16]
獲得指令集授權或使用開源指令集：只買下指令集授權，在此基礎上自主設計相應規格CPU。這種模式下只有一紙授權書，設計CPU全靠自己，具有一定自主可控性，但指令集本身也存在制裁風險；或者使用RISC-V這種開源指令集，自主設計CPU，可控性高，但如需使用一些專利模塊，也會涉及授權；
自主研發指令集：新建世界上不存在的指令集，不依賴任何其他指令集，技術門檻極高，但高度自主可控。國內也存在一些半自主研發的情況，在授權指令集基礎上自主研發新指令集。
通過這三條路，目前國內CPU市場形成x86、Arm和自研三大指令集陣營：
x86方面，天津海光和上海兆芯的IP授權分別來自于AMD（超微半導體）和VIA（威盛半導體），性能高，兼容性好，生態完整，但在自主可控上存疑；
Arm方面，鯤鵬、飛騰等均為指令集授權，具有一定自主可控性，兼容性和生態依賴Arm指令集自身；
自研方面，龍芯此前為基于MIPS授權的自研，后棄用MIPS，完全自主研發，申威為基于Alpha授權的自研，自主可控性非常高，但性能與國外有差距，兼容性和生態需要進一步打造。
國產主要CPU廠商情況，制表丨果殼硬科技
CPU作為基礎設施，一定少不了新玩家，不缺資本加持。
造CPU燒錢，與CPU相關的公司融資額度也持續攀升，一些公司在Pre-A輪就能拿到數億元的融資金額，估值一度超過40億元。
這種熱潮中，雖然一些廠商會選擇開源的RISC-V，設計自主可控力極強的CPU，但大多數廠商還是會選擇較為成熟的Arm來制造高性能CPU。
國內主要融資階段企業情況，制表丨果殼硬科技
04?
融資潮背后的冷思考
那么國產在現在大舉進軍Arm高性能CPU，會面臨什么挑戰？
x86仍會統治市場
Arm聲勢雖然很大，但x86仍然不會交出權杖。在實際應用中，雙方互有勝負，這源于在設計CPU時，x86和Arm的不同機制和產品特點：
行業普遍比較認可的結論是x86基于復雜指令集（CISC），指令在多個時鐘周期中處理，Arm基于精簡指令集（RISC），每個時鐘周期執行一條指令，因此Arm在功耗上更優，但從性能上看，Arm弱于x86；
x86更多工作由硬件實現，Arm是將部分工作交給編譯器完成，從而降低硬件復雜度；[17]
作為RISC的Arm指令集，可使用每周期指令數（IPC）來衡量CPU運行速度，但作為CISC的x86指令集不適合用IPC反映運行速度，這是因為x86架構一條指令需CPU執行大量工作，而Arm一條指令通常只對應一個功能或操作；[18]
x86指令集發展時間長，PC領域生態明顯比Arm成熟，且此前與Windows深度綁定，被戲稱為Wintel（Windows+Intel），目前Arm支持的操作系統、語言、云原生、數據庫、CI（持續集成）/CD（持續部署）越來越多，但生態仍然不及x86；
Arm指令集從誕生之初便是以授權模式經營，Arm公司本身不依靠自有設計制造或出售CPU芯片，由于開放授權，所以在開發上較為活躍，但x86指令集幾乎是閉塞的，只對極小范圍公司授權，在今年2月才開始松動對x86指令集的軟核和硬核授權，使客戶能在英特爾制造的定制設計芯片中混合x86、Arm和RISC-V等不同CPU IP核。[19]
一些專家也曾警示業界，爭論指令集沒有意義。這是因為與CPU性能進步相關的技術技巧與指令集是完全獨立的，包括流水線、亂序執行、分支預測器、多級緩存和許多其他技巧，這些技巧可以在 x86、Arm、RISC-V等任何指令集中實現。Arm和x86只是與CPU通信的一種語言，最終性能如何，還是全憑芯片設計。[20]
簡單來說，就是指令集就是一把錘子，能把芯片錘成什么樣，取決于使用者本身。即使手握成熟的Arm指令集，國產廠商能走多遠，還是要看CPU設計能力。
另外，雖然Arm在高性能CPU上有很大進展，且有巨頭強勢站隊，但不得不說目前x86在性能和生態上還是具有絕對優勢，短期內難以一口吃掉x86的市場份額。
Arm擁有極大的潛力，但仍需時間發展。
2020年，x86占據將近98%的CPU市場總量。據Tom's Hardware數據顯示，2020年Q2 Arm CPU占整體市場份額不到2%，而在2022年Q1 Arm CPU占整體份額的11.3%。[21]
據Khaveen Investments預測，2025年Arm CPU市場可達169.2億美元TAM（可觸達市場），占整體市場的份額將提升至19.5%。[22]
2020年Q2~2022年Q1 Arm CPU在市場占有率變化情況，圖源丨Tom's Hardware[21]
Arm授權費很高
造CPU燒錢量很大，尤其是Arm這種專以授權為生的企業，授權費極高。Arm的收費項目包括前期授權費（License）、版稅（Royalty）和技術咨詢服務費。[23]
前期授權費是Arm收取的固定費用，授權模式分指令集授權（Architecture License）、傳統IP授權（Traditional IP Licensing）和靈活授權（Arm Flexible Access）三種。
如今中低端的Arm芯片授權費已較低，但對性能要求較高的桌面端、移動端、服務器CPU屬于尖端領域，授權費用高。前期許可費預估達到100萬美元~1000萬美元，用的IP越多就越貴。[24]
我們可通過一個數字感受一下Arm的授權費用：雖然英偉達（Nvidia）沒有成功收購Arm公司，但在前期交易中曾向Arm支付了7.5億美元購買Arm IP。[25]
版稅是芯片出貨后Arm的抽成費用。版稅是大多數半導體IP設計公司的主要盈利點，Arm的版稅一般約為芯片最終售價的1%~3%。
值得注意的是，除了授權費，做CPU還有很多燒錢項目，稍有不慎，融資的錢就會燒光。現今本就人才緊缺，人員支出只會增長不會下降，沒有資深的設計人員就做不出好CPU；沒有EDA軟件就沒有CPU的基礎工具，而EDA也需要授權；高性能CPU一般都是先進制程，制程能夠快速提升CPU性能，但制程越先進，流片費就越貴，并且一旦流片失敗，還要承擔高額損失；產品試產階段有諸多測試項目，穩定性差的CPU產品必會被淘汰。
根據我們的粗略計算，一款CPU產品從人力成本，到授權再到成功流片和試產，總支出超過1.3億元，如果預留流片失敗的成本，總支出將更高。
芯片初創公司所需費用，制表丨果殼硬科技
注丨本表僅為粗略計算，不作為投資參考，市場波動嚴重，請以實際為準
不可不談的風險
雖然國產廠商的初衷是生產自主可控性的CPU，但從外部看，隨著大國實力交鋒，Arm指令集本身也存在一定風險；從內部看，掌握Arm指令集的Arm公司，自身也正處于動蕩期，原因一方面來自軟銀的上市壓力，另一方面中國子公司問題待解。
此外，由于Arm對半導體界太重要，Arm的IPO引發行業對公司未來所有權和中立性的擔憂，許多國際巨頭都爭相規劃收購。自從英偉達收購失敗后，一家公司吞并Arm的路似乎行不通，之后英特爾、SK海力士、高通等企業又躍躍欲試，想組團收購。但假若收購方均為美企，相當于Arm控制權變相落入美國之手。
雖然國產企業也能購買Arm當前版本的永久授權，但Arm本身也在進化，假若被制裁，將無法獲得后續新版本。也就是說，使用Arm的風險一直存在。
因此，業界對這種Arm CPU創業投資潮持懷疑態度。造Arm CPU本意是想跳出x86的困境，但結果是否會變成從一個坑跳到另一個坑？另外，現階段投資人扎堆投Arm CPU項目，有個風口就上，不考慮同質化嚴重的現狀，也不考慮估值是否過高，后續項目如何退出？二級市場接得住嗎？
現在，管不了那么多了，先上車吧。
References：
[1] Intel：CPU vs GPU: What's the Difference.https://www.intel.co.uk/content/www/uk/en/products/docs/processors/cpu-vs-gpu.html
[2] Intel：Architecture - Intel? Technology Innovation.https://www.intel.co.uk/content/www/uk/en/silicon-innovations/6-pillars/architecture.html
[3] 中國評測：CPU技術與產業白皮書（2021年）.2021.9.https://www.cstc.org.cn/CPUjishuyuchanyebaipishu.pdf
[4] 華安證券：龍芯中科將登陸科創板，關注國產 CPU 投資機會.2021.6.14.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202206141572028208_1.pdf?1655200996000.pdf
[5] Arm社區：Arm 2021 財年營收與利潤雙雙創下新高.2022.5.13.https://mp.weixin.qq.com/s/TOEKNaN--fFcQ2Zjhn-cpQ
[6] 太平洋證券：當前繼續看好中國長城為首的 ARM 產業鏈.2021.8.8.http://qccdata.qichacha.com/ReportData/PDF/ce1f92c12d42f8883bdf356e06b7f9ea.pdf
[7] 半導體行業觀察：PowerPC的芯酸往事.2020.7.8.https://mp.weixin.qq.com/s/PyNYOQoi1MSk4eozSIcPHg
[8] Apple：Apple to Use Intel Microprocessors Beginning in 2006.2005.6.6.https://www.apple.com/newsroom/2005/06/06Apple-to-Use-Intel-Microprocessors-Beginning-in-2006/
[9] Apple：Apple announces Mac transition to Apple silicon.2020.6.22.https://www.apple.com/newsroom/2020/06/apple-announces-mac-transition-to-apple-silicon/
[10] Geekbench：MacBook Pro (13-inch Late 2020) Benchmarks.https://browser.geekbench.com/macs/macbook-pro-13-inch-late-2020
[11] PassMark：Single Thread Performance.https://www.cpubenchmark.net/singleThread.html
[12] WccfTech：Intel And AMD x86 Mobility CPUs Destroy Apple’s M1 In Cinebench R23 Benchmark Results.2020.11.17.https://wccftech.com/intel-and-amd-x86-mobility-cpus-destroy-apples-m1-in-cinebench-r23-benchmark-results/
[13] IT168：蘋果芯片M1真的很能打？英特爾：看完這組對比再下結論.2021.3.16.https://mp.weixin.qq.com/s/v491r3_2l5txhxlpvF1XfA
[14] Apple：Apple unveils M2, taking the breakthrough performance and capabilities of M1 even further.2022.6.6.https://www.apple.com.cn/newsroom/2022/06/apple-unveils-m2-with-breakthrough-performance-and-capabilities/
[15] 馬威,姚靜波,常永勝,解維奇.國產CPU發展的現狀與展望[J].集成電路應用
[16] 朱彬,邢雁寧,姚琳,孫加興.我國CPU發展戰略探討[J].中國集成電路,2011,20(09):13-20.
[17] SHEN J P,LIPASTI M H. Modern Processor Design: Fundamentals of Superscalar Processors [M]. WavelandPress, 2013.
[18] WANG W.An improved instruction-level power and energy model for RISC microprocessors[D].Southampton: University of Southampton, 2017.
[19] ExtremeTech：Intel Plans to License Hybrid Chips That Combine ARM, RISC-V, and x86.2022.2.16.https://www.extremetech.com/computing/331740-intel-plans-to-license-cores-that-combine-arm-risc-v-and-x86
[20] SeekingAlpha：Overhyped Apple Silicon: Arm Vs. X86 Is Irrelevant.2021.8.10.https://seekingalpha.com/article/4447703-overhyped-apple-silicon-arm-vs-x86-is-irrelevant
[21] Tom's Hardware：AMD Gains CPU Share Amid Biggest Desktop PC Quarterly Decline In History.2022.5.11.https://www.tomshardware.com/news/amd-share-skyrockets-amid-biggest-quarterly-desktop-pc-decline-in-history
[22] SeekingAlpha：Qualcomm: Arm CPU Market Presents $3.8 Bln Opportunity.2022.2.28.https://seekingalpha.com/article/4491550-qualcomm-arm-cpu-market-presents-3-8-bln-opportunity
[23] AnandTech：Arm Flexible Access: Design the SoC Before Spending Money.2019.7.16.https://www.anandtech.com/show/14644/arm-flexible-access-design-the-soc-before-spending-money
[24] Strategyzer：Business Model Example-Arm.https://www.strategyzer.com/business-model-examples/arm-business-model
[25] Barron's：SoftBank Deal to Sell Arm Has $1.25 Billion Breakup Clause. Nvidia Pays $750 Million Licensing Fee.2020.9.18.
https://www.barrons.com/articles/softbank-deal-to-sell-arm-has-1-25-billion-breakup-clause-nvidia-pays-750-million-licensing-fee-51600459412-END-
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總結
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