上车吧，国产CPU

本文来自微信公众号：果壳硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌，编辑：李拓，头图来自：视觉中国

“快来吧奔腾电脑，让它们来代替我思考。”

1999年，朴树在《New Boy》中唱出这句歌词时，x86架构芯片正经历着一场华丽蜕变，借着Wintel组合，个人电脑飞入寻常百姓家；2021年，当“房东的猫”乐队翻唱这首歌时，电脑已不是人们一窥世界的主要窗口，x86架构也遇到了宿命对手：Arm。

本文是“国产替代”系列的第十篇，关注CPU国产替代。在本文中，你将了解到：CPU主流架构和特征，CPU主流架构发展历史，国产CPU创业融资潮及背后的思考。

CPU是最重要的数字芯片。过去十年，Arm（Advanced RISC Machine）架构的CPU已横扫智能手机市场，并日渐侵蚀传统桌面电脑市场，在服务器计算机市场也是步步紧逼。如今，Arm指令集在芯片国产化运动中展现出的潜力，也吸引大量资本进场，让这一轮半导体盛宴大有烈火烹油之势。

一、x86与Arm，共天下

作为所有现代计算系统不可或缺的大脑，今天的单颗CPU可拥有多个处理内核，数百亿个晶体管，最佳工作负载类型为串行计算，其极强的通用性亦可指挥运算全局，控制调配计算机所有硬件资源，解释计算机指令和处理计算机软件中的数据^[1]。因此，从系统启动、生产力应用程序，到密码学、人工智能等高级工作负载，它都能应对。^[2]

根据指令集（又称为架构或ISA）的不同，CPU分为不同流派。所谓指令集，是指一套软硬件的标准规范，CPU芯片和软件应用会围绕这套规范设计，可以将它理解成对CPU运算指导优化的硬程序。指令集一般分为两大体系结构，即复杂指令集CISC（Complex lnstruction Set Computer）和精简指令集RISC（Reduced Instruction Set Computer）。

指令集的开端是英特尔（Intel）。英特尔于1971年推出首款完全集成到单芯片中的商用微处理器4004以来，CPU及指令集发展了将近50年。

CPU的50年历史内经历了四个阶段，制表丨果壳硬科技

资料来源丨CSTC^[3]

50年间也浮现了诸多指令集，但一些参与者或由盛转衰，逐渐淡出市场，或初出茅庐，尚不能担重任。桌面、移动端、服务器对CPU性能要求高，目前市场形成以英特尔和AMD（超威半导体）为代表的x86指令集占大部分份额、Arm指令集占小部分份额的局面。

注：x86的由来——由于早期英特尔的处理器以86结尾，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，所以被称为x86。

市面主流指令集情况，制表丨果壳硬科技

国内CPU依赖进口，且以服务器对CPU性能和数量需求最大，其中英特尔和AMD占据了2021年中国服务器CPU出货量的94%以上。

2021中国服务器CPU市场出货情况，图源丨华安证券^[4]

二、被看好的Arm

在诞生之初，Arm只用于手机，而后凭借低功耗的优势占领了嵌入式和汽车领域。如今，无处不在的Arm芯片累计出货量已超过2250亿颗^[5]。

近年来，原本活跃于移动和嵌入式领域的Arm，已大批进军桌面、移动端、服务器CPU。这股越吹越猛的大风背后的造势者，是苹果和亚马逊。

Arm架构生态系统日渐庞大，图源丨太平洋证券[6]

苹果有着引领行业风向的能力，几次更换指令集，都颠覆了桌面、移动端PC市场。

• 1994年，苹果将Mac从摩托罗拉68000转移至PowerPC，PowerPC是由苹果、IBM和摩托罗拉三家创立的一种指令集，一段时间内PowerPC都取得了巨大成功，如索尼的PlayStation3、任天堂的Wii和Wii U、微软的Xbox 360都搭载了PowerPC的处理器；^[7]

• 2005年，苹果转向使用英特尔的x86处理器，彼时乔布斯希望与其它计算机OEM厂商争夺更多市场，便使用与对手相同的指令集，允许用户安装对手的操作系统，以此“挖墙脚”。当然，如果不认可x86，乔布斯也不会选用它；^[8]

• 2020年，风向又变了，苹果弃用x86，转用自研的Arm SoC（芯片内包含CPU、GPU、ISP、NPU等），一时间业界和媒体都认为，苹果或将引领新的十年潮流。^[9]

自苹果弃用x86，推出M1后，把Arm带得风生水起，整个市场也充满了火药味，搞得x86“人见人嫌”。Geekbench 5测试分数显示，2020款13英寸MacBook Pro（M1@3.2 GHz）比2019款15英寸MacBook Pro（i7-9750H@2.6 GHz）单核快70%，多核快50%，并且M1还只有8线程，i7-9750H为12线程^[10]。无独有偶，PassMark基准测试上显示，M1芯片单核性能甚至超过了部分11代酷睿i9（i9-11900K、i9-11900F等）和12代酷睿（i7-12700T、i5-12500T等）。^[11]

也有一些不同的测试结果，Cinebench R23测试显示英特尔CPU的单核性能强于M1，但多核性能依然不及M1^[12]。英特尔也在M1产品上市后，急忙分享出一组数据，证明自家 产品优势更大（i7-1185G7），但当时并未掀起波澜。^[13]

之后，苹果推出M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra，Arm芯片势头愈发猛烈。

2022年WWDC期间，苹果推出了M2芯片，采用台积电第二代5nm制程，集成200多亿个晶体管，较M1提升了18%的CPU速度，让苹果顺利设计生产出这样芯片的关键是Arm。^[14]

尽管业界有越来越多的声音批评苹果炒作，尽管苹果数据也的确有夸张之嫌，但不得不说，苹果芯片的实机效果还是比较好的，坐实了Arm在桌面和移动端PC的能力。

作为不折不扣的Arm派，亚马逊（Amazon）在服务器领域力推Arm芯片。从2018年就首度推出基于Arm的AWS（Amazon Web Services）Graviton云处理器，向云计算市场展现了Arm IP的优势。

此外，Google、微软等大厂也都自研Arm云处理器。

主攻Arm架构服务器CPU的公司Ampere（安晟培）曾向笔者表示，x86已推出很长一段时间，在市场中应用了几十年，其设计初衷和应用的场景都是非云端业务，这也是x86最大的劣势。在过去的一二十年期间，由于市场没有更好的选择，所以x86也会用在云端业务中，未来Arm在数据中心的地位会愈来愈高。

Arm这种“越来越高”的地位，在各种CPU领域都有所体现，这也是国产势力也大举进军Arm市场背后的逻辑。

随之而来的，是各路资本入局，国产Arm架构CPU公司迎来遍地是钱的时代。

三、国产Arm架构CPU融资潮

多年以来，我国市场上的CPU均依赖进口，不仅存在木马、漏洞、后门等安全隐患，还可能会被监听和控制。在“震网”“棱镜门”及各种制裁事件后，摆在国产CPU面前的只有一条路：发展自主可控。^[15]

但作为“人造物巅峰”，造CPU很难。一款成功的CPU背后不仅要求高昂的投入，还会涉及一整个链条：一方面，高性能CPU尖端复杂，是典型的人才、资金和技术密集型行业；另一方面，造出芯片并不意味着结束，还要建立完整的产业生态，一款芯片没有配套软硬件，便无用武之地。

想造CPU就先要有指令集，摆在国产厂商面前有三条路：

• 获得IP（知识产权）内核授权：相当于买半成品，将已经设计好的电路或物理版图买下，基于半成品再后端设计，入门门槛低，性能有保障，但硬核IP需要使用指定的代工厂和工艺，而软核IP除了配置选项外，不允许任何设计改动，更重要的是，这两种IP均不具备自主可控性；^[16]

• 获得指令集授权或使用开源指令集：只买下指令集授权，在此基础上自主设计相应规格CPU。这种模式下只有一纸授权书，设计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风险；或者使用RISC-V这种开源指令集，自主设计CPU，可控性高，但如需使用一些专利模块，也会涉及授权；

• 自主研发指令集：新建世界上不存在的指令集，不依赖任何其他指令集，技术门槛极高，但高度自主可控。国内也存在一些半自主研发的情况，在授权指令集基础上自主研发新指令集。

通过这三条路，目前国内CPU市场形成x86、Arm和自研三大指令集阵营：

• x86方面，天津海光和上海兆芯的IP授权分别来自于AMD（超微半导体）和VIA（威盛半导体），性能高，兼容性好，生态完整，但在自主可控上存疑；

• Arm方面，鲲鹏、飞腾等均为指令集授权，具有一定自主可控性，兼容性和生态依赖Arm指令集自身；

• 自研方面，龙芯此前为基于MIPS授权的自研，后弃用MIPS，完全自主研发，申威为基于Alpha授权的自研，自主可控性非常高，但性能与国外有差距，兼容性和生态需要进一步打造。

CPU作为基础设施，一定少不了新玩家，不缺资本加持。

造CPU烧钱，与CPU相关的公司融资额度也持续攀升，一些公司在Pre-A轮就能拿到数亿元的融资金额，估值一度超过40亿元。

这种热潮中，虽然一些厂商会选择开源的RISC-V，设计自主可控力极强的CPU，但大多数厂商还是会选择较为成熟的Arm来制造高性能CPU。

国内主要融资阶段企业情况，制表丨果壳硬科技

四、融资潮背后的冷思考

那么国产在现在大举进军Arm高性能CPU，会面临什么挑战？

x86仍会统治市场

Arm声势虽然很大，但x86仍然不会交出权杖。在实际应用中，双方互有胜负，这源于在设计CPU时，x86和Arm的不同机制和产品特点：

• 行业普遍比较认可的结论是x86基于复杂指令集（CISC），指令在多个时钟周期中处理，Arm基于精简指令集（RISC），每个时钟周期执行一条指令，因此Arm在功耗上更优，但从性能上看，Arm弱于x86；

• x86更多工作由硬件实现，Arm是将部分工作交给编译器完成，从而降低硬件复杂度；^[17]

• 作为RISC的Arm指令集，可使用每周期指令数（IPC）来衡量CPU运行速度，但作为CISC的x86指令集不适合用IPC反映运行速度，这是因为x86架构一条指令需CPU执行大量工作，而Arm一条指令通常只对应一个功能或操作；^[18]

• x86指令集发展时间长，PC领域生态明显比Arm成熟，且此前与Windows深度绑定，被戏称为Wintel（Windows+Intel），目前Arm支持的操作系统、语言、云原生、数据库、CI（持续集成）/CD（持续部署）越来越多，但生态仍然不及x86；

• Arm指令集从诞生之初便是以授权模式经营，Arm公司本身不依靠自有设计制造或出售CPU芯片，由于开放授权，所以在开发上较为活跃，但x86指令集几乎是闭塞的，只对极小范围公司授权，在今年2月才开始松动对x86指令集的软核和硬核授权，使客户能在英特尔制造的定制设计芯片中混合x86、Arm和RISC-V等不同CPU IP核。^[19]

一些专家也曾警示业界，争论指令集没有意义。这是因为与CPU性能进步相关的技术技巧与指令集是完全独立的，包括流水线、乱序执行、分支预测器、多级缓存和许多其他技巧，这些技巧可以在 x86、Arm、RISC-V等任何指令集中实现。Arm和x86只是与CPU通信的一种语言，最终性能如何，还是全凭芯片设计。^[20]

简单来说，就是指令集就是一把锤子，能把芯片锤成什么样，取决于使用者本身。即使手握成熟的Arm指令集，国产厂商能走多远，还是要看CPU设计能力。

另外，虽然Arm在高性能CPU上有很大进展，且有巨头强势站队，但不得不说目前x86在性能和生态上还是具有绝对优势，短期内难以一口吃掉x86的市场份额。

Arm拥有极大的潜力，但仍需时间发展。

2020年，x86占据将近98%的CPU市场总量。据Tom's Hardware数据显示，2020年Q2 Arm CPU占整体市场份额不到2%，而在2022年Q1 Arm CPU占整体份额的11.3%。^[21]

据Khaveen Investments预测，2025年Arm CPU市场可达169.2亿美元TAM（可触达市场），占整体市场的份额将提升至19.5%。^[22]

2020年Q2~2022年Q1 Arm CPU在市场占有率变化情况，图源丨Tom's Hardware^[21]

Arm授权费很高

造CPU烧钱量很大，尤其是Arm这种专以授权为生的企业，授权费极高。Arm的收费项目包括前期授权费（License）、版税（Royalty）和技术咨询服务费。^[23]

前期授权费是Arm收取的固定费用，授权模式分指令集授权（Architecture License）、传统IP授权（Traditional IP Licensing）和灵活授权（Arm Flexible Access）三种。

如今中低端的Arm芯片授权费已较低，但对性能要求较高的桌面、移动端、服务器CPU属于尖端领域，授权费用高。前期许可费预估达到100万美元~1000万美元，用的IP越多就越贵。^[24]

我们可通过一个数字感受一下Arm的授权费用：虽然英伟达（Nvidia）没有成功收购Arm公司，但在前期交易中曾向Arm支付了7.5亿美元购买Arm IP。^[25]

版税是芯片出货后Arm的抽成费用。版税是大多数半导体IP设计公司的主要盈利点，Arm的版税一般约为芯片最终售价的1%~3%。

值得注意的是，除了授权费，做CPU还有很多烧钱项目，稍有不慎，融资的钱就会烧光。现今本就人才紧缺，人员支出只会增长不会下降，没有资深的设计人员就做不出好CPU；没有EDA软件就没有CPU的基础工具，而EDA也需要授权；高性能CPU一般都是先进制程，制程能够快速提升CPU性能，但制程越先进，流片费就越贵，并且一旦流片失败，还要承担高额损失；产品试产阶段有诸多测试项目，稳定性差的CPU产品必会被淘汰。

根据我们的粗略计算，一款CPU产品从人力成本，到授权再到成功流片和试产，总支出超过1.3亿元，如果预留流片失败的成本，总支出将更高。

芯片初创公司所需费用，制表丨果壳硬科技

注丨本表仅为粗略计算，不作为投资参考，市场波动严重，请以实际为准

不可不谈的风险

虽然国产厂商的初衷是生产自主可控性的CPU，但从外部看，随着大国实力交锋，Arm指令集本身也存在一定风险；从内部看，掌握Arm指令集的Arm公司，自身也正处于动荡期，原因一方面来自软银的上市压力，另一方面中国子公司问题待解。

此外，由于Arm对半导体界太重要，Arm的IPO引发行业对公司未来所有权和中立性的担忧，许多国际巨头都争相规划收购。自从英伟达收购失败后，一家公司吞并Arm的路似乎行不通，之后英特尔、SK海力士、高通等企业又跃跃欲试，想组团收购。但假若收购方均为美企，相当于Arm控制权变相落入美国之手。

虽然国产企业也能购买Arm当前版本的永久授权，但Arm本身也在进化，假若被制裁，将无法获得后续新版本。也就是说，使用Arm的风险一直存在。

因此，业界对这种Arm CPU创业投资潮持怀疑态度。造Arm CPU本意是想跳出x86的困境，但结果是否会变成从一个坑跳到另一个坑？另外，现阶段投资人扎堆投Arm CPU项目，有个风口就上，不考虑同质化严重的现状，也不考虑估值是否过高，后续项目如何退出？二级市场接得住吗？

现在，管不了那么多了，先上车吧。

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] 中国评测：CPU技术与产业白皮书（2021年）.2021.9.https://www.cstc.org.cn/CPUjishuyuchanyebaipishu.pdf

[4] 华安证券：龙芯中科将登陆科创板，关注国产 CPU 投资机会.2021.6.14.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202206141572028208_1.pdf?1655200996000.pdf

[5] Arm社区：Arm 2021 财年营收与利润双双创下新高.2022.5.13.https://mp.weixin.qq.com/s/TOEKNaN--fFcQ2Zjhn-cpQ

[6] 太平洋证券：当前继续看好中国长城为首的 ARM 产业链.2021.8.8.http://qccdata.qichacha.com/ReportData/PDF/ce1f92c12d42f8883bdf356e06b7f9ea.pdf

[7] 半导体行业观察：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：苹果芯片M1真的很能打？英特尔：看完这组对比再下结论.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] 马威，姚静波，常永胜，解维奇.国产CPU发展的现状与展望[J].集成电路应用

[16] 朱彬，邢雁宁，姚琳，孙加兴.我国CPU发展战略探讨[J].中国集成电路，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

本文来自微信公众号：果壳硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌，编辑：李拓