義

CPU是大家最為熟悉的邏輯器件，由運算、控制、存儲三個單元組成，是計算機操作與控制的核心，也是最廣泛使用的計算機系統(tǒng)主控芯片。CPU主要應(yīng)用于服務(wù)器、工作站、個人計算機（臺式機、筆記本電腦）、移動終端和嵌入式設(shè)備等。

分類一：按照采用的指令集，CPU可以分為復雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）兩大類。復雜指令集架構(gòu)與精簡指令集架構(gòu)是基于兩種不同的指令集思路進行設(shè)計，這兩種架構(gòu)有著各自不同的特點：

復雜指令集指令豐富、尋址方式靈活，以微程序控制器為核心，指令長度可變，功能強大，復雜程序執(zhí)行效率高；

精簡指令集指令結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計，具有較高的執(zhí)行能效比。其中，x86架構(gòu)是復雜指令集的代表，而ARM架構(gòu)、MIPS架構(gòu)和Alpha架構(gòu)等是精簡指令集的代表。

國產(chǎn)CPU廠商采用的指令集各不相同。海光和兆芯采用X86架構(gòu)，與主流操作系統(tǒng)的適配度最高，在生態(tài)上占據(jù)明顯優(yōu)勢；海思和飛騰采用ARM架構(gòu)，能耗更低，生態(tài)也經(jīng)過了多年的發(fā)展；平頭哥采用RISC-V架構(gòu)，完全開源并可根據(jù)具體場景擴充指令集，市場前景廣闊；龍芯使用自研的LoongArch架構(gòu)，生態(tài)逐步搭建。

分類二：國內(nèi)CPU市場主要分為三類，服務(wù)器、工作站與個人計算機CPU三類。其中，服務(wù)器具有高速的數(shù)據(jù)處理能力、強大的I/O數(shù)據(jù)吞吐能力、良好的可擴展性，并需要長時間可靠運行，其CPU芯片在性能、可靠性、可擴展性和可維護性等方面要求較為苛刻。而個人計算機主要用于滿足個人的工作、學習、娛樂、辦公需求，處理器核心數(shù)量較少，具有較少I/O。另外工作站是一種高端微型計算機，處理器性能介于服務(wù)器與個人計算機之間。

市場空間

Intel、AMD兩家壟斷全球CPU市場，國產(chǎn)CPU在中國市場份額仍為個位數(shù)。2022年，英特爾客戶端計算事業(yè)部（CCG）與數(shù)據(jù)中心事業(yè)部（DCG）收入509億美元，AMDCPU總營收為190億美元（剔除FPGA收入46億美元），合計699億美元。根據(jù)MercuryResearch及DIGITIMESResearch數(shù)據(jù)，2022年英特爾在桌面及服務(wù)器CPU市場出貨量占比分別為69.98%和70.00%，我們測算全球桌面處理器市場規(guī)模約453億美元，服務(wù)器CPU市場規(guī)模約249億美元，全球CPU市場規(guī)模約702億美元。

2022年英特爾和AMD中國地區(qū)收入占比約為27.0%和22.1%，同時考慮海光、龍芯、飛騰三家國內(nèi)廠商收入（根據(jù)公司業(yè)績預告及Wind一致預期，2022年三家合計收入96.10億元），我們大致測算2022年國內(nèi)CPU市場規(guī)模約193億美元。如果僅按照海光、龍芯、飛騰三家國內(nèi)廠商收入計算，國產(chǎn)化率約7%。

競爭格局

在桌面CPU市場，英特爾酷睿系列和AMD銳龍系列占據(jù)絕大部分市場份額，蘋果從4Q20開始在其MAC設(shè)備使用自研M1芯片（基于ARM架構(gòu)），份額持續(xù)提升。根據(jù)MercuryResearch數(shù)據(jù)，4Q22英特爾和AMD桌面CPU全球出貨量份額分別約為68.1%和18.6%。在服務(wù)器CPU市場，英特爾憑借至強系列市場份額維持在70%或以上，AMD市場份額持續(xù)提升。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2Q22英特爾和AMD服務(wù)器CPU全球出貨量份額分別約為63.7%和29.2%。

國產(chǎn)進展

沿四條路線實現(xiàn)進口替代。從“十五”開始，國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)政策不斷加碼，泰山計劃、863計劃等催生了我國一批CPU廠商，經(jīng)歷20年發(fā)展，現(xiàn)已形成以海光、龍芯、飛騰等為代表的國產(chǎn)CPU企業(yè)。根據(jù)指令集的選擇，國產(chǎn)CPU廠商可分為四類：1）“開源指令集架構(gòu)”路線：代表廠商為國芯科技和平頭哥，采用完全開源的RISC-V架構(gòu)，指令精簡且自主可控，但生態(tài)建設(shè)有待完善；2）“指令集授權(quán)+自研”路線：代表廠商為龍芯和申威，分別基于MIPS架構(gòu)和Alpha架構(gòu)自主研制LoongArch指令集和SW_64指令集，自主可控程度高；3）“指令集授權(quán)”路線：代表廠商為海思和飛騰，兩者已獲得ARMV8架構(gòu)指令集永久授權(quán)，自主可控與應(yīng)用生態(tài)更為平衡；4）“IP內(nèi)核授權(quán)”路線：代表廠商為上海兆芯和海光信息，市場化進程較快。

全文完。

.1 CPU概述

2.1.1 CPU的功能：

1.處理指令;2.執(zhí)行操作;3.控制時間;4.處理數(shù)據(jù)。CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為控制單元，邏輯單元和存儲單元三大部分。CPU的工作原理就象一個工廠對產(chǎn)品的加工過程：進入工廠的原料（指令），經(jīng)過物資分配部門（控制單元）的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線（邏輯運算單元）。

2.1.2 CPU的基本結(jié)構(gòu)：

一般CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：運算器、控制器、寄存器（包括內(nèi)部總線和緩沖器）三大部分。

運算器：執(zhí)行定點或浮點算術(shù)運算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執(zhí)行地址運算和轉(zhuǎn)換。

控制器：主要是負責對指令譯碼，并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各個操作的控制信號。

其結(jié)構(gòu)有兩種：一種是以微存儲為核心的微程序控制方式；一種是以邏輯硬布線結(jié)構(gòu)為主的控制方式。

寄存器（包括內(nèi)部總線和緩沖器）：通用寄存器又可分定點數(shù)和浮點數(shù)兩類，它們用來保存指令執(zhí)行過程中臨時存放的寄存器操作數(shù)和中間（或最終）的操作結(jié)果。

2.2 CPU執(zhí)行

指令執(zhí)行過程：CPU周期或數(shù)據(jù)流程

2.2.1 CPU周期：

亦稱機器周期CPU從主存中每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間。分：取指周期；間址周期；執(zhí)行周期；中斷周期。

2.2.2 數(shù)據(jù)流程：數(shù)據(jù)流是根據(jù)指令要求依次訪問的數(shù)據(jù)序列。然后用到取指周期、間址周期、執(zhí)行周期、中斷周期。

取指周期：從主存中取出指令代碼并交到IR中；

間址周期：取操作數(shù)的有效地址；

中斷周期：處理中斷請求。

2.2.3 指令執(zhí)行方案：

單指令周期(固定所有指令執(zhí)行時間)、多指令周期(不固定所有指令執(zhí)行時間)、流水線方案

2.3 數(shù)據(jù)通路

2.3.1 數(shù)據(jù)通路的功能：

數(shù)據(jù)在功能部件之間傳送的路徑，從而實現(xiàn)CPU內(nèi)部各種器件的數(shù)據(jù)交換。

2.3.2 數(shù)據(jù)通路的基本結(jié)構(gòu)：

1. 單總線方式：所有寄存器的輸入輸出端都連接到一條公共通路上，這種結(jié)構(gòu)簡單，但是數(shù)據(jù)的傳輸存在較多的沖突現(xiàn)象，因此性能相對較低。

2. 多總線方式：所有寄存器的輸入輸出端都連接到多條公共通路上，同時可以在一個時鐘內(nèi)傳輸多個數(shù)據(jù)，以提高效率。

3. 專用數(shù)據(jù)通路方式：根據(jù)指令執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)和地址的流動方向安排連接線路，避免使用共享總線，性能較高，但硬件量大。

2.4 指令流水

2.4.1 CPU指令流水概念：

指令從取值到真正執(zhí)行的過程劃分成多個小步驟，cpu真正開始執(zhí)行指令序列時，一步壓一步的執(zhí)行，減少其等待時間。流水線級數(shù)越多，工作效率越高。

2.4.2 影響指令流水線性能的因素：

1.數(shù)據(jù)相關(guān)2.數(shù)據(jù)相關(guān)3. 控制相關(guān)

2.4.3 流水性能標準：

1. 吞吐率：單位時間內(nèi)流水線所完成指令的數(shù)量，公式：流水各線段處于工作時間的時空區(qū)除流水線中各段總的時空區(qū)

2. 加速比：沒有采用流水線耗時與采用流水線之比

3. 使用率：工作時空區(qū)與總時空區(qū)之比

2.4.4 超標量流水線概念：

每個時鐘周期內(nèi)可并發(fā)多條獨立指令，即以并行操作方式將兩條或多條指令編譯并執(zhí)行，為此需配置多個功能部件。分為：超標量技術(shù)，超流水線技術(shù)

注*：

操作元件：常用的操作元件有多路選擇器mux，加法器，ALU，譯碼器等等，有些操作元件不需要控制信號控制。

狀態(tài)元件：狀態(tài)元件具有存儲功能，輸入狀態(tài)在時鐘控制下被寫到電路，并保持電路輸出值不變，直到下一個時鐘到達，輸入端狀態(tài)由時鐘決定何時被寫入，輸出端狀態(tài)隨時可以讀出。

超標量技術(shù)：配置多個配件，每個時鐘周期并行多條指令

超流水線技術(shù)：編譯技術(shù)使得每個時鐘周期里再并發(fā)多條指令功能段 作者：先生染 https://www.bilibili.com/read/cv11693197 出處：bilibili