上車吧，國產 CPU

“快來吧奔騰電腦，讓它們代替我來思考。”

1999 年，朴樹在《New Boy》中唱出這句歌詞時，x86 架構晶片正經歷著一場華麗蛻變，藉著 Wintel 組合，個人電腦飛入尋常百姓家；2021 年，當“房東的貓”樂隊翻唱這首歌時，電腦已不是人們一窺世界的主要視窗，x86 架構也遇到了宿命對手：Arm。

CPU 是最重要的數字晶片。過去十年，Arm（Advanced RISC Machine）架構的 CPU 已橫掃智慧手機市場，並日漸侵蝕傳統桌面電腦市場，在伺服器計算機市場也是步步緊逼。如今，Arm 指令集在晶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。

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 可擁有多個處理核心，數百億個電晶體，最佳工作負載型別為序列計算，其極強的通用性亦可指揮運算全域性，控制調配計算機所有硬體資源，解釋計算機指令和處理計算機軟體中的資料 ^[1] 。因此，從系統啟動、生產力應用程式，到密碼學、人工智慧等高階工作負載，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，是指一套軟硬體的標準規範，CPU 晶片和軟體應用會圍繞這套規範設計，可以將它理解成對 CPU 運算指導優化的硬程式。指令集一般分為兩大體系結構，即複雜指令集 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）。英特爾於 1971 年推出首款完全整合到單晶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 年曆史內經歷了四個階段，製表丨果殼硬科技

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、伺服器對 CPU 效能要求高，目前市場形成以英特爾和 AMD（超威半導體）為代表的 x86 指令集佔大部分份額、Arm 指令集佔小部分份額的局面。

注丨 x86 的由來 —— 由於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，製表丨果殼硬科技

國內 CPU 依賴進口，且以伺服器對 CPU 效能和數量需求最大，其中英特爾和 AMD 佔據了 2021 年中國伺服器 CPU 出貨量的 94% 以上。

▲ 2021 中國伺服器 CPU 市場出貨情況，圖源丨華安證券 ^[4]

被看好的 Arm

在誕生之初，Arm 只用於手機，而後憑藉低功耗的優勢佔領了嵌入式和汽車領域。如今，無處不在的 Arm 晶片累計出貨量已超過 2250 億顆 ^[5] 。

近年來，原本活躍於移動裝置（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、伺服器 CPU。這股越吹越猛的大風背後的造勢者，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，允許使用者安裝對手的作業系統，以此“挖牆腳”。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（晶片內包含 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 後，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（[email protected] GHz）比 2019 款 15 英寸 MacBook Pro（[email protected] GHz）單核快 70%，多核快 50%，並且 M1 還只有 8 執行緒，i7-9750H 為 12 執行緒 ^[10] 。無獨有偶，PassMark 基準測試上顯示，M1 晶片單核效能甚至超過了部分 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 的單核效能強於 M1，但多核效能依然不及 M1 ^[12] 。英特爾也在 M1 產品上市後，急忙分享出一組資料，證明自家 產品優勢更大（i7-1185G7），但當時並未掀起波瀾。 ^[13]

之後，蘋果推出 M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra，Arm 晶片勢頭愈發猛烈。

2022 年 WWDC 期間，蘋果推出了 M2 晶片，採用臺積電第二代 5nm 製程，整合 200 多億個電晶體，較 M1 提升了 18% 的 CPU 速度，讓蘋果順利設計生產出這樣晶片的關鍵是 Arm。 ^[14]

儘管業界有越來越多的聲音批評蘋果炒作，儘管蘋果資料也的確有誇張之嫌，但不得不說，蘋果晶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）在伺服器領域力推 Arm 晶片。從 2018 年就首度推出基於 Arm 的 AWS（Amazon Web Services）Graviton 雲處理器，向雲端計算市場展現了 Arm IP 的優勢。

此外，Google、微軟等大廠也都自研 Arm 雲處理器。

主攻 Arm 架構伺服器 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雲端業務，這也是 x86 最大的劣勢。在過去的一二十年期間，由於市場沒有更好的選擇，所以 x86 也會用在雲端業務中，未來 Arm 在資料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 市場背後的邏輯。

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。

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、後門等安全隱患，還可能會被監聽和控制。在“震網”“稜鏡門”及各種制裁事件後，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 背後不僅要求高昂的投入，還會涉及一整個鏈條：一方面，高效能 CPU 尖端複雜，是典型的人才、資金和技術密集型行業；另一方面，造出晶片並不意味著結束，還要建立完整的產業生態，一款晶片沒有配套軟硬體，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（智慧財產權）核心授權：相當於買半成品，將已經設計好的電路或物理版圖買下，基於半成品再後端設計，入門門檻低，效能有保障，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組，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 授權分別來自於 AMD（超微半導體）和 VIA（威盛半導體），效能高，相容性好，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，相容性和生態依賴 Arm 指令集自身；

自研方面，龍芯此前為基於 MIPS 授權的自研，後棄用 MIPS，完全自主研發，申威為基於 Alpha 授權的自研，自主可控性非常高，但效能與國外有差距，相容性和生態需要進一步打造。

▲ 國產主要 CPU 廠商情況，製表丨果殼硬科技

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 來製造高效能 CPU。

▲ 國內主要融資階段企業情況，製表丨果殼硬科技

融資潮背後的冷思考

那麼國產在現在大舉進軍 Arm 高效能 CPU，會面臨什麼挑戰？

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，這源於在設計 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 基於複雜指令集（CISC），指令在多個時鐘週期中處理，Arm 基於精簡指令集（RISC），每個時鐘週期執行一條指令，因此 Arm 在功耗上更優，但從效能上看，Arm 弱於 x86；

x86 更多工作由硬體實現，Arm 是將部分工作交給編譯器完成，從而降低硬體複雜度； ^[17]

作為 RISC 的 Arm 指令集，可使用每週期指令數（IPC）來衡量 CPU 執行速度，但作為 CISC 的 x86 指令集不適合用 IPC 反映執行速度，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 深度繫結，被戲稱為 Wintel（Windows+Intel），目前 Arm 支援的作業系統、語言、雲原生、資料庫、CI（持續整合）/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製造或出售 CPU 晶片，由於開放授權，所以在開發上較為活躍，但 x86 指令集幾乎是閉塞的，只對極小範圍公司授權，在今年 2 月才開始鬆動對 x86 指令集的軟核和硬核授權，使客戶能在英特爾製造的定製設計晶片中混合 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 效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、多級快取和許多其他技巧，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 通訊的一種語言，最終效能如何，還是 全憑晶片設計 。 ^[20]

簡單來說，就是 指令集就是一把錘子，能把晶片錘成什麼樣，取決於使用者本身。 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 在高效能 CPU 上有很大進展，且有巨頭強勢站隊，但不得不說目前 x86 在效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 佔據將近 98% 的 CPU 市場總量。據 Tom's Hardware 資料顯示，2020 年 Q2 Arm CPU 佔整體市場份額不到 2%，而在 2022 年 Q1 Arm CPU 佔整體份額的 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），佔整體市場的份額將提升至 19.5%。 ^[22]

▲ 2020 年 Q2~2022 年 Q1 Arm CPU 在市場佔有率變化情況，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 的收費專案包括前期授權費（License）、版稅（Royalty）和技術諮詢服務費。 ^[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 晶片授權費已較低，但對效能要求較高的桌面端、移動端、伺服器 CPU 屬於尖端領域，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]

版稅是晶片出貨後 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 的版稅一般約為晶片最終售價的 1%~3%。

值得注意的是，除了授權費，做 CPU 還有很多燒錢專案，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 軟體就沒有 CPU 的基礎工具，而 EDA 也需要授權；高效能 CPU 一般都是先進製程，製程能夠快速提升 CPU 效能，但製程越先進，流片費就越貴，並且一旦流片失敗，還要承擔高額損失；產品試產階段有諸多測試專案，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。

▲ 晶片初創公司所需費用，製表丨果殼硬科技

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，自身也正處於動盪期，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，由於 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後，一家公司吞併 Arm 的路似乎行不通，之後英特爾、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，相當於 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，將無法獲得後續新版本。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 專案，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，後續專案如何退出？二級市場接得住嗎？

現在，管不了那麼多了，先上車吧。

參考

• [1] Intel：CPU vs GPU: What's the Difference. http://www.intel.co.uk/content/www/uk/en/products/docs/processors/cpu-vs-gpu.html

• [2] Intel：Architecture - Intel® Technology Innovation. http://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. http://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. http://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202206141572028208_1.pdf?1655200996000.pdf

• [5] Arm 社群：Arm 2021 財年營收與利潤雙雙創下新高.2022.5.13. http://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. http://mp.weixin.qq.com/ s / PyNYOQoi1MSk4eozSIcPHg

• [8] Apple：Apple to Use Intel Microprocessors Beginning in 2006.2005.6.6. http://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. http://www.apple.com/newsroom/2020/06/apple-announces-mac-transition-to-apple-silicon/

• [10] Geekbench：MacBook Pro (13-inch Late 2020) Benchmarks. http://browser.geekbench.com/macs/macbook-pro-13-inch-late-2020

• [11] PassMark：Single Thread Performance. http://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. http://wccftech.com/intel-and-amd-x86-mobility-cpus-destroy-apples-m1-in-cinebench-r23-benchmark-results/

• [13] IT168：蘋果晶片 M1 真的很能打？英特爾：看完這組對比再下結論.2021.3.16. http://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. http://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].積體電路應用

• [16] 朱彬，邢雁寧，姚琳，孫加興.我國 CPU 發展戰略探討 [J].中國積體電路，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. http://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. http://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. http://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. http://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. http://www.anandtech.com/show/14644/arm-flexible-access-design-the-soc-before-spending-money

• [24] Strategyzer：Business Model Example-Arm. http://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. http://www.barrons.com/articles/softbank-deal-to-sell-arm-has-1-25-billion-breakup-clause-nvidia-pays-750-million-licensing-fee-51600459412

本文來自微信公眾號： 果殼硬科技 （ID：guokr233） ，作者：付斌  編輯：李拓