計算平臺創(chuàng)新是各行各業(yè)數(shù)字化轉型的基礎。近十幾年互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)終端的爆發(fā)式增長，均清晰地驗證了一個事實，不同應用類型、不同發(fā)展階段，對計算能力提出挑戰(zhàn)和需求是不同的。計算平臺的創(chuàng)新，既是數(shù)字化轉型的基礎，又是各類應用創(chuàng)新的底座。
目前，我國正在通過一系列政策加碼數(shù)字經(jīng)濟建設，十四五規(guī)劃、十四五數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃、東數(shù)西算工程等，均為數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展做出了政策指引，2022年有望成為數(shù)字建設加速年。
從產業(yè)發(fā)展角度而言，數(shù)字經(jīng)濟需要堅實的算力底座。據(jù)IDC 報告，2018年，中國約產生7.6ZB的數(shù)據(jù)，到2025年將增至48.6ZB，龐大的數(shù)據(jù)增長對算力基礎設施提出了更高的需求。歸根結底，離不開算力設備中核心的計算芯片發(fā)展，再結合供應鏈安全、自主可控等發(fā)展方向，都是我們當前關注國產計算芯片的意義所在。
CPU（Central Processing Unit，中央處理器）作為信息產業(yè)中最基礎的核心部件，是信息處理、程序運行的最終執(zhí)行單元，其設計技術門檻高、研發(fā)周期長，具有極高的生態(tài)壁壘，其國產化具有重要的戰(zhàn)略意義。
MPU（Microprocessor Unit，微處理器）是把計算機的CPU功能在單片或幾片集成電路中實現(xiàn)的器件，是微型計算機的核心部件。隨著終端功能的需求逐漸多樣化，它增加了圖形、視頻，甚至新興的人工智能（AI）應用等越來越多的系統(tǒng)級功能，可以用于各種系統(tǒng)的嵌入式處理，如網(wǎng)絡設備、計算機外設、醫(yī)療和工業(yè)設備、汽車、電視、機頂盒、視頻游戲機、可穿戴產品和物聯(lián)網(wǎng)應用等。伴隨這些產品應用的迭代升級，國產MPU芯片進入高成長周期。
國產CPU
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國產CPU技術路線
CPU作為計算機系統(tǒng)的核心和“大腦”，堪稱國之重器，其自主創(chuàng)新是實現(xiàn)安全可控的核心。近年來，在國家集成電路產業(yè)政策和大基金投資等多重措施支持下，在云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等產業(yè)的推動下，一批CPU設計企業(yè)逐漸成長起來。
CPU主要由大量的運算器、控制器、寄存器組成，它是對計算機的所有硬件資源（如存儲器、 輸入輸出單元）進行控制調配、執(zhí)行通用運算的核心硬件單元；同時，計算機系統(tǒng)中所有軟件層的操作，最終都將通過指令系統(tǒng)映射為CPU的操作。
從硬件層面，CPU中的硬件系統(tǒng)主要是為了實現(xiàn)每一條指令的功能，解決指令之間的連接關系，因此指令系統(tǒng)是計算機硬件的語言系統(tǒng)，它決定了計算機的基本功能。而指令系統(tǒng)需要通過處理器核進行實現(xiàn)，最終形成芯片產品。
計算機的程序最終需要轉化成“指令”才能在CPU上運行，所以采用的指令集對于CPU的設計尤為重要。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。x86架構是復雜指令集的代表，而Arm架構、MIPS架構、Alpha架構等是精簡指令集的代表，各架構特點比較如下：
CPU架構特點比較
來源：與非研究院
從軟件層面，軟件是由按一定規(guī)則組織起來的許多條指令組成，完成一定的數(shù)據(jù)運算或者事 務處理功能。而操作系統(tǒng)是管理電腦硬件與軟件資源的程序，能夠在硬件管理中處于支配地位；應用軟件是利用計算機解決某類問題而設計的程序的集合，需要依賴于操作系統(tǒng)的支持才能運行；只有具備操作系統(tǒng)等關鍵基礎軟件的開發(fā)能力，才能為搭建全新的基于該指令系統(tǒng)的應用軟件生態(tài)提供支撐。
綜上，CPU生態(tài)包含軟硬件兩個方面，從指令系統(tǒng)出發(fā)，硬件上通過IP核形成芯片，并最終用于板卡、整機廠商等不同領域的應用終端；軟件上形成包括操作系統(tǒng)、編譯器、Java、.NET 等基礎軟件，最終實現(xiàn)應用于政企、教育、能源、交通等不同領域的應用軟件。CPU生態(tài)體系是硬件和軟件的結合，是產業(yè)上下游交互的產物，因此生態(tài)壁壘一旦建立便是長期穩(wěn)定牢固的。x86處理器起步較早，生態(tài)較其他處理器具有明顯優(yōu)勢，x86處理器的服務器銷售額占全部服務器銷售額的比例約為91%，銷售量占比超過97%，處于顯著領先地位。
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國產CPU廠商概況
國產 CPU 廠商目前主要有：成都申威、華為海思、海光信息、飛騰信息、龍芯中科、上海兆芯。由于產品定位和技術來源不同，選擇了不同的技術路線，按采用的指令系統(tǒng)類型可大致分為三類：海光和兆芯采用x86指令系統(tǒng); 華為海思和飛騰，基于Arm指令系統(tǒng)進行自研開發(fā)優(yōu)化；龍芯中科和成都申威，分別基于MIPS兼容的指令系統(tǒng)和類Alpha指令系統(tǒng)，進行自研開發(fā)優(yōu)化。
國產CPU核心廠商概況
來源：與非研究院
從地域分布上來看，國產CPU廠商與我國集成電路設計企業(yè)分布情況較為一致，主要分布于華北、華南、華東、西南等地區(qū)，因各地良好的業(yè)態(tài)布局，以及各自的成立和發(fā)展的背景，形成了當前的分布態(tài)勢。
國產CPU核心廠商地域分布情況
來源：與非研究院
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國產CPU應用情況
CPU市場應用主要有三類：政務及關鍵基礎行業(yè)、企業(yè)級市場以及消費級市場，這些市場需求各異。
政務及關鍵基礎行業(yè)，對安全性和定制化的要求遠高于消費級市場，對產業(yè)生態(tài)的要求相對較低，非常契合國產CPU當前的發(fā)展現(xiàn)狀，因此也是目前國產CPU的核心市場。
企業(yè)級市場對產業(yè)生態(tài)的要求，介于政務與消費級市場之間，是國產CPU下一步重要的增量市場。
消費級市場對產業(yè)生態(tài)的要求最高，對性價比較為敏感，迭代周期短，是國產CPU長期需突破的目標市場，尤其是在桌面CPU生態(tài)方面還有較大的差距，還需要重點彌補。
根據(jù)海光招股說明書，2021年海光下游客戶中，電信及金融客戶無論是銷售額還是銷售比例均有大幅提升，有翻倍趨勢；而互聯(lián)網(wǎng)、教育等行業(yè)銷售則有所減少。這也進一步驗證，未來幾年，企業(yè)級市場、行業(yè)客戶有望成為主力。
2018-2021H1 海光信息下游客戶占比
來源：海光招股說明書
總之，隨著自主 CPU 性能的不斷提高和軟件生態(tài)的不斷完善，國內電子政務領域正在加大自主化推進力度，基于國產CPU的信息產品已經(jīng)得到批量應用，重點行業(yè)的關鍵信息基礎設施正在開展國產CPU應用，對信息安全、供應鏈安全要求相對較高的領域，是國產 CPU的優(yōu)勢市場。未來。伴隨信息化的加速，桌面、服務器、嵌入式CPU需求量均將增加。
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國內服務器市場規(guī)模
服務器作為社會集中算力的主要供應力量，全社會數(shù)據(jù)量的提升以及數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展勢必帶來對服務器端需求的大幅增加，未來服務器端增量空間仍十分可觀。此外，從安全層面及國產服務器及芯片可用性而言，國產服務器及芯片成長正當時。
首先從安全層面而言，服務器作為數(shù)據(jù)存儲及計算的主要承載，安全重要性不言而喻,為了確保信息安全及科技行業(yè)有序發(fā)展，發(fā)展國產芯片勢在必行。再從產品可用性上來看。2020-2021年信創(chuàng)項目落地，國產服務器在黨政機關及部分行業(yè)應用已初步驗證了國產服務器的可用性。隨著國產芯片廠商及服務器廠商持續(xù)更迭產品，性能將進一步得到提升。
不過，同時也仍要客觀看待現(xiàn)實和差距。國內服務器領域，根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2020 年，中國服務器出貨量為350萬臺，同比增長9.80%。近兩年采用國產CPU的桌面和服務器產品雖發(fā)展迅速，但市場份額仍不足5%，增長空間巨大。
2020年全年，中國x86服務器市場出貨量為343.9萬臺，同比增長8.1%；市場規(guī)模為218.7億美元，同比增長16.5%。隨著下游市場需求回暖，以及國家將加快5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心、人工智能等七大領域新型基礎設施的建設進度，x86服務器市場未來幾年的需求仍然會比較旺盛，預測2021-2025年復合增長率將達到8.8%。對中國x86服務器出貨量的預測情況如下：
中國x86服務器出貨量和市場規(guī)模預測
來源：IDC
2020年，國內x86服務器芯片出貨量698.1萬顆，絕大部分市場份額被 Intel 及 AMD 占據(jù)，兩家市場份額合計超過 95%，即國產x86芯片滲透率不及5%。
根據(jù)海光招股說明書，2020年海光約銷售23萬顆芯片，而鯤鵬在國產服務器芯片市場份額超過五成，預估海光芯片市場份額為40%，2020年國產服務器芯片約58萬顆，對應29 萬臺服務器。2020年中國服務器銷量約355萬臺，則國產服務器滲透率不足10%。2021 年海光芯片銷量約為56萬顆，考慮到華為受制裁產量影響，假設海光在國產服務器芯片市場份額提升至五成，則國產服務器芯片約112萬顆，對應56萬臺國產服務器，2021 年中國服務器銷量約389萬臺，則國產服務器滲透率約15%。從空間來看，假設2025年國產服務器滲透率提升至50%，則還有兩倍以上空間。從市場進度來看，國產服務器芯片近幾年銷售量增速均維持在100%以上，并且從趨勢上來看剛剛開始放量，未來倘若交付能力有所保障，高增速有望維持。
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國產CPU技術趨勢
根據(jù)Intel、AMD等領先企業(yè)的公開信息，CPU的性能增長和功能增加主要依靠處理器體系結構和微結構的改進、SoC集成創(chuàng)新、先進制造工藝和先進封裝水平提升、面向典型行業(yè)應用的設計優(yōu)化等技術手段來實現(xiàn)。主要的技術趨勢包括：
單個處理器的核心性能仍將持續(xù)提升，主要技術包括：同時多線程、訪存優(yōu)化、增加高速緩存容量、先進分支預測算法、擴展指令等。隨著制造工藝升級，芯片集成度持續(xù)提高，通過微結構創(chuàng)新來提高處理器單個核心性能越來越重要。
處理器核心數(shù)逐步增加，I/O性能持續(xù)提升。利用SoC技術設計CPU芯片，可以降低整機系統(tǒng)設計難度和控制系統(tǒng)整體成本。
為了支持新型應用，主流x86 CPU擴展了MMX、SSE、AVX、SIMD等不同應用領域的指令集。隨著AI應用需求的快速增長，CPU還將優(yōu)化微體系結構，增加AI算法指令集，提升CPU在AI領域的應用范圍。
從整體計算平臺的發(fā)展來看，將走向多種計算架構并存的方向，應對端邊云協(xié)同、海量多樣化數(shù)據(jù)智能處理、實時分析等需求。
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國產CPU發(fā)展挑戰(zhàn)
技術壁壘
CPU作為計算機的運算與控制核心，對通用計算處理能力等性能指標有較高的要求，屬于集成電路設計中的最高端產品，技術儲備需要較長周期。
生態(tài)壁壘
CPU 產品需要研發(fā)配套的基礎軟件，包括如BIOS、編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、虛擬機等配套軟件支持。不同CPU指令系統(tǒng)的操作系統(tǒng)、應用軟件之間形成了獨立的生態(tài)體系，不同生態(tài)體系承載的軟件生態(tài)的應用數(shù)量、類型和豐富程度迥異，從而構成軟件生態(tài)壁壘。
資金和規(guī)模壁壘
集成電路產品必須達到一定的資金規(guī)模與業(yè)務規(guī)模，才能通過規(guī)模效應獲得生存和發(fā)展的空間。由于CPU設計研發(fā)周期長及成功的不確定性大，資金和規(guī)模成為行業(yè)的重要壁壘。
人才壁壘
CPU及其配套基礎軟件需要高端人才以及長期的研發(fā)投入才能形成高水平成果，而行業(yè)內具有豐富經(jīng)驗的高端技術人才相對稀缺，且較多集中在少數(shù)頭部企業(yè)中，因此，人才成為新興企業(yè)的重要壁壘。
國產MPU
與CPU相比，MPU的壁壘雖相對較低，卻是一個空間巨大的長賽道。伴隨著消費電子、智能家居等終端設備功能的日益豐富，以及近年來AIoT需求的爆發(fā)式增長，MPU市場水漲船高。
據(jù)IC Insights 數(shù)據(jù)，嵌入式微處理器市場規(guī)模已由2015年的81億美元增長至2020年的172億美元，年復合增速達16.25%，市場份額也由12%上升至20%。預測2021年~2026年，MPU總銷售額將以5.3%的復合年增長率(CAGR)增長至1333億美元，其中，嵌入式MPU市場將以五年平均速度最快的速度——復合年增長率為7.2%增長，在2026年達到 278 億美元。這一增速，超出了手機應用處理器6.3%和計算機CPU 3.7%的復合年增長率，體現(xiàn)出了下游智能應用場景對上游MPU器件強勁的拉動作用。
這里要注明的是，IC Insights對MPU的分類包括計算機CPU處理器（含平板SoC處理器以及所有類型計算機中使用的中央微處理器）、手機應用處理器、以及嵌入式微處理器。本報告中所探討的MPU主要針對面向多種智能設備的嵌入式處理器，以追蹤智能物聯(lián)網(wǎng)需求拉動下，MPU以及相關國產芯片廠商的成長趨勢。
MPU市場趨勢預測
來源：IC Insights
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國產MPU技術路線
MPU作為嵌入式設備的大腦，負責信息處理，可以將它理解為設備中的CPU。在發(fā)展初期，由于嵌入式系統(tǒng)功能較為單一，且對功耗、體積及成本要求比較敏感，因此只保留和嵌入式應用有關的功能硬件，以減少系統(tǒng)體積和功耗。
隨著半導體技術和智能硬件的迅猛發(fā)展，以及終端應用對性能要求的提高，傳統(tǒng)MPU向多功能、高性能、低功耗的SoC集成化方向發(fā)展，比較典型的一類技術是在MPU的基礎上擴展了音視頻功能和專用接口；接下來經(jīng)歷了模擬和混合IC的配合，在MPU基礎上集成了RAM、ADC/DAC、高速DSP、電源管理等多種功能模塊。在下游應用不斷豐富的趨勢下，高端MPU的場景不斷增多，開啟了智能SoC處理器的發(fā)展階段。
當前，國內智能SoC處理器廠商海思、瑞芯微、全志、君正、晶晨、富瀚微等，都入局較早，經(jīng)歷了智能終端設備功能和性能上的階躍式發(fā)展。例如從復讀機、MP3/MP4、安卓平板等芯片切入，到各類多媒體智能終端（例如機頂盒、電視、車載信息娛樂系統(tǒng)等）、智能音箱、掃地機器人，再到智能安防系統(tǒng)等，MPU實現(xiàn)了向高性能智能應用處理器的升級，相關國產芯片廠商在多個細分行業(yè)已經(jīng)形成了一定的競爭力。
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國產MPU廠商概況
國產MPU核心廠商概況
來源：與非研究院
上述國產MPU廠商多數(shù)成立較早，經(jīng)過十幾年甚至二十幾年的發(fā)展，在多媒體設備、移動終端、智能家居等設備的關鍵發(fā)展節(jié)點，共同推動了產業(yè)的發(fā)展，且各自形成了技術經(jīng)驗的積累和IP庫的完善，也是未來支撐這些廠商進一步擴大產品線、形成平臺化布局的關鍵。
國產MPU核心廠商的地域分布情況如下：
國產MPU核心廠商地域分布情況
來源：與非研究院
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國產MPU典型應用
機頂盒
機頂盒又稱STB（Set Top Box），是一個外接于電視機的媒體設備，主要功能為音視頻解碼，并把音視頻信號輸出到電視機，彌補電視機本身處理能力、App擴展等方面的不足。
市場上機頂盒包括兩種類型：IPTV機頂盒和OTT機頂盒，其中IPTV機頂盒通過運營商管控的專網(wǎng)傳輸，主要提供直播服務；OTT機頂盒通過公共互聯(lián)網(wǎng)傳輸，受制于相關政策，需要安裝第三方應用才可提供直播服務。不過不論是哪種機頂盒，從邏輯功能上看可分為網(wǎng)絡連接、數(shù)字信號處理、視頻信號輸出等模塊。
隨著AI、IoT等技術、應用的升級與變遷，機頂盒的功能也在不斷融合及多元化，由單純的音視頻解碼逐漸向集Camera、UHD 編解碼、WiFi/BT等多樣化網(wǎng)絡接入、高質量音頻外放、本地視頻展示等多種功能于一身的智慧融合家庭終端演進。機頂盒SoC芯片也不再是單一的解碼芯片，不斷集成高性能CPU、NPU、UHD編解碼、ISP、高質量音頻DSP等能力。
智能安防
智能視頻監(jiān)控場景應用中，網(wǎng)絡攝像機對模擬攝像機的替換已成趨勢。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的DVR（硬盤錄像機）、IPC（網(wǎng)絡攝像機）、NVR（網(wǎng)絡視頻錄像機）等產品均搭載SoC芯片。智能安防場景中，IPC SoC芯片廠商主要是華為海思、富瀚微、全志、瑞芯微等；NVR SoC和DVR SoC芯片廠商主要是華為海思、瑞芯微、富瀚微等。
2020-2026年中國智能安防市場規(guī)模
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來源：智研咨詢
據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)，2020 年中國智能安防產業(yè)市場規(guī)模為 2965 億元，到2026 年，產業(yè)規(guī)模將達到 6822 億元，2020-2026 年復合增長率為15%。
隨著5G、AI、云計算等新一代信息技術的發(fā)展，原本用途單一的安防產品功能越來越豐富，目前可覆蓋包括社區(qū)安防、交通安全、工程建設等不同領域。安防產業(yè)從重點關注社會治安等傳統(tǒng)安防領域向泛安防應用發(fā)展。
智能家居
據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2021年第一季度中國智能家居設備市場出貨量為4699 萬臺，同比增長27.7%。其中智能家電、智能音箱、家庭安全監(jiān)控以及智能照明出貨量較去年同期實現(xiàn)了增長。
2021Q1 中國智能家居設備市場同比增長27.7%（單位：百萬臺）
來源：IDC
以智能音箱、掃地機器人、智能門鎖等為代表的智能家居產品近幾年呈現(xiàn)井噴式增長。預測未來幾年，隨著家庭智能需求的升級，智能家居將呈現(xiàn)多品類高速增長的態(tài)勢，拉動SoC芯片的出貨。此外，智能家居正逐步從碎片化單品朝全屋智能、空間智能的方向邁進，這也將進一步驅動相關廠商繼續(xù)打造軟硬一體的平臺化產品。
智能車載
智能汽車將是國產SoC競爭的下一個風口，尤其在智能座艙、ADAS 等領域更為突出。不過截止目前，布局車載市場的傳統(tǒng)SoC廠商相對較少，以海思、瑞芯微、全志科技為代表，推出了相關的車載SoC產品。
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國產MPU演進方向
從MPU芯片本身角度而言，未來將繼續(xù)向更高的集成度、更低的功耗、更高的性能持續(xù)演進，且隨著技術、產品不斷升級，芯片制程進一步升級也是未來的需求。
在人工智能技術的驅動下，終端設備的功能日益豐富，MPU智能化升級過程中，涌現(xiàn)出了多種處理器，在命名方式上也更為多樣，比如：人工智能視覺處理器、智能語音處理器、車載處理器、流媒體處理器、以及各類應用處理器等，也有越來越多的創(chuàng)業(yè)公司加入這一賽道。
MPU所面向的應用領域，也決定了它必須滿足下游應用場景分散、IoT碎片化應用的需求，也使得這個行業(yè)競爭者眾多。不過，上述MPU廠商經(jīng)過多年的發(fā)展，研發(fā)實力較為雄厚，在某一個或某幾個細分領域，已經(jīng)形成了全面的技術優(yōu)勢，這是他們進一步向高端領域尋求突破的基礎。
以幾家核心廠商的技術布局情況來看，瑞芯微布局較為全面，未來研發(fā)投入的方向主要為基礎算法和 IP；全志科技在視頻編解碼技術方面具有優(yōu)勢，未來研發(fā)投向主要為 8K 超高清視頻解碼及基于RISC-V架構的處理器；晶晨研發(fā)投向主要在于智能電視芯片及AI 超清音視頻處理芯片等。不同的布局，也有利于這些廠商進一步形成差異化優(yōu)勢，面向更為多樣的應用領域。
結語
不論是國產CPU，還是從微處理器MPU起步的智能SoC，從戰(zhàn)略意義、供應鏈安全、自給自足的集成電路發(fā)展規(guī)劃等角度而言，這些芯片的國產化都具有重要意義。
在數(shù)字經(jīng)濟背景下，加強通用處理器研發(fā)、在高端芯片領域持續(xù)突破，是國產半導體產業(yè)發(fā)展的關鍵。未來，面對新興應用提出的云邊端協(xié)同計算，海量多樣化數(shù)據(jù)智能處理、實時分析等計算需求，計算產業(yè)將走向算力多樣化的時代，國產算力將迎來廣闊前景，需合力構建從底層架構到上層應用的計算產業(yè)生態(tài)，開拓萬億級藍海市場。
