CPU技术路线、分类及运行原理
1. cpu：计算机核心
1.1. cpu的定义和分类 cpu是计算机的运算和控制核心。cpu是中央处理器（central processing unit）的简称，是对计算机的所有硬件资源进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为cpu的操作。cpu 包括运算器、控制器、寄存器等模块。其中运算器和控制器是cpu的核心模块，前者负责进行各种算术和逻辑运算操作，后者为“决策机构”，主要任务就是发布命令，发挥着整个计算机系统操作的协调与指挥作用。
cpu按用途可分为桌面、服务器、移动端cpu和嵌入式cpu。桌面cpu主要应用于个人计算机（台式机、笔记本电脑）。服务器cpu主要用于服务器，对运算性能和稳定性要求更高。桌面和服务器cpu主要厂商为intel和amd。移动端cpu主要用于各种手机和平板中，对功耗、可靠性要求较高，主流的移动端cpu厂商主要有苹果、高通、联发科、华为和三星五家品牌。嵌入式cpu主要用于汽车电子、工业控制与自动化、智能电网等领域，对功耗、稳定性有较高要求。
cpu按照指令集可分为cisc（复杂指令集）和risc（精简指令集）两大类。cisc指令丰富、寻址方式灵活，以微程序控制器为核心，指令长度可变，功能强大，复杂程序执行效率高；risc指令结构简单、易于设计，具有较高的执行能效比。cisc型cpu目前主要有x86架构，主要应用于桌面和服务器领域，risc型cpu主要包括arm、alpha、mips、power、risc-v架构等，主要应用于移动终端、物联网领域和网关、机顶盒等网络设备中。
1.2. cpu的发展历史：走向高制程、多核、新ip之路 自1971年intel推出了世界上第一款微处理器4004至今，全球cpu的发展历程可以划分为四个阶段：性能提升阶段（1970-1990年）、应用扩展阶段（1990-2000年）、多元发展阶段（2000-2010年）、多核集成阶段（2010年-至今），在不同阶段cpu发展呈现出不同特点。
芯片工艺制程越来越高。在一定程度上，芯片工艺制程越小，单位面积内容纳的晶体管数量就越多，就可以构建更为复杂、性能强大的电路。同时，芯片工艺制程越小，电子元器件的功耗就越小。因此，随着芯片工艺制程提高，芯片集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。根据台积电官网数据，公司7nm finfet制程比10nm速度增快约20%，功耗降低约40%。
多核处理器的出现打破性能提升瓶颈。2005年cpu主频接近4ghz，单纯的主频提升已经无法明显提升系统整体性能，反而会导致cpu功耗急速上升。于是当年intel推出双核奔腾d和奔腾四至尊版840，amd也随后发布了双核皓龙和速龙64 x2处理器，经过十几年的强化升级，2023年intel将会推出代号为sierra forest的128核至强处理器，amd也将推出基于zen 4c微架构的128核处理器bergamo，多核已经成为提升cpu性能的重要手段。 ip降低cpu芯片设计难度。摩尔定律的经验表现为，芯片中晶体管数量呈现指数级上升趋势，同时，芯片构造的复杂度、设计难度、制造成本都显著增加，芯片设计公司难以单独完成芯片制作的全部流程，只能进行简单芯片设计。为了解决开发难度的问题，ip应运而生，芯片设计公司经常采用其他公司的ip以加快设计速度，不再从零做起，重复造轮子。arm公司的快速壮大就是ip商业模式跑通的重要证明。
1.3. cpu架构演进：arm大有可为 当前x86架构生态占据全球主要市场份额。微软公司和英特尔公司各自凭借自身规模效应和技术优势，使其产品windows和intel cpu占据了绝大部分市场份额，结成了“wintel”技术联盟。截至2022年9月4日，在intel的合作伙伴联盟中，包括了94家云和通信服务提供商、271家独立软件厂商、2940家原始设备制造商(oem)、88家服务集成商以及4479家解决方案提供商。是整个产业中最庞大、最完善、应用最广泛的处理器架构之一，具有极高的生态壁垒。
arm架构在高并发应用场景具有比较优势。arm处理器是英国acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款risc微处理器，全称为advanced risc machine。arm芯片比intel x86芯片具有更高的功率效率，并且功耗更低，性价比更高。以arm为代表的risc通用架构处理器在场景多样化计算时代具备明显的优势。例如在分布式数据库、大数据、web前端等高并发应用场景，单芯片核数更多的arm架构处理器相比传统处理器拥有更好的并发处理效率。
arm生态繁荣。在移动设备领域，arm架构有着压倒性的市场和技术优势，根据软银2017年世界大会的数据，arm在智能手机、调制解调器、车载信息设备、可穿戴设备等领域都占据统治地位。基于海量的市场空间，目前芯片领域的新工艺、新制程和新材料都率先在arm架构上得以实现。可以预见未来arm架构的cpu在并发性能、功耗、集成度等方面都会长期保持领先优势。
arm是最活跃的体系架构生态。对于一些不太活跃的cpu架构，发行版就慢慢减少支持，甚至有不再支持的风险，由此会给软件开发、移植部署等带来诸多困难。根据《从端到云基于飞腾平台的全栈解决方案白皮书》数据，linux内核对于几种cpu架构的维护活跃程度（选取较新的稳定版5.3.7内核，分别对比了六种cpu架构相关代码维护活跃程度）和代码维护活跃度，由高到底依次为arm64（1468次）、x86（1329次）、powerpc（879次）、mips（310次）、sparc（114次）和alpha（64次）。
西方也在转向采用arm架构。pc方面，在mercury research的2021年第四季度pc统计中，基于arm处理器的pc在所有pc总出货销量中的占比达到了9.5%的新高，同比增加了6.1pct，环比增加1.2pct。2020年苹果旗下macbook笔记本电脑、mac一体机和平板电脑配置的m1芯片表现出arm架构性能的潜力和低能耗优势。服务器领域，华为已经于2019年推出基于arm架构的鲲鹏920服务器芯片，性能对标intek至强8180。英伟达也在2020年推出了基于arm架构的grace服务器芯片。 信创事业发展可以更多利用arm。随着中美科技脱钩，cpu架构也会成为博弈的焦点。arm架构是未来芯片主流技术方向，目前芯片领域的新工艺、新制程和新材料都率先在arm架构上得以实现。可以预见未来arm架构的cpu在并发性能、功耗、集成度、场景多样化具备明显优势。西方由于原有技术路径拖累以及现有利益冲突，较难完全拥抱arm架构，中国从0到1选择布局arm架构，历史包袱较小，有望借助arm架构夺得cpu技术高地。
2. 高壁垒大赛道，寡头垄断格局
2.1. cpu市场规模庞大，海外寡头垄断 全球cpu市场较为稳定，疫情促进桌面cpu市场规模增加。cpu的重要应用领域包括桌面和服务器，在桌面领域，2015-2018年全球出货量增速呈现缓慢下降的趋势，但是整体出货量依然保持在2.6亿台/年左右。2019年开始全球桌面出货量出现回升，2020年疫情催生全球“线上化”浪潮，全球桌面出货量较前5年有较大增长，达到3.03亿台。在服务器领域，2020年全球服务器出货量达1,220万台，同比增长3.92%。
2020年国内桌面cpu出货量约5000万片，服务器cpu出货量约700万片。根据idc数据，2020年中国pc出货量为4910万台，x86服务器出货量为344万台。假设平均每台pc用1片cpu，服务器主要为双路服务器（配置2片服务器cpu），则2020年中国桌面cpu市场出货量约5000万片，服务器cpu市场出货量约700万片。
intel和amd两大巨头垄断全球cpu市场。x86为当前全球信息化类cpu的主流架构，根据mercury research数据2021年q3全球pc和服务器中，x86占比超过90%。intel和amd作为全球信息化类cpu中的两大巨头，在 2021年q4，intel占据全球x86总体市场的74%，amd占比为26%。2021年两大cpu巨头intel和amd营收合计超过900亿美元。根据我们测算，2021年cpu国产化率超过10%。
2.2. cpu市场的竞争要素：性能和生态 cpu技术迭代快速，全球cpu巨头保持高研发投入。cpu行业技术壁垒较高，处理器迭代速度快，intel和amd作为行业巨头平均每1-2年迭代一次，在指令集、ipc和缓存容量等方面实现创新突破。2015-2021年intel和amd研发费用率整体保持平稳，维持在20%上下。
cpu有多个性能衡量指标。主频，cpu的工作频率，主频越高，cpu的运算速度也就越快。核心数，指硬件上存在着几个核心单元，cpu所能处理的数据和任务越多。线程数，线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，支持越多线程代表可以同时处理更多任务。多一颗核心就像多一个人，而多一个线程就多一只手。缓存，缓存是cpu与内存之间的缓冲地，在一定程度上，缓存容量越大越好。
cpu生态包括硬件和软件。硬件方面，从指令集、ip核，到接口、板卡、整机厂商，各个硬件环节相互认证，形成硬件合作生态；软件方面，从操作系统、编译器、java、.net 等基件软件到办公软件、视频软件等上层软件，都存在相互适配，形成紧密的软件生态。 cpu生态一旦形成，十分稳固。生态比技术更重要，历史上曾出现过一些性能优越的cpu产品，但都败于wintel生态。cpu生态一旦形成，就是寡头垄断格局，强者恒强。第三方厂商单靠商业手段很难打破竞争格局，只能依靠行政力量和足够大的内循环市场，才有可能成为新的世界级巨头。目前cpu行业由两大生态体系主导：一是基于 x86指令系统和 windows 操作系统的 wintel 体系；二是基于arm指令系统和android操作系统的aa体系。
FS9170原厂技术资料5A大电流输出DC双向马达驱动IC芯片电路SOP8
从哪些方面讨论机器学习的发展脉络？
施耐德电气发布“五大“碳中和服务成果
各种类型的电子线有什么不同，区别是什么
哪款入门级处理器性价比最高
CPU技术路线、分类及运行原理
5G将会引发工业互联网数据生产力产生变革
基于CW32的遥控循迹小车
LLM在各种情感分析任务中的表现如何
自动驾驶产业喜忧参半 造车企业能否“华丽转身”
可重入函数与不可重入函数分析
华为Mate30系列两大创新功能公布 侧边操控及隔空玩手机
交流电机的使用寿命 交流电机的使用场景
特斯拉强势来袭 中国造车新势力能守住市场吗
盟固利动力实现营业收入4.52亿元，净利润亏损千万
芯片小课堂 | 失效模式与FMEDA
浅谈振动加速度计的几方面性能
索尼启动人工智能无人机项目
物联网技术在花卉种植中的应用
热敏干簧继电器的工作原理和特性
1.1. cpu的定义和分类 cpu是计算机的运算和控制核心。cpu是中央处理器（central processing unit）的简称，是对计算机的所有硬件资源进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为cpu的操作。cpu 包括运算器、控制器、寄存器等模块。其中运算器和控制器是cpu的核心模块，前者负责进行各种算术和逻辑运算操作，后者为“决策机构”，主要任务就是发布命令，发挥着整个计算机系统操作的协调与指挥作用。
cpu按用途可分为桌面、服务器、移动端cpu和嵌入式cpu。桌面cpu主要应用于个人计算机（台式机、笔记本电脑）。服务器cpu主要用于服务器，对运算性能和稳定性要求更高。桌面和服务器cpu主要厂商为intel和amd。移动端cpu主要用于各种手机和平板中，对功耗、可靠性要求较高，主流的移动端cpu厂商主要有苹果、高通、联发科、华为和三星五家品牌。嵌入式cpu主要用于汽车电子、工业控制与自动化、智能电网等领域，对功耗、稳定性有较高要求。
cpu按照指令集可分为cisc（复杂指令集）和risc（精简指令集）两大类。cisc指令丰富、寻址方式灵活，以微程序控制器为核心，指令长度可变，功能强大，复杂程序执行效率高；risc指令结构简单、易于设计，具有较高的执行能效比。cisc型cpu目前主要有x86架构，主要应用于桌面和服务器领域，risc型cpu主要包括arm、alpha、mips、power、risc-v架构等，主要应用于移动终端、物联网领域和网关、机顶盒等网络设备中。
1.2. cpu的发展历史：走向高制程、多核、新ip之路 自1971年intel推出了世界上第一款微处理器4004至今，全球cpu的发展历程可以划分为四个阶段：性能提升阶段（1970-1990年）、应用扩展阶段（1990-2000年）、多元发展阶段（2000-2010年）、多核集成阶段（2010年-至今），在不同阶段cpu发展呈现出不同特点。
芯片工艺制程越来越高。在一定程度上，芯片工艺制程越小，单位面积内容纳的晶体管数量就越多，就可以构建更为复杂、性能强大的电路。同时，芯片工艺制程越小，电子元器件的功耗就越小。因此，随着芯片工艺制程提高，芯片集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。根据台积电官网数据，公司7nm finfet制程比10nm速度增快约20%，功耗降低约40%。
多核处理器的出现打破性能提升瓶颈。2005年cpu主频接近4ghz，单纯的主频提升已经无法明显提升系统整体性能，反而会导致cpu功耗急速上升。于是当年intel推出双核奔腾d和奔腾四至尊版840，amd也随后发布了双核皓龙和速龙64 x2处理器，经过十几年的强化升级，2023年intel将会推出代号为sierra forest的128核至强处理器，amd也将推出基于zen 4c微架构的128核处理器bergamo，多核已经成为提升cpu性能的重要手段。 ip降低cpu芯片设计难度。摩尔定律的经验表现为，芯片中晶体管数量呈现指数级上升趋势，同时，芯片构造的复杂度、设计难度、制造成本都显著增加，芯片设计公司难以单独完成芯片制作的全部流程，只能进行简单芯片设计。为了解决开发难度的问题，ip应运而生，芯片设计公司经常采用其他公司的ip以加快设计速度，不再从零做起，重复造轮子。arm公司的快速壮大就是ip商业模式跑通的重要证明。
1.3. cpu架构演进：arm大有可为 当前x86架构生态占据全球主要市场份额。微软公司和英特尔公司各自凭借自身规模效应和技术优势，使其产品windows和intel cpu占据了绝大部分市场份额，结成了“wintel”技术联盟。截至2022年9月4日，在intel的合作伙伴联盟中，包括了94家云和通信服务提供商、271家独立软件厂商、2940家原始设备制造商(oem)、88家服务集成商以及4479家解决方案提供商。是整个产业中最庞大、最完善、应用最广泛的处理器架构之一，具有极高的生态壁垒。
arm架构在高并发应用场景具有比较优势。arm处理器是英国acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款risc微处理器，全称为advanced risc machine。arm芯片比intel x86芯片具有更高的功率效率，并且功耗更低，性价比更高。以arm为代表的risc通用架构处理器在场景多样化计算时代具备明显的优势。例如在分布式数据库、大数据、web前端等高并发应用场景，单芯片核数更多的arm架构处理器相比传统处理器拥有更好的并发处理效率。
arm生态繁荣。在移动设备领域，arm架构有着压倒性的市场和技术优势，根据软银2017年世界大会的数据，arm在智能手机、调制解调器、车载信息设备、可穿戴设备等领域都占据统治地位。基于海量的市场空间，目前芯片领域的新工艺、新制程和新材料都率先在arm架构上得以实现。可以预见未来arm架构的cpu在并发性能、功耗、集成度等方面都会长期保持领先优势。
arm是最活跃的体系架构生态。对于一些不太活跃的cpu架构，发行版就慢慢减少支持，甚至有不再支持的风险，由此会给软件开发、移植部署等带来诸多困难。根据《从端到云基于飞腾平台的全栈解决方案白皮书》数据，linux内核对于几种cpu架构的维护活跃程度（选取较新的稳定版5.3.7内核，分别对比了六种cpu架构相关代码维护活跃程度）和代码维护活跃度，由高到底依次为arm64（1468次）、x86（1329次）、powerpc（879次）、mips（310次）、sparc（114次）和alpha（64次）。
西方也在转向采用arm架构。pc方面，在mercury research的2021年第四季度pc统计中，基于arm处理器的pc在所有pc总出货销量中的占比达到了9.5%的新高，同比增加了6.1pct，环比增加1.2pct。2020年苹果旗下macbook笔记本电脑、mac一体机和平板电脑配置的m1芯片表现出arm架构性能的潜力和低能耗优势。服务器领域，华为已经于2019年推出基于arm架构的鲲鹏920服务器芯片，性能对标intek至强8180。英伟达也在2020年推出了基于arm架构的grace服务器芯片。 信创事业发展可以更多利用arm。随着中美科技脱钩，cpu架构也会成为博弈的焦点。arm架构是未来芯片主流技术方向，目前芯片领域的新工艺、新制程和新材料都率先在arm架构上得以实现。可以预见未来arm架构的cpu在并发性能、功耗、集成度、场景多样化具备明显优势。西方由于原有技术路径拖累以及现有利益冲突，较难完全拥抱arm架构，中国从0到1选择布局arm架构，历史包袱较小，有望借助arm架构夺得cpu技术高地。
2. 高壁垒大赛道，寡头垄断格局
2.1. cpu市场规模庞大，海外寡头垄断 全球cpu市场较为稳定，疫情促进桌面cpu市场规模增加。cpu的重要应用领域包括桌面和服务器，在桌面领域，2015-2018年全球出货量增速呈现缓慢下降的趋势，但是整体出货量依然保持在2.6亿台/年左右。2019年开始全球桌面出货量出现回升，2020年疫情催生全球“线上化”浪潮，全球桌面出货量较前5年有较大增长，达到3.03亿台。在服务器领域，2020年全球服务器出货量达1,220万台，同比增长3.92%。
2020年国内桌面cpu出货量约5000万片，服务器cpu出货量约700万片。根据idc数据，2020年中国pc出货量为4910万台，x86服务器出货量为344万台。假设平均每台pc用1片cpu，服务器主要为双路服务器（配置2片服务器cpu），则2020年中国桌面cpu市场出货量约5000万片，服务器cpu市场出货量约700万片。
intel和amd两大巨头垄断全球cpu市场。x86为当前全球信息化类cpu的主流架构，根据mercury research数据2021年q3全球pc和服务器中，x86占比超过90%。intel和amd作为全球信息化类cpu中的两大巨头，在 2021年q4，intel占据全球x86总体市场的74%，amd占比为26%。2021年两大cpu巨头intel和amd营收合计超过900亿美元。根据我们测算，2021年cpu国产化率超过10%。
2.2. cpu市场的竞争要素：性能和生态 cpu技术迭代快速，全球cpu巨头保持高研发投入。cpu行业技术壁垒较高，处理器迭代速度快，intel和amd作为行业巨头平均每1-2年迭代一次，在指令集、ipc和缓存容量等方面实现创新突破。2015-2021年intel和amd研发费用率整体保持平稳，维持在20%上下。
cpu有多个性能衡量指标。主频，cpu的工作频率，主频越高，cpu的运算速度也就越快。核心数，指硬件上存在着几个核心单元，cpu所能处理的数据和任务越多。线程数，线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，支持越多线程代表可以同时处理更多任务。多一颗核心就像多一个人，而多一个线程就多一只手。缓存，缓存是cpu与内存之间的缓冲地，在一定程度上，缓存容量越大越好。
cpu生态包括硬件和软件。硬件方面，从指令集、ip核，到接口、板卡、整机厂商，各个硬件环节相互认证，形成硬件合作生态；软件方面，从操作系统、编译器、java、.net 等基件软件到办公软件、视频软件等上层软件，都存在相互适配，形成紧密的软件生态。 cpu生态一旦形成，十分稳固。生态比技术更重要，历史上曾出现过一些性能优越的cpu产品，但都败于wintel生态。cpu生态一旦形成，就是寡头垄断格局，强者恒强。第三方厂商单靠商业手段很难打破竞争格局，只能依靠行政力量和足够大的内循环市场，才有可能成为新的世界级巨头。目前cpu行业由两大生态体系主导：一是基于 x86指令系统和 windows 操作系统的 wintel 体系；二是基于arm指令系统和android操作系统的aa体系。
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