計算平臺創新是各行各業數字化轉型的基礎。近十幾年互聯網產業的發展以及物聯網終端的爆發式增長，均清晰地驗證了一個事實，不同應用類型、不同發展階段，對計算能力提出挑戰和需求是不同的。計算平臺的創新，既是數字化轉型的基礎，又是各類應用創新的底座。
目前，我國正在通過一系列政策加碼數字經濟建設，十四五規劃、十四五數字經濟發展規劃、東數西算工程等，均為數字經濟發展做出了政策指引，2022年有望成為數字建設加速年。
從產業發展角度而言，數字經濟需要堅實的算力底座。據IDC 報告，2018年，中國約產生7.6ZB的數據，到2025年將增至48.6ZB，龐大的數據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展，再結合供應鏈安全、自主可控等發展方向，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）作為信息產業中最基礎的核心部件，是信息處理、程序運行的最終執行單元，其設計技術門檻高、研發周期長，具有極高的生態壁壘，其國產化具有重要的戰略意義。
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級功能，可以用于各種系統的嵌入式處理，如網絡設備、計算機外設、醫療和工業設備、汽車、電視、機頂盒、視頻游戲機、可穿戴產品和物聯網應用等。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作為計算機系統的核心和“大腦”，堪稱國之重器，其自主創新是實現安全可控的核心。近年來，在國家集成電路產業政策和大基金投資等多重措施支持下，在云計算、大數據、物聯網等產業的推動下，一批CPU設計企業逐漸成長起來。
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、執行通用運算的核心硬件單元；同時，計算機系統中所有軟件層的操作，最終都將通過指令系統映射為CPU的操作。
從硬件層面，CPU中的硬件系統主要是為了實現每一條指令的功能，解決指令之間的連接關系，因此指令系統是計算機硬件的語言系統，它決定了計算機的基本功能。而指令系統需要通過處理器核進行實現，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，軟件是由按一定規則組織起來的許多條指令組成，完成一定的數據運算或者事 務處理功能。而操作系統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的支持才能運行；只有具備操作系統等關鍵基礎軟件的開發能力，才能為搭建全新的基于該指令系統的應用軟件生態提供支撐。
綜上，CPU生態包含軟硬件兩個方面，從指令系統出發，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、編譯器、Java、.NET 等基礎軟件，最終實現應用于政企、教育、能源、交通等不同領域的應用軟件。CPU生態體系是硬件和軟件的結合，是產業上下游交互的產物，因此生態壁壘一旦建立便是長期穩定牢固的。x86處理器起步較早，生態較其他處理器具有明顯優勢，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，按采用的指令系統類型可大致分為三類：海光和兆芯采用x86指令系統; 華為海思和飛騰，基于Arm指令系統進行自研開發優化；龍芯中科和成都申威，分別基于MIPS兼容的指令系統和類Alpha指令系統，進行自研開發優化。
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分布情況較為一致，主要分布于華北、華南、華東、西南等地區，因各地良好的業態布局，以及各自的成立和發展的背景，形成了當前的分布態勢。
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、企業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，對安全性和定制化的要求遠高于消費級市場，對產業生態的要求相對較低，非常契合國產CPU當前的發展現狀，因此也是目前國產CPU的核心市場。
企業級市場對產業生態的要求，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。
消費級市場對產業生態的要求最高，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生態方面還有較大的差距，還需要重點彌補。
根據海光招股說明書，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；而互聯網、教育等行業銷售則有所減少。這也進一步驗證，未來幾年，企業級市場、行業客戶有望成為主力。
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的信息產品已經得到批量應用，重點行業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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國內服務器市場規模
服務器作為社會集中算力的主要供應力量，全社會數據量的提升以及數字經濟的發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，服務器作為數據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有序發展，發展國產芯片勢在必行。再從產品可用性上來看。2020-2021年信創項目落地，國產服務器在黨政機關及部分行業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實和差距。國內服務器領域，根據IDC數據，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、工業互聯網、大數據中心、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，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Intel、AMD等領先企業的公開信息，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集成創新、先進制造工藝和先進封裝水平提升、面向典型行業應用的設計優化等技術手段來實現。主要的技術趨勢包括：
單個處理器的核心性能仍將持續提升，主要技術包括：同時多線程、訪存優化、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，芯片集成度持續提高，通過微結構創新來提高處理器單個核心性能越來越重要。
處理器核心數逐步增加，I/O性能持續提升。利用SoC技術設計CPU芯片，可以降低整機系統設計難度和控制系統整體成本。
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展來看，將走向多種計算架構并存的方向，應對端邊云協同、海量多樣化數據智能處理、實時分析等需求。
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國產CPU發展挑戰
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。
生態壁壘
CPU 產品需要研發配套的基礎軟件，包括如BIOS、編譯系統、操作系統、虛擬機等配套軟件支持。不同CPU指令系統的操作系統、應用軟件之間形成了獨立的生態體系，不同生態體系承載的軟件生態的應用數量、類型和豐富程度迥異，從而構成軟件生態壁壘。
資金和規模壁壘
集成電路產品必須達到一定的資金規模與業務規模，才能通過規模效應獲得生存和發展的空間。由于CPU設計研發周期長及成功的不確定性大，資金和規模成為行業的重要壁壘。
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投入才能形成高水平成果，而行業內具有豐富經驗的高端技術人才相對稀缺，且較多集中在少數頭部企業中，因此，人才成為新興企業的重要壁壘。
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需求的爆發式增長，MPU市場水漲船高。
據IC Insights 數據，嵌入式微處理器市場規模已由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，以追蹤智能物聯網需求拉動下，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。在發展初期，由于嵌入式系統功能較為單一，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，以減少系統體積和功耗。
隨著半導體技術和智能硬件的迅猛發展，以及終端應用對性能要求的提高，傳統MPU向多功能、高性能、低功耗的SoC集成化方向發展，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，經歷了智能終端設備功能和性能上的階躍式發展。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、車載信息娛樂系統等）、智能音箱、掃地機器人，再到智能安防系統等，MPU實現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已經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廠商多數成立較早，經過十幾年甚至二十幾年的發展，在多媒體設備、移動終端、智能家居等設備的關鍵發展節點，共同推動了產業的發展，且各自形成了技術經驗的積累和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傳輸，主要提供直播服務；OTT機頂盒通過公共互聯網傳輸，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絡連接、數字信號處理、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
智能視頻監控場景應用中，網絡攝像機對模擬攝像機的替換已成趨勢。智能視頻監控系統中的DVR（硬盤錄像機）、IPC（網絡攝像機）、NVR（網絡視頻錄像機）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模
（單位：億元)
來源：智研咨詢
據智研咨詢數據，2020 年中國智能安防產業市場規模為 2965 億元，到2026 年，產業規模將達到 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安防、交通安全、工程建設等不同領域。安防產業從重點關注社會治安等傳統安防領域向泛安防應用發展。
智能家居
據IDC數據，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、家庭安全監控以及智能照明出貨量較去年同期實現了增長。
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，智能家居將呈現多品類高速增長的態勢，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，未來將繼續向更高的集成度、更低的功耗、更高的性能持續演進，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，也有越來越多的創業公司加入這一賽道。
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，也使得這個行業競爭者眾多。不過，上述MPU廠商經過多年的發展，研發實力較為雄厚，在某一個或某幾個細分領域，已經形成了全面的技術優勢，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勢，未來研發投向主要為 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，從戰略意義、供應鏈安全、自給自足的集成電路發展規劃等角度而言，這些芯片的國產化都具有重要意義。
在數字經濟背景下，加強通用處理器研發、在高端芯片領域持續突破，是國產半導體產業發展的關鍵。未來，面對新興應用提出的云邊端協同計算，海量多樣化數據智能處理、實時分析等計算需求，計算產業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生態，開拓萬億級藍海市場。
