什么采用多核技术制程制造(半导体CPU行业专题报告：云程发轫，国产崛起)

（报告出品方/作者：长江证券，宗建树，余庚宗，胡世煜，方子箫）

CPU：计算机系统核心，国产化势在必行

集成电路产业覆盖广泛，具体包括CPU、GPU、半导体存储器、模拟IC等细分领域，本文将主要聚焦于CPU行业。对于IT产业而言，CPU是系统核心，在我国科技自立背景下，国产化势在必行。

核心价值：CPU是计算机运算与控制的核心

中央处理器（centralprocessingunit，简称CPU）作为计算机的运算与控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。在计算机体系中，CPU主要用于执行计算机指令和处理计算机软件中的数据，并负责对计算机的所有软硬件资源进行控制调配。从内部结构来看，CPU包括控制单元、运算单元、存储单元、内部数据总线、控制总线以及状态总线输入/输出接口等模块。其中，控制单元作为CPU的控制中心，负责提取指令，将存储器中的数据发送至运算单元并将运算后的结果存回到存储器中。运算单元负责进行运算和测试，执行来自控制单元的命令。存储单元负责暂时存储CPU中的数据，以便提高CPU的运算速率。

CPU的工作过程可分为读取指令、指令译码、执行指令以及指令计数四步。读取指令：控制单元从内存（代码段）提取一条指令，并放入指令寄存器中；指令译码：指令寄存器对指令进行译码，明确该指令的具体操作（即指令中的操作码）以及操作数位置（即指令中的操作数地址）；执行指令：CPU通过寻址操作，从内存（数据段）中读取操作数，并暂存在通用寄存器中。然后由运算单元按照指令中的操作码，对寄存器中的操作数进行mov、add、jmp等运算操作；指令计数：修改指令计数器，执行下一条指令。不断重复上述4步，内存（代码段）的指令数将越来越少，直至整个程序执行完毕。

按照指令集类型不同，CPU可分为复杂指令集（CISC）与精简指令集（RISC）两类。指令集是指存储于CPU内部，用于引导CPU进行加减运算和控制计算机操作系统的一系列指令集合。作为计算机硬件和软件之间的接口，指令集直接关系到CPU的性能表现。以指令集为标准，CPU可分为CISC与RISC两类，其中CISC型CPU主要以X86架构为主，而RISC型主要包括ARM、MIPS、Alpha、POWER等架构。

复杂指令集（CISC）：CISC是一种微处理器指令集架构，程序中的各条指令按顺序串行排列，每条指令可执行若干低端操作，例如存储读取、算法运行和记忆存储。该架构优点在于指令丰富、寻址方式灵活、控制简单、复杂程序执行效率高，缺点则包括计算机各部分的利用率不高、执行速度慢、指令较为复杂等。目前，CISC主要以X86架构为主，代表性厂商为Intel、AMD等，广泛应用于服务器、桌面电脑等场景。

简单指令集（RISC）：相较CISC，RISC采用小型、高度优化的指令集，指令结构简单、易于设计，产品性能虽弱于CISC，但具有较高的执行能效比，成本也相对较低。同时，RISC采用的是等长指令集，可通过多流水线方式提高运行效率，在并行处理方面优于CISC。目前，RISC主要包括ARM、MIPS、Alpha以及POWER架构，其中ARM架构最具代表性，广泛应用于手机、平板等移动终端。

按照应用领域，CPU可分为通用微处理器（MPU）、微控制器（MCU）和专用处理器三类，本文的研究分析主要围绕通用微处理器（MPU）展开。?通用微处理器（MPU）：MPU通常代表一类功能强大、但不为任何已有特定计算目的而设计的通用型芯片，可以视作功能增强版的CPU。MPU更注重通过强大的运算、处理能力，执行复杂多样的大型程序，一般被用作个人计算机和高端工作站的核心CPU。

微控制器（MCU）：MCU是一种控制类应用的低性能、低功耗CPU，是将CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口等组件都集成在单一芯片上，进而形成的芯片级计算机，该类芯片的主频一般低于100MHz。当前，MCU已广泛应用于智能制造、工业控制、智能家居、遥控器、汽车电子、工业上的步进马达以及机器手臂控制等场景。专用处理器：一类面向某一领域实现特定功能的芯片。以数字信号处理器（DSP）为例，DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，适用于数字信号处理等专用计算场景，不会像MPU一样运行通用的操作系统。DSP在数字控制、运动控制方面的应用主要有磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控制、马达控制等。除了DSP以外，其他专用处理器还包括深度学习处理器、数据库加速处理器、安全处理器、类脑计算芯片等。

发展历程：从产品落地到多核技术、集成化迅速发展

自1971年Intel推出第一台微处理器以来，全球CPU产业先后经历了四个发展阶段。第一阶段（1971-1991年）：CPU首次落地，计算性能持续提升。1971年，Intel推出了世界上第一台微处理器4004，拉开了全球CPU产业的发展帷幕。在随后的十年中，Intel公司的新款芯片i8086、8088、80286陆续问世，计算性能持续提升。1985年，MIPS发布了第一代基于MIPS架构的处理器，同年第一颗ARM处理器也成功诞生，标志着现代RISC处理器正式登上历史舞台。

第二阶段（1992-2000年）：多媒体及个人应用出现。1992年，Intel发布了第五代处理器Pentium，该款CPU能够让电脑更加轻松地整合声音、笔记以及图片等多媒体数据。1996年，Intel推出奔腾MMX，其中MMX是Intel在音箱、图形和通信应用方面采取的新技术，可帮助多媒体处理能力提升60%左右。在此之后，Intel又陆续发布了奔腾II、奔腾III以及奔腾4，产品迭代迅速。

第三阶段（2001-2009年）：多元化发展。2001年，Intel发布至强处理器，主要面向高性能和中端双路工作站，以及双路和多路配置的服务器。2003年，AMD推出64位X86架构的微处理器，凭借良好的兼容性生态，取代了Intel推出的EPIC指令集，成为后续市场主流标准。2004年，ARM发布了ARMV7架构的Cortex系列处理器，同时推出Cortex-M3。2005年，Intel推出首颗内含2个处理核心的处理器PentiumD，正式揭开X86处理器的多核心时代。2006年，Intel发布新一代基于Core微架构的酷睿2，涵盖服务器版、桌面版、移动版三大领域，彰显多元化发展态势。

第四阶段（2010年至今）：多核技术迭代迅速，CPU集成化更高。Intel方面，2010年，Intel面向全球发布最新的革命性产品，基于32nm制程的i7、i5、i3处理器。2017年，Intel推出第七代酷睿处理器i7、i5、i3，工艺制程进步至14nm。2018年，Intel又推出了第八代酷睿处理器i7、i5、i3，同时i9处理器也首次亮相，该处理器包含8个内核，单核频率高达5.0GHz。至2021年，Intel发布第三代至强可扩展处理器IceLake，采用10nm+工艺，内核数最高可达28个，工艺制程、内核性能与核数均有明显进步。

AMD方面，2011年，AMD推出了一款革命性产品APU，APU芯片由CPU、GPU集合而成，推动了CPU的集成化发展。与Intel类似，AMD的Ryzen、EPYC系列CPU也在工艺制程、内核性能与核数等维度迅速迭代。到2022年，公司发布了基于Zen3架构、7nm工艺的第三代EPYC处理器，未来将向Zen4/Zen5架构以及5nm工艺发展。

产业定位：战略地位至关重要，自主可控势在必行

CPU产业链主要由上游支撑环节、中游生产环节以及下游应用环节构成。中游芯片设计商、制造商通过向上游支撑环节采购软硬件工具、材料来实现芯片生产，并向下游广大客户群体进行销售。上游支撑环节主要影响供给成本，下游应用环节决定行业需求。上游支撑环节：主要包括EDA软件、IP、半导体设备、半导体材料。半导体设备可分为光刻机、刻蚀机、离子注入设备、薄膜沉积设备、抛光设备、封装设备以及清洗设备等，半导体材料则包括硅片、光刻胶、光掩模、电子特种气体、封装材料等。其中，光刻机是核心生产设备，而高纯度硅片、光刻胶等是核心原材料。

中游生产环节：主要由CPU设计、CPU制造、封装测试组成。其中，CPU设计是指将系统、功能与性能的具体要求转化为物理版图；CPU制造是指在准备好的晶圆材料上按照物理版图构建完整电路的过程；封装测试的具体过程是对合格晶圆进行切割、焊接、封装，使芯片电路与外部器件实现连接，并对封装完毕的芯片进行功能和性能测试。下游应用环节：CPU芯片现已广泛应用于通讯设备、人工智能、汽车电子、电力电子、物联网、医疗等行业领域。

集成电路支撑着全球数十万亿美元的数字经济产业，战略地位十分重要。据WSTS统计，2021年全球集成电路产业的市场规模为4630亿美元，超过4000亿美元大关。除了集成电路行业本身以外，作为全球科技产业的重要支柱，集成电路产业直接影响下游价值数万亿美元的电子信息产业，并间接支撑了数十万亿美元数字经济产业，战略地位十分重要。随着数字经济的持续发展，数据处理量逐渐增大，集成电路产业仍将持续高速增长。

CPU作为集成电路产业的重要产品，竞争壁垒深厚，自主可控势在必行。不同于其他行业，集成电路属于资金密集型和技术密集型产业，行业壁垒深厚，企业需要同时具备较强的技术攻关、渠道开辟、生态整合能力。过去几十年来，我国在集成电路领域主要秉承“造不如买”的发展模式，产业基础相对薄弱，国外厂商在CPU、GPU、FPGA、存储芯片、射频芯片等领域占据着主要的市场份额。以CPU为例，目前中国CPU产业主要由Intel、AMD两大巨头主导，本土厂商的市占率相对较低。近年来，随着中美科技博弈持续升级，CPU作为集成电路产业的重要产品，一直是美国开展科技制裁的有力抓手，华为海思、海光信息、天津飞腾等厂商均受到了较大波及。为避免美国对中国的科技掣肘，CPU产业的自主可控势在必行。

全球市场：总规模稳步增长，行业双寡头垄断

2020年全球微处理器市场恢复明显，同比增速高达12.1%。从IC产业细分环节来看，在新冠疫情笼罩全球的背景下，出于访问互联网与云计算的需要，人们对便捷式电脑与大屏智能手机的需求大幅提升，进而拉动了全球微处理器市场的销售增长。据ICSights统计，2020年全球微处理器行业的市场规模为877亿美元，同比增长12.1%，创下历史新高。预计2023年市场规模将达到1083亿美元，2020-2023年均增速为7.3%，整体保持稳步增长。

量价齐升驱动全球微处理器市场持续成长。从出货量来看，据ICSights统计，2020年全球微处理器出货量为21.75亿台，2023年有望增长至24.29亿台，持续保持增长态势。从平均价格来看，随着下游应用的不断拓展，全球微处理器的平均价格也将保持上升态势，2020年平均价格为40.31美元/台，2023年预计将达到44.60美元/台。全球微处理器行业的量价齐升有望为市场规模的稳步增长提供有力支撑。

CPU贡献规模438亿美元，在微处理器市场占比最大。分产品来看，据ICSights统计，2020年CPU产品的市场规模为438亿美元，占比50%，对微处理器市场贡献最大，2015-2020年CAGR为3.8%；嵌入式处理器产品贡献规模172亿美元，占比20%，2015-2020年CAGR为16.3%，市场增速最快；手机