龍芯指令集，世界第三極

國產(chǎn)CPU自主化先行者，基于LoongArch 自研指令系統(tǒng)實現(xiàn)芯片性能突破，國產(chǎn)替代成效漸顯，GPT+信創(chuàng)加持驅(qū)動增長駛?cè)肟燔嚨馈?/p>

中央處理器（CentralProcessingUnit，簡稱 CPU）本質(zhì)是負責計算機運算和控制的超大規(guī)模集成電路。CPU 承擔耦合系統(tǒng)軟硬件資源的中樞作用：1）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；2）CPU 控制、調(diào)配所有硬件資源（如存儲器、輸入輸出單元），由控制單元實現(xiàn)指令讀取、指令譯碼，并通過運算單元執(zhí)行數(shù)據(jù)加載、計算和回存任務。

CPU 是信息產(chǎn)業(yè)算力底座，生態(tài)體系上下游高度協(xié)同。CPU 生態(tài)體系是硬件和軟件的結(jié)合，是產(chǎn)業(yè)上下游交互的產(chǎn)物。

指令系統(tǒng)是生態(tài)底層邏輯，可分為復雜指令集和精簡指令集。指令系統(tǒng)（ISA）屬于計算機中硬件與軟件的接口，可實現(xiàn)高級程序語言、匯編語言和機器語言的連接，最終編譯為 CPU 可執(zhí)行的簡單指令，按照指令復雜程度可分為復雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）。Intel 在 1978 年推出的 X86 架構(gòu)是目前唯一的 CISC，其指令復雜、性能卓越、功耗較大，產(chǎn)業(yè)生態(tài)龐大且完善；以 ARM、MIPS、RISC-V、LoongArch 架構(gòu)為代表的RISC 對指令集進行了高度優(yōu)化，具備結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、體積小、多核并行運算等優(yōu)勢，已全面覆蓋移動設備和嵌入式終端等應用場景。

微架構(gòu)是執(zhí)行指令集的物理電路設計，決定了芯片性能和自主創(chuàng)新程度。主流 ARM架構(gòu)授權(quán)模式分為三類：1）使用層級授權(quán)，僅限 IP 核嵌入終端；2）IP 核授權(quán)，以內(nèi)核為基礎延展外設；3）架構(gòu)層級授權(quán)，可對指令集進行擴展或縮減，并形成專向化的各類 IP核。X86 架構(gòu)相對封閉，目前架構(gòu)層級授權(quán)僅對 Intel 和 AMD 開放，目前國產(chǎn)廠商龍芯和申威分別基于 MIPS 和 Alpha 架構(gòu)開發(fā)出了完全自主創(chuàng)新的 LoongArch 和 SW 架構(gòu)。

CPU 行業(yè)由兩大生態(tài)體系主導：一是基于 X86 指令系統(tǒng)和 Windows 操作系統(tǒng)的Wintel 體系；二是基于 ARM 指令系統(tǒng)和 Android 操作系統(tǒng)的 AA 體系。PC 時代，以IBM 代表的軟硬一體化模式被英特爾和微軟所打破，二者在軟硬耦合的前提下，遵循“摩爾定律”和“安迪-比爾定律”滾動迭代，即計算芯片和存儲器每 18-24 個月實現(xiàn)硬件性能的翻倍，同時 Windows 操作系統(tǒng)凝聚海量開發(fā)者，軟件不斷升級支撐應用創(chuàng)新，最終構(gòu)成穩(wěn)固的生態(tài)壁壘。移動互聯(lián)網(wǎng)時代終端設備延續(xù)了 PC 發(fā)展規(guī)律，ARM 憑借其指令系統(tǒng)開源、異構(gòu)運算、可定制化等一系列優(yōu)勢，成功立足于低功耗的移動市場。

CPU 呈雙巨頭格局，國產(chǎn) CPU 市場份額較低。國際市場上主流的 CPU 公司都經(jīng)歷了長期的技術(shù)和市場積累，Intel 和 AMD 幾乎形成壟斷，國內(nèi)同行業(yè)的廠商仍處于成長階段，與國際主流廠商依舊存在技術(shù)差距。據(jù) PASSMARKSOFTWARE 統(tǒng)計，截至 2022Q4，以出貨量計算的整個 X86CPU 市場中，Intel 的市場份額為 62.8%，AMD 的市場份額為 35.2%。

新技術(shù)和新架構(gòu)為國產(chǎn) CPU 發(fā)展帶來良好契機，自主研發(fā)更有潛力。1）處理器性能升級趨勢放緩，國產(chǎn) CPU 來自制程、工藝方面的技術(shù)差距將逐步彌合，自研的微架構(gòu)層級和軟件生態(tài)上的創(chuàng)新或能成為國產(chǎn) CPU 性能實現(xiàn)彎道超車的關鍵變量。2）5G、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)加快落地，“萬物智聯(lián)”時代智能設備應用場景更趨于碎片化，對處理器產(chǎn)生專用定制化需求，結(jié)構(gòu)簡單的自主化開源指令系統(tǒng)（LoongArch、RISC-V）未來也將成為中小企業(yè)開發(fā)的重要選項，擺脫 Wintel 和 AA 生態(tài)的歷史包袱。

國產(chǎn) CPU 發(fā)展基于兩條主流路線：一是自主研發(fā)指令系統(tǒng)并構(gòu)建相應生態(tài)體系；二是經(jīng)已有 X86/AMD 架構(gòu)授權(quán)，加入相應主流體系。國產(chǎn) CPU 企業(yè)目前主要有 6 家，分別是龍芯中科、電科申泰、華為海思、飛騰信息、海光信息、上海兆芯。按采用的指令系統(tǒng)類型可大致分為三類：第一類包括龍芯中科和電科申泰，早期曾分別采用 MIPS 兼容的指令系統(tǒng)和類 Alpha 指令系統(tǒng)，現(xiàn)已分別自主研發(fā)指令系統(tǒng)。第二類包括華為海思和飛騰信息，采用 ARM 架構(gòu)層級授權(quán)，自主性較強。第三類包括海光信息和上海兆芯，采用 X86指令系統(tǒng)。目前國產(chǎn) CPU 企業(yè)在指令系統(tǒng)、微架構(gòu)和基礎生態(tài)上實現(xiàn)了不同層次的自主創(chuàng)新，其中龍芯中科和電科申泰自主性最高。

國產(chǎn) CPU 廠商業(yè)務集中在黨政和重點行業(yè)市場。國內(nèi) CPU 市場主要分為三類：政務及重點行業(yè)市場、企業(yè)級市場以及消費級市場。政務及重點行業(yè)市場對安全性和定制化的要求最高，對產(chǎn)業(yè)生態(tài)的要求較低，與國產(chǎn) CPU 當前的發(fā)展現(xiàn)狀契合，是近期國產(chǎn) CPU的核心市場。企業(yè)級市場對產(chǎn)業(yè)生態(tài)的要求高于政務但低于消費級市場，是國產(chǎn) CPU 未來重要的增量市場。消費級市場對產(chǎn)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(chǎn) CPU 長期需突破的目標市場。

推出的自主指令集 LoongArch 遷移或研發(fā)操作系統(tǒng)的核心模塊，包括內(nèi)核、三大編譯器（GCC、LLVM、GoLang）、三大虛擬機（Java、JavaScript、.NET）、瀏覽器、媒體播放器、KVM 虛擬機等，形成了自主 CPU 研發(fā)和軟件生態(tài)建設的體系化關鍵核心技術(shù)積累。堅持自主研發(fā)核心IP，形成了包括系列化 CPUIP 核、GPUIP 核、內(nèi)存控制器及 PHY、高速總線控制器及PHY 等上百種 IP 核，取得 400 余項專利，是國內(nèi) CPU 企業(yè)中極個別可進行指令系統(tǒng)架構(gòu)及 CPUIP 核授權(quán)的企業(yè)。通過設計優(yōu)化和先進工藝提升性能，擺脫對最先進工藝的依賴，通過自主設計 IP 核，克服境內(nèi)工藝 IP 核不足的短板。目前與公司開展合作的廠商達到數(shù)千家，下游開發(fā)人員達到數(shù)十萬人，基于龍芯處理器的自主信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系正在逐步形成。

基于 LoongArch 指令系統(tǒng)的 CPU 產(chǎn)品性能有效突破。根據(jù)工業(yè)和信息化部下屬測試機構(gòu)提供的說明，公司的 3A5000 芯片在國產(chǎn)同類桌面 CPU 中處于性能領先水平。與采用相同工藝節(jié)點的同類產(chǎn)品相比，3A5000 在 SPECCPU 整型/浮點單核性能、Unixbench 單線程測試分值等各項性能參數(shù)方面占優(yōu)，與采用領先 3A5000 兩個工藝代制程的 ARM 架構(gòu)桌面產(chǎn)品性能相當。作為一款四核 CPU，3A5000 的 Unixbench 多線程測試分值甚至超過采用X86 和 ARM 架構(gòu)的相同工藝節(jié)點的可比公司八核桌面產(chǎn)品。