龍芯指令集，世界第三極

國(guó)產(chǎn)CPU自主化先行者，基于LoongArch 自研指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)芯片性能突破，國(guó)產(chǎn)替代成效漸顯，GPT+信創(chuàng)加持驅(qū)動(dòng)增長(zhǎng)駛?cè)肟燔?chē)道。

中央處理器（CentralProcessingUnit，簡(jiǎn)稱(chēng) CPU）本質(zhì)是負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)運(yùn)算和控制的超大規(guī)模集成電路。CPU 承擔(dān)耦合系統(tǒng)軟硬件資源的中樞作用：1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有軟件層的操作，最終都將通過(guò)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(chǔ)器、輸入輸出單元），由控制單元實(shí)現(xiàn)指令讀取、指令譯碼，并通過(guò)運(yùn)算單元執(zhí)行數(shù)據(jù)加載、計(jì)算和回存任務(wù)。

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(fù)雜指令集和精簡(jiǎn)指令集。指令系統(tǒng)（ISA）屬于計(jì)算機(jī)中硬件與軟件的接口，可實(shí)現(xiàn)高級(jí)程序語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言的連接，最終編譯為 CPU 可執(zhí)行的簡(jiǎn)單指令，按照指令復(fù)雜程度可分為復(fù)雜指令集（CISC）和精簡(jiǎn)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(fù)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(duì)指令集進(jìn)行了高度優(yōu)化，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、體積小、多核并行運(yùn)算等優(yōu)勢(shì)，已全面覆蓋移動(dòng)設(shè)備和嵌入式終端等應(yīng)用場(chǎng)景。

微架構(gòu)是執(zhí)行指令集的物理電路設(shè)計(jì)，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(lèi)：1）使用層級(jí)授權(quán)，僅限 IP 核嵌入終端；2）IP 核授權(quán)，以?xún)?nèi)核為基礎(chǔ)延展外設(shè)；3）架構(gòu)層級(jí)授權(quán)，可對(duì)指令集進(jìn)行擴(kuò)展或縮減，并形成專(zhuān)向化的各類(lèi) IP核。X86 架構(gòu)相對(duì)封閉，目前架構(gòu)層級(jí)授權(quán)僅對(duì) Intel 和 AMD 開(kāi)放，目前國(guó)產(chǎn)廠商龍芯和申威分別基于 MIPS 和 Alpha 架構(gòu)開(kāi)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(dǎo)：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(shí)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(dòng)迭代，即計(jì)算芯片和存儲(chǔ)器每 18-24 個(gè)月實(shí)現(xiàn)硬件性能的翻倍，同時(shí) Windows 操作系統(tǒng)凝聚海量開(kāi)發(fā)者，軟件不斷升級(jí)支撐應(yīng)用創(chuàng)新，最終構(gòu)成穩(wěn)固的生態(tài)壁壘。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代終端設(shè)備延續(xù)了 PC 發(fā)展規(guī)律，ARM 憑借其指令系統(tǒng)開(kāi)源、異構(gòu)運(yùn)算、可定制化等一系列優(yōu)勢(shì)，成功立足于低功耗的移動(dòng)市場(chǎng)。

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

新技術(shù)和新架構(gòu)為國(guó)產(chǎn) CPU 發(fā)展帶來(lái)良好契機(jī)，自主研發(fā)更有潛力。1）處理器性能升級(jí)趨勢(shì)放緩，國(guó)產(chǎn) CPU 來(lái)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(jí)和軟件生態(tài)上的創(chuàng)新或能成為國(guó)產(chǎn) CPU 性能實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)的關(guān)鍵變量。2）5G、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)加快落地，“萬(wàn)物智聯(lián)”時(shí)代智能設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景更趨于碎片化，對(duì)處理器產(chǎn)生專(zhuān)用定制化需求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的自主化開(kāi)源指令系統(tǒng)（LoongArch、RISC-V）未來(lái)也將成為中小企業(yè)開(kāi)發(fā)的重要選項(xiàng)，擺脫 Wintel 和 AA 生態(tài)的歷史包袱。

國(guó)產(chǎn) CPU 發(fā)展基于兩條主流路線(xiàn)：一是自主研發(fā)指令系統(tǒng)并構(gòu)建相應(yīng)生態(tài)體系；二是經(jīng)已有 X86/AMD 架構(gòu)授權(quán)，加入相應(yīng)主流體系。國(guó)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(lèi)型可大致分為三類(lèi)：第一類(lèi)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(lèi) Alpha 指令系統(tǒng)，現(xiàn)已分別自主研發(fā)指令系統(tǒng)。第二類(lèi)包括華為海思和飛騰信息，采用 ARM 架構(gòu)層級(jí)授權(quán)，自主性較強(qiáng)。第三類(lèi)包括海光信息和上海兆芯，采用 X86指令系統(tǒng)。目前國(guó)產(chǎn) CPU 企業(yè)在指令系統(tǒng)、微架構(gòu)和基礎(chǔ)生態(tài)上實(shí)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(guó)產(chǎn) CPU 廠商業(yè)務(wù)集中在黨政和重點(diǎn)行業(yè)市場(chǎng)。國(guó)內(nèi) CPU 市場(chǎng)主要分為三類(lèi)：政務(wù)及重點(diǎn)行業(yè)市場(chǎng)、企業(yè)級(jí)市場(chǎng)以及消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)。政務(wù)及重點(diǎn)行業(yè)市場(chǎng)對(duì)安全性和定制化的要求最高，對(duì)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的要求較低，與國(guó)產(chǎn) CPU 當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀契合，是近期國(guó)產(chǎn) CPU的核心市場(chǎng)。企業(yè)級(jí)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的要求高于政務(wù)但低于消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，是國(guó)產(chǎn) CPU 未來(lái)重要的增量市場(chǎng)。消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的要求最高，對(duì)性?xún)r(jià)比較為敏感，迭代周期短，是國(guó)產(chǎn) CPU 長(zhǎng)期需突破的目標(biāo)市場(chǎng)。

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(jī)（Java、JavaScript、.NET）、瀏覽器、媒體播放器、KVM 虛擬機(jī)等，形成了自主 CPU 研發(fā)和軟件生態(tài)建設(shè)的體系化關(guān)鍵核心技術(shù)積累。堅(jiān)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(xiàn)控制器及PHY 等上百種 IP 核，取得 400 余項(xiàng)專(zhuān)利，是國(guó)內(nèi) CPU 企業(yè)中極個(gè)別可進(jìn)行指令系統(tǒng)架構(gòu)及 CPUIP 核授權(quán)的企業(yè)。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化和先進(jìn)工藝提升性能，擺脫對(duì)最先進(jìn)工藝的依賴(lài)，通過(guò)自主設(shè)計(jì) IP 核，克服境內(nèi)工藝 IP 核不足的短板。目前與公司開(kāi)展合作的廠商達(dá)到數(shù)千家，下游開(kāi)發(fā)人員達(dá)到數(shù)十萬(wàn)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(cè)試機(jī)構(gòu)提供的說(shuō)明，公司的 3A5000 芯片在國(guó)產(chǎn)同類(lèi)桌面 CPU 中處于性能領(lǐng)先水平。與采用相同工藝節(jié)點(diǎn)的同類(lèi)產(chǎn)品相比，3A5000 在 SPECCPU 整型/浮點(diǎn)單核性能、Unixbench 單線(xiàn)程測(cè)試分值等各項(xiàng)性能參數(shù)方面占優(yōu)，與采用領(lǐng)先 3A5000 兩個(gè)工藝代制程的 ARM 架構(gòu)桌面產(chǎn)品性能相當(dāng)。作為一款四核 CPU，3A5000 的 Unixbench 多線(xiàn)程測(cè)試分值甚至超過(guò)采用X86 和 ARM 架構(gòu)的相同工藝節(jié)點(diǎn)的可比公司八核桌面產(chǎn)品。