上车吧，国产CPU

"来吧，奔腾电脑，让他们代替我思考."

1999年，朴树在《新少年》中唱出这句歌词的时候，x86架构芯片正在进行一场华丽的蜕变有了Wintel组合，个人电脑飞入寻常百姓家，2021年，当房东的猫乐队翻唱这首歌的时候，电脑已经不再是人们看世界的主要窗口，x86架构也遇到了它宿命的对手:Arm

CPU是最重要的数字芯片在过去的十年里，基于Arm架构的CPU席卷了智能手机市场，逐渐蚕食了传统台式电脑市场，在服务器电脑市场也步步紧逼如今Arm指令集在芯片国产化运动中的潜力也吸引了大量资本进入市场，让这一轮半导体盛宴火了一把

用x86 Arm，共享世界。

作为所有现代计算系统不可或缺的大脑，今天的单个CPU可以拥有多个处理核心，数百亿个晶体管，最好的工作负载类型就是串行计算其强大的通用性还可以指挥全局操作，控制和分配所有的计算机硬件资源，解释计算机指令和处理计算机软件中的数据因此，它可以处理从系统启动，生产力应用程序到密码学和人工智能等高级工作负载的所有事情

根据指令集的不同，CPU分为不同的流派所谓指令集，是指一套硬件和软件的标准规范CPU芯片和软件应用将围绕这一规范进行设计，它可以理解为指导和优化CPU操作的硬程序通常指令集分为两种架构，即复杂指令集CISC和精简指令集RISC

指令集的开头是Intel自1971年Intel推出第一款完全集成到单芯片上的商用微处理器4004以来，CPU和指令集已经发展了近50年

在CPU 50年的历史中，经历了制表，果壳硬技术四个阶段。

在过去的50年里，出现了许多指令集，但一些参与者要么由盛转衰，逐渐淡出市场，要么刚刚起步，却无法担当重任桌面，移动，服务器对CPU性能要求很高目前以Intel，AMD为代表的x86指令集占大部分份额，Arm指令集占很小份额

注:x86的由来——早期Intel的处理器都是以86结尾的，包括Intel 8086，80186，80286，80386，80486，所以被称为x86。

市场上的主流指令集，制表和外壳硬技术

国产CPU依赖进口，服务器对CPU性能和数量的需求最大其中，英特尔和AMD占据了2021年中国服务器CPU出货量的94%以上

最喜欢的手臂

Arm诞生之初只用于手机，后来凭借低功耗的优势占领了嵌入式和汽车领域如今，无处不在的Arm芯片累计出货量已经超过2250亿

最近几年来，原本活跃在移动设备和嵌入式系统领域的Arm大量进入桌面，移动和服务器CPU领域苹果和亚马逊是这股愈演愈烈的风背后的推手

Arm架构生态越来越大，源头是太平洋证券。

苹果有能力引领行业，数次改变指令集颠覆了桌面和移动PC市场。

1994年，苹果将Mac从摩托罗拉68000转移到PowerPC，PowerPC是苹果，IBM和摩托罗拉共同创建的指令集。一段时间以来，PowerPC取得了巨大的成功，比如索尼的PlayStation3，任天堂的Wii和Wii U，微软的Xbox 360都搭载了PowerPC处理器，

2005年，苹果转向英特尔的x86处理器当时乔布斯想和其他电脑OEM厂商争夺更多市场，所以他使用了和对手一样的指令集，让用户安装对手的操作系统，从而挖墙脚

2020年，风向又变了苹果弃用x86，转用自研Arm SoC一时间，业界和媒体都认为苹果可能会引领新十年的潮流

自从苹果抛弃x86，推出M1之后，把Arm带得如火如荼，整个市场火药味十足，让x86疑神疑鬼Geekbench 5测试成绩显示，2020款13英寸MacBook Pro单核比2019款15英寸MacBook Pro快70%，多核快50%，M1只有8个线程，而i7—9750H有12个线程

也有一些不同的测试结果Cinebench R23测试表明，英特尔CPU的单核性能优于M1，但多核性能仍逊于M1M1产品上市后，英特尔匆忙分享了一组数据证明自家产品优势更大，但当时并没有兴风作浪

之后苹果推出了M1 Pro，M1 Max，M1 Ultra，Arm芯片势头越来越猛。

2022年WWDC期间，苹果推出M2芯片，采用TSMC第二代5nm工艺，集成超过200亿个晶体管，比M1的CPU速度快18%苹果成功设计生产这种芯片的关键是Arm

虽然业内批评苹果炒作的声音越来越多，而且即使苹果的数据确实有些夸张，但不得不说苹果芯片的真机效果还是相当不错的，而且显示了Arm在桌面和移动PC的能力。

作为不折不扣的Arm派，亚马逊在服务器领域力推Arm芯片2018年以来，首次推出基于Arm的AWS Graveton云处理器，向云计算市场展示了Arm IP的优势

此外，谷歌，微软等大公司也开发了自己的Arm云处理器。

专门做Arm架构服务器CPU的公司Ampere曾经告诉笔者，x86推出很久了，在市场上应用了几十年其设计初衷和应用场景都是非云服务，这是x86最大的劣势在过去的一二十年里，由于市场上缺乏更好的选择，x86也会用于云业务未来Arm在数据中心会越来越重要

Arm的这种越来越高的地位体现在各种CPU领域，这也是国内势力大举进入Arm市场背后的逻辑。

于是，各种资本进入市场，国内Arm架构CPU公司迎来了遍地是钱的时代。

国产Arm架构CPU融资潮

多年来，我国市场上的CPU都是进口的，不仅存在木马，漏洞，后门等安全隐患，还可能被监控在经历了震网，棱镜门以及各种制裁之后，国产CPU的出路只有一条:自主可控发展

但作为人造的巅峰，CPU的打造很难一个成功的CPU不仅需要高投入，还涉及到一个全链条:一方面，高性能CPU是高精尖的，是典型的人才，资金，技术密集型产业，另一方面，做一个芯片并不意味着结束，还需要建立一个完整的产业生态没有硬件和软件的支持，一个芯片是没有用的

如果要造CPU，首先要有指令集。国内厂商有三条路:

获得IP内核授权:相当于买半成品，买的是设计好的电路或者物理版图基于半成品和后端设计，入门门槛低，性能有保障但是硬核IP需要使用指定的代工厂和工艺，而软核IP除了配置选项之外，不允许任何设计变更

获得指令集授权或使用开源指令集:只购买指令集授权，在此基础上自主设计相应规格的CPU。在这种模式下，委托书只有一份，CPU设计靠自己，有一定的自主性和可控性，但指令集本身也有制裁的风险，或者使用开源指令集RISC—V自主设计CPU，可控性高，但如果需要使用一些专利模块，也会涉及授权，

R&D指令集:创建一个世界上不存在的新指令集它不依赖于任何其他指令集技术门槛极高，但自主可控性强国内也有一些半自主研发的案例，在授权指令集的基础上自主开发新的指令集

通过这三种方式，目前国内CPU市场已经形成了x86，Arm，自研三大指令集阵营:

x86方面，天津广海和上海兆芯的IP授权分别来自AMD和威盛，性能高，兼容性好，生态完整，但自主可控性存疑，

Arm方面，鲲鹏和腾飞是指令集授权的，有一定的自主性和可控性，其兼容性和生态取决于Arm指令集本身，

自研方面，龙芯以前是基于MIPS授权的自研，后来放弃了MIPS，完全自主研发神威是基于Alpha授权的自研，自主可控性非常高，但性能落后于国外，兼容性和生态有待进一步打造

国内各大CPU厂商，制表和外壳硬技术

作为CPU的基础设施，必须有新的玩家和资本加持。

CPU是要花钱的，CPU相关公司融资额持续攀升有的公司Pre—A轮能拿到上亿元，估值一度超过40亿元

在这股热潮中，虽然部分厂商会选择开源的RISC—V来设计自主可控性强的CPU，但大部分厂商还是会选择更成熟的Arm来制造高性能CPU。

国内企业在主要融资阶段的情况，制表和壳硬技术

融资潮背后的冷思考

那么，中国大举进军Arm高性能CPU会面临哪些挑战。

X86仍将主导市场。

虽然Arm势头很大，但x86依然不会交出权杖。在实际应用中，双方都有赢有输，这是由于x86和Arm在设计CPU时的机制和产品特性不同:

业界普遍接受的结论是，x86基于复杂指令集，指令在多个时钟周期处理，而Arm基于精简指令集，每个时钟周期执行一条指令，所以Arm在功耗上更胜一筹，但在性能上，Arm弱于x86，

x86中更多的工作是由硬件实现的，而Arm将部分工作留给了编译器，从而降低了硬件复杂度。

作为RISC的Arm指令集，CPU的运行速度可以用每个周期的指令数来衡量，但CISC的x86指令集不适合IPC来反映运行速度这是因为x86架构的一条指令需要CPU执行大量的工作，而Arm的一条指令通常只对应一个函数或操作

X86指令集发展了很久，PC领域的生态明显比Arm成熟，而且之前和Windows绑定很深，所以绰号Wintel。目前Arm支持的操作系统，语言，云原生，数据库，CI/CD越来越多，但生态还是不如x86

Arm指令集从诞生之日起就一直以授权模式运行Arm本身并不依靠自己的设计来制造或销售CPU芯片，所以因为oauth2.0而积极开发，但是x86指令集几乎是封闭的，只有极小范围的公司获得授权今年2月才开始松绑x86指令集的软核和硬核授权，让客户可以在英特尔制造的定制设计芯片中混合使用x86，Arm，RISC—V等不同的CPU IP核

一些专家警告业界，争论指令集是没有意义的这是因为CPU性能提升相关的技术技能完全独立于指令集，包括流水线，乱序执行，分支预测器，多级缓存等诸多技能这些技能可以在x86，Arm，RISC—V等任何指令集上实现Arm和x86只是一种与CPU沟通的语言，最终的性能完全取决于芯片设计

简单来说，指令集就是一把锤子芯片能锤成什么样，取决于用户自己即使是成熟的Arm指令集，国产厂商能走多远也要看CPU设计能力

另外，虽然Arm在高性能CPU上有了长足的进步，有了强大的巨头团队，但是不得不说x86在性能和生态上还是有绝对优势的，短时间内很难吃掉x86的市场份额。

Arm潜力很大，但还需要时间去发展。

2020年，x86将占据整个CPU市场近98%的份额根据Tom’s Hardware的数据，2020年，Q2 Arm CPU占总市场份额不到2%，而2022年Q1 Arm CPU占总市场份额的11.3%

根据Khaveen Investments的预测，2025年Arm CPU市场将达到169.2亿美元，在整体市场中的份额将增加到19.5%。

Arm授权费很高。

CPU是要花很多钱的，尤其是Arm这种专门以授权为生的企业许可费极高Arm收取的费用包括前期授权费，版税和技术咨询服务费

前期许可费是Arm收取的固定费用有三种许可模式:指令集许可，传统IP许可和Arm灵活接入

现在低端Arm芯片授权费用低，但是性能要求高的桌面，移动，服务器CPU是前沿领域，授权费用高前期许可费估计达到100万美元到1000万美元，使用的IP越多，费用就越贵

我们可以通过一个数字感受一下Arm的授权费:虽然英伟达没有成功收购Arm，但在之前的交易中，它向Arm支付了7.5亿美元购买Arm IP。

版税是芯片出货后Arm的拉丝成本版税是大多数半导体IP设计公司的主要盈利点Arm的专利费一般是芯片最终售价的1%~3%左右

值得注意的是，除了授权费，还有很多CPU的烧钱项目一不小心，融资的钱就烧完了现在人才紧缺，人员支出只增不减没有资深设计师，CPU做不好没有EDA软件，就没有CPU这个基础工具，EDA也需要授权，高性能CPU一般都是高级进程，可以快速提升CPU性能但是，工艺越先进，流片的成本就越昂贵，一旦流片失败，就要承担高额的损失试产阶段测试项目多，稳定性差的CPU产品会被淘汰

据我们粗略计算，一款CPU产品从人工成本到授权再到成功流片和试产的总支出超过1.3亿元如果预留失败流的成本，总支出会更高

芯片启动，制表，外壳硬技术的成本

注:此表仅为粗略计算，不作为投资参考，市场波动严重请参考实际情况

不可忽视的风险。

虽然国内厂商的初衷是生产自主可控的CPU，但从外部来看，在大国对抗下，Arm指令集本身存在一定风险，在内部，掌握了Arm指令集的Arm也处于动荡期原因一方面来自软银的上市压力，另一方面，中国子公司的问题仍有待解决

此外，由于Arm对半导体行业如此重要，Arm的IPO引起了业界对公司未来所有权和中立性的担忧，许多国际巨头都在争先恐后地计划收购自从英伟达收购失败后，似乎一家公司吞并Arm就不行了之后，英特尔，SK海力士，高通等公司都急于进行集团收购但如果收购方都是美国公司，就相当于Arm的控制权变相落入了美国手中

虽然国内企业也可以购买当前版本Arm的永久授权，但是Arm本身也在进化，如果被制裁，将无法获得后续的新版本换句话说，使用Arm的风险始终存在

所以业界对这波Arm CPU风投持怀疑态度打造Arm CPU的初衷是为了跳出x86的困境，但结果会是从一个坑跳到另一个坑吗另外，现阶段投资人扎堆投资Arm CPU项目，有出路，不管同质化严重的现状，还是估值过高，后续项目如何退出二级市场能撑得住吗

别担心，上车吧。

涉及

马伟，姚景波，常永生，解伟琪国产CPU发展现状及展望

，邢，，姚琳，中国CPU发展战略探讨中国集成电路，2011，20 :13—20

现代处理器设计:超标量处理器基础WavelandPress，2013年

一种改进的RISC微处理器指令级功耗和能量模型南安普顿:南安普顿大学，2017

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