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深度分析国产CPU替代:“造不如买”时代即将终结

2019-11-12 闫磊 陈苏 阅读:
深度分析国产CPU替代:“造不如买”时代即将终结
CPU(中央处理器)是计算机系统的核心和大脑,也是国家大宗战略物资,系统复杂研发难度高。我国 CPU 研发起步较早,但发展较为坎坷,步入正轨是在“十二五”之后。在国家集成电路产业政策和大基金投资等多重措施支持下,一大批国产 CPU 设计单位成长起来,产品覆盖了高性能计算、桌面、移动和嵌入式等主要应用场景。但是,国内设计企业在 CPU 指令集架构上主要还是依靠国际授权和技术合作。
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特朗普政府上台之后,美国对我国超算、服务器、智能手机、通信系统设备等整机制造核心企业的制裁持续在升级,CPU 的供应也成为问题。2018 年以来,中兴、华为、中科曙光、江南计算所等企业都已经被美国列入限制性清单,最近海康、大华、科大讯飞等人工智能企业也被美国实施禁运,这些企业的生产经营受到不同程度的影响。l2Wednc

更为严峻的是,全球核心技术和关键产品武器化趋势明显。除美国外,重点材料、元器件供应国——日本和韩国,也开始将关键产品禁运作为政治筹码,相互倾轧,断供问题至今尚未完全解决,曾经国内甚嚣尘上的可以完全依靠“国际供应链”的神话被彻底打破。我国作为电子信息终端制造大国,一旦其他国家在 CPU 这种关键器件上卡脖子,我国却缺乏有效的应对和准备,将会对整个电子信息行业甚至是国民经济社会发展产生极具破坏性的影响。l2Wednc

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采用国外的 CPU 产品,国内用户对其内部逻辑、软件代码缺乏控制,存在逻辑炸弹、软件后门等安全性问题。同时,在一些关键基础设施、武器装备等领域,由于使用周期非常长,相当长时间内可能都不需要对信息系统(包括 CPU 等元器件)进行升级换代,这和消费级产品存在着根本性的差异,其对供应链安全的要求远远大于性能要求。如果采用国外的 CPU 产品,一般会按照摩尔定律快速演进,国内相关基础设施、武器系统所采用的工艺或技术相对落后的元器件,就非常可能遭遇生产线关闭的情况,对于一些系统级装备,都需要进行重新设计,增加不必要的成本。l2Wednc

相反,如果是采用国内供应商,涉及到武器和关键基础设施的零部件,企业会保留相关产能和售后服务团队。另外,CPU 作为基础性、先导性的产品,是信息产业重要的发展方向,需要大量的创新要素包括人力、财力、产业政策等方面的投入,大量采购进口芯片,抑制了国产 CPU 产品的生态培育和成长。l2Wednc

也正是如此,党中央、国务院以及地方政府对该领域的支持力度逐步加大,政策日趋完善,为产业后续实现跨越式发展创造了良好的外部环境。尤其是未来中美在科技领域竞争加剧的大背景下,国内对国产 CPU 的支持力度还会保持在高强度。(1)对 CPU 相关的元硬件研发引导、资金支持以及财税优惠政策有所倾斜;(2)支持企业通过兼并重组、国际合作等方式做大做强,提高国产化替代能力;(3)加强应用端扶持,推动国产化采购工作,将基于国产芯片的整机产品列入政府采购清单,鼓励软件、周边设备对国产 CPU 进行优化和适配;(4)加强人才培养,2019 年 10 月工信部发布消息称,将与教育部合作加强集成电路人才队伍建设,将集成电路设置为一级学科,这将引导更多的高校、科研院所教师参与到集成电路研究当中,相应的研究生和本科生集成电路人才培养也会起来。l2Wednc

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2、未来国产 CPU 进口替代潜力巨大

国内仍将长期是全球最大的 CPU 消费市场。从主要下游行业来看:首先,智能手机将面临着大量的换机需求,针对 5G 场景和应用的 CPU 处理器也将得到较快推广。目前,国内 5G 手机已经进入预热状态,市场普遍预计到 2020 年年底,国内 5G 手机有望进入实质性增长阶段。l2Wednc

据中国信通院数据显示,2019 年 10 月份,国内市场 5G 手机销量达到 78.7 万部。2019 年国庆之前,三大运营商也启动了 5G 套餐的预约,10 天内预约量就超过 1000 万人。其次,PC 虽然未来相对疲软,但用户基数非常庞大;服务器芯片市场将继续在云计算、企业数字化转型中受益,尤其是在国内市场上,云计算市场规模增速未来几年将持续保持在 30%以上。l2Wednc

最后,工业控制领域的嵌入式 CPU 需求广阔,我国作为制造业大国,目前正在向制造强国转型,智能化改造是重要方向,CPU 作为智能化的核心部件,将广泛应用于工控系统当中。l2Wednc

CPU 市场主要分为三类:党政军及重点行业、企业以及消费级市场,需求特点各异。党政军及重点行业市场,市场化程度相对较低,对安全性和定制化的要求远高于消费级市场,同时对生态的要求相对较低,这同国产 CPU 当前的发展现状非常契合,因此这一板块一直是国产 CPU 的传统和核心市场;企业级市场主要是高性能计算和嵌入式 CPU,这个领域对生态的要求,高于党政军但弱于消费级市场,这个板块是国产 CPU 未来重要的增量市场;消费级市场则是国产 CPU 长期要突破的目标,尤其是桌面 CPU 性能、生态等方面还有巨大的差距,还需要重点弥补。l2Wednc

其中,党政军及重点行业是国产 CPU 确定性最强的领域。在当前贸易战的大背景下,国内关键 IT基础设施、涉密、电子公文等领域正在推动自主可控试点,基于国产 CPU 的信息产品已经得到应用,除了中央机关已经明确大规模采购之外,地方政府部门也将开始相关国产化替代工作;对信息安全、供应链安全高度敏感的军队,一直是国产 CPU 的传统市场,将来伴随着国防信息化的加速,服务器、PC、嵌入式和移动 CPU 需求量均将增加;金融、电信、能源等重点行业领域也在加大基于国产 CPU的服务器产品采购,未来使用范围将逐步从非生产领域进入核心领域,目前飞腾、兆芯、海光等产品在金融、电力等市场都有公开的应用案例。l2Wednc

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3、 未来国产 CPU 在传统领域存在追赶机会,AI、开源架构带来换道超车可能

传统 CPU 技术差距虽然巨大,但依然存在追赶上的可能 。l2Wednc

首先,国内关于 CPU 的知识储备趋于完善。主要设计企业无论是通过自研还是国际合作,都已经在架构方面积累了较为丰富的经验,包括架构的升级、内核的设计等,已形成了较多的参考案例,有望在现有平台上实现跃升。l2Wednc

其次,国内技术人才的积累也在日趋丰富。随着国内芯片设计市场的不断扩大,已经在行业内沉淀了一批技术人才,龙头设计企业如飞腾、龙芯、申威、海思等都具备了稳定的核心设计团队。值得注意的是,教育部和科技部已经将集成电路列为一级学科,未来高校细分专业设置的空间将更大,相关人才的培养也将加速。l2Wednc

最后,CPU 进入后摩尔定律时期升级速度趋缓,国产 CPU 离天花板较远,缩小差距存在可能。目前,英特尔的最新工艺水平已经到了 14nm,后续再提升难度非常大,性能提升速度将显著趋缓,尤其是英特尔在 10nm 上存在不小的障碍,新品迟迟未能推出。即使是工艺已经升级到 7nm 的台积电,后续离硅加工极限(3nm)已非常接近,空间非常小。而国内企业制程和性能水平相对较低,所处的阶段反而更会像英特尔发展的早期,如果能够保证持续的研发投入,我们认为在传统通用 CPU 可以实现按照摩尔定律进行追赶,进而缩小差距。l2Wednc

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随着人工智能、5G、边缘计算、区块链等技术的发展和成熟,将对传统计算需求形成巨大挑战,并创造出新的计算技术需求,国内 CPU 企业如能在此期间不断拓展产品谱系,将大有可为。同时,除了 X86 和国内广泛使用的 ARM 架构之外,开源架构未来也将成为重要选择,中小企业也可以利用其免费特点,摆脱 Wintel 和 ARM-Android 体系的历史包袱,实现换道超车。l2Wednc

目前,国际上主要的开源架构为 RISC-V、Open-RISC、SPARC 等,其中 RISC-V 架构正在受到市场的认可,该架构篇幅简洁,指令集模块化、指令集数量少,不但能够实现向后兼容,还解决了类似 X86、ARM 架构在升级过程中出现的问题,没有历史包袱。对于 RISC-V 生态,目前国内企业如阿里,已经有所行动,全资收购的中天微已经发布 RISC-V 第三代指令系统架构处理器 CK902,平头哥也在 2019 年发布了全球性能最强的 RISC-V 的 MCU 产品,具备发展 CPU 的潜力。另外,华为之前也表示,对 RISC-V 开发很有兴趣,公司也是这个基金会的成员。l2Wednc

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当前,国产 CPU 面临着相对较好的发展环境。一方面,中美在科技领域的博弈具有长期性,美国对中科曙光、华为、江南计算所 等电子信息企业和机构的制裁并没有解除, CPU 等产品的供 应链风险显著上升,进口替代空间大 ;另一方面,国家出 于战略安全、产业升级角度考虑, 也将持续加大对国产CPU的研发、应用等领域的支持 力度 。我们认为,未来国内 CPU 厂商有望凭借着逐步积累的开发经验、持续 加大的研发投入 和相对较大的工艺提升空间 来缩小与国际 水平的差距。同时, AI 、 5G 、物联网等新技术也将带来新的计算需求,开源架构也将给国内企业带来新的架构选择,国产CPU有望实现“换道超车”。l2Wednc

但值得一提的是,虽然在政府的大力支持、 国际供应链断裂和信息安全风险加剧的大背景下,国产CPU在经历了许多坎坷后,逐步实现了“从无到有”、“可用到好用”的转变,“造不如买”的国际产业链逻辑已被打破,但芯片行业更需要市场的磨砺与洗礼,经过市场的充分竞争与淘汰,希望能很快看到一批走出国门,屹立世界的国产CPU企业。l2Wednc

(本文整理自平安证券的研究报告《国产 CPU 正从可用向好用转变,自主可控前景可期》;作者: 闫磊 陈苏;责编:Demi Xia)l2Wednc

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