CPU是計算機(jī)的大腦和心臟。

01

CPU即中央處理器，簡稱為處理器或微處理器，是對計算機(jī)的所有硬件資源（如存儲器、輸入輸出單元）進(jìn)行控制調(diào)配、執(zhí)行通用運(yùn)算的核心硬件單元。由于計算機(jī)系統(tǒng)中所有軟件層的操作，最終都將通過指令集映射給CPU，因此它是一切電子設(shè)備的核心。

CPU大致可以分為通用CPU和嵌入式CPU。其中，通用CPU主要用于計算機(jī)和服務(wù)器領(lǐng)域。嵌入式CPU則用于通常不完全表現(xiàn)為計算機(jī)形態(tài)的其他電子設(shè)備，如工業(yè)控制、汽車電子、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、消費(fèi)電子、移動通信、智能家電等。自進(jìn)入21世紀(jì)以來，以MP3、MP4、電子書、上網(wǎng)本、智能手機(jī)以及平板電腦等為代表的移動便攜設(shè)備領(lǐng)域快速興起，使得嵌入式CPU行業(yè)成為集成電路行業(yè)近十幾年來最為活躍的一個分支。

從技術(shù)層面看，CPU涉及到CPU指令集、CPU內(nèi)核、CPU芯片三個層次。

指令集是CPU所執(zhí)行的指令集合，內(nèi)核是CPU某種指令集架構(gòu)的具體電路實現(xiàn)，芯片則是CPU產(chǎn)品的最終體現(xiàn)。

目前通用CPU的指令集架構(gòu)形成了以Intel和AMD為主的X86架構(gòu)，而嵌入式CPU的指令集架構(gòu)則有ARM、MIPS、POWERPC、Alpha以及RISC-V等。其中，一個指令集架構(gòu)可以具有不同的實現(xiàn)，如ARM架構(gòu)可以有ARM9、ARM11等多款內(nèi)核，或MIPS架構(gòu)可以有4K、24K等多款內(nèi)核。但在同一架構(gòu)的CPU內(nèi)核執(zhí)行著相同的指令集下，因各個內(nèi)核設(shè)計不同，又具有不同的性能、功耗等。

另外，剔除CPU內(nèi)核，里面還集成了其他某些專用功能電路、存儲器接口電路、各種外圍設(shè)備接口電路等。因此，業(yè)界喜歡把這種具有CPU內(nèi)核、集成多個功能模塊、面向某一領(lǐng)域的高集成度芯片產(chǎn)品稱為SoC芯片，即片上系統(tǒng)或系統(tǒng)級芯片。

02

早期，全球CPU芯片僅由全球寥寥幾家大企業(yè)掌握，它們參與著由CPU指令集、CPU內(nèi)核研發(fā)到最終芯片形成的整個制造環(huán)節(jié)。但是歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，隨著全球產(chǎn)業(yè)分工、產(chǎn)業(yè)模式不斷調(diào)整，逐漸形成了某些專門提供CPU內(nèi)核的知識產(chǎn)權(quán)企業(yè)。它們不設(shè)計芯片，而是基于某種CPU指令集，僅專注于CPU內(nèi)核的設(shè)計，并將設(shè)計好的CPU內(nèi)核以知識產(chǎn)權(quán)的方式提供給芯片設(shè)計企業(yè)使用。

在當(dāng)時，這類企業(yè)主要有英國的ARM公司以及美國的MIPS公司，它們都是全球最著名的CPU內(nèi)核知識產(chǎn)權(quán)企業(yè)。這兩家企業(yè)提供CPU內(nèi)核給芯片設(shè)計企業(yè)使用，而芯片設(shè)計廠商如高通、Marvell、微軟、Broadcom、NEC和Toshiba等則通過獲得了它們的指令集架構(gòu)授權(quán)進(jìn)行SoC芯片設(shè)計。

03

目前，全球CPU指令集架構(gòu)市場基本是由Intel和ARM兩大巨頭廠商壟斷。在通用CPU芯片領(lǐng)域，Intel的X86架構(gòu)占據(jù)了全球超過90%市場份額，在嵌入式CPU芯片領(lǐng)域，ARM架構(gòu)的芯片也占據(jù)了全球90%以上的市場份額。另外，MIPS、POWERPC、Alpha以及RISC-V等架構(gòu)雖然不是主流，卻也有一部分廠家在使用。

與ARM、MIPS、PowerPC這些精簡指令集不同的是，X86架構(gòu)基于復(fù)雜指令集，更適用于高性能復(fù)雜環(huán)境。因此，其CPU經(jīng)歷了多年的技術(shù)開發(fā)及革新，從各類配套芯片、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、中間件到大量豐富的應(yīng)用軟件應(yīng)有盡有，早已經(jīng)成為整個產(chǎn)業(yè)中最龐大、最完善以及應(yīng)用最廣泛的處理器架構(gòu)。目前，IntelX86架構(gòu)幾乎支配著如Windows、Linux、Solaris等所有操作系統(tǒng)。

04

我國CPU研發(fā)起步較早，但發(fā)展較為坎坷，因此CPU產(chǎn)業(yè)一直以來是國內(nèi)科技產(chǎn)業(yè)的短板。目前，在設(shè)計環(huán)節(jié)，芯片仿真設(shè)計軟件的核心技術(shù)被美國企業(yè)壟斷。在制造環(huán)節(jié)，芯片制程工藝還普遍停留在22nm和16nm，最先進(jìn)的7nm制程技術(shù)則被跨國公司掌握。雖然前些年在國外CPU芯片廠商巨頭的架構(gòu)授權(quán)之下，我國CPU研發(fā)單位如龍芯、申威、兆芯、飛騰、宏芯、展訊以及海思等，通過自主研發(fā)創(chuàng)新，都有不錯的成績。但是在CPU的生態(tài)領(lǐng)域，指令集還受制于X86和ARM架構(gòu)，真正來說還不算是完全“自主”。

正是如此，目前我國國產(chǎn)CPU形成了現(xiàn)在的三大流派。一是以龍芯（RISC架構(gòu)）和申威（Alpha架構(gòu)）為代表的精簡指令集；二是基于X86架構(gòu)的天津海光（中科曙光參股）和上海兆芯；三則是ARM架構(gòu)，如天津飛騰、華為海思等。

值得一提的是，我國很多國產(chǎn)手機(jī)芯片普遍都是ARM架構(gòu)，計算機(jī)芯片則為X86架構(gòu)。雖然在自主可控的環(huán)境下，目前新一代龍芯嘗試采用了RISC架構(gòu)，并且技術(shù)差距與國外主要廠商也縮小到了5%-10%，但是面對兼容性問題，關(guān)鍵是沒法用而用戶也不用。