cpu相关的知识（CPU的那些事儿）

半导体产业链第十篇

作者：松松

排版：松松

各位读者，从今天开始我们聊聊CPU这个赛道。

CPU是一个古老又新鲜的玩意，说它古老，是因为1971年，Intel就推出了世界上第一款微处理器4004，它是一个包含了2300个晶体管的4位CPU，距今已经超过了40年；

说它新鲜，是因为国产CPU虽然早已规划，但在近几年才逐渐成型。今年6月，国产CPU第一股-龙芯登陆资本市场，引发了人们对CPU的关注，带动了CPU创业的热潮。

CPU到底是什么？和海外巨头相比，中国差距在哪里？破局之路又在何方？

别着急，我们打开一瓶酒，放上喜欢的音乐，慢慢聊。本文为CPU系列第一篇。按照公众号老规矩，本文分为如下几个部分：

01CPU是什么

02CPU发展的关键要素

01CPU是什么

CPU在计算中的作用，类似人类的大脑，功能非常的简单：

第一步读取指令，即找到内存里事先设计好的指令；

第二步是翻译（解码），把外部信息翻译成CPU看得懂的计算机语言（指令）；

第三步是执行，要么加载，要么计算，要么保存。

从功能上看，CPU的内部结构可分为：控制单元、运算单元、存储单元（包括内部总线和缓冲器）三大部分。

其中控制单元完成数据处理整个过程中的调配工作（分配），逻辑单元则完成各个指令以便得到程序最终想要的结果（计算），存储单元就负责存储原始数据以及运算结果（存储）。

CPU组成部分

按照指令集架构划分，CPU被分为CISC（复杂指令集）和RISC（精简指令集）两大类。指令集类似一种语法，程序员根据指令集编写各式各样的代码供CPU理解并执行。

CISC阵营主要是大名鼎鼎的X86架构，而RISC阵营比较丰富，有知名的Arm架构，还有不太知名的MIPS、POWER PC和近期小有名气的RISC-V。

CISC和RISC这两种指令集并没有优劣之分，只是风格不同。我从网上看到了某位大神的趣味理解，虽然不完全正确，但是“话粗理不粗”。

以“给老哥泡壶茶”这个命令为例，X86会把语言写成“去泡茶”，结果响应是“哥，茶泡好了”，CISC会给出一个较“综合”的指令；

面对同样的场景，RISC则会写成“1、去；2、拿杯子；3、放茶叶；4、泡茶；5、拿来。”这些分散、可分步执行的指令，当然最后输出的结果是相同的。显然复杂指令的效率高。

不过，如果命令是“给老哥泡50壶茶”这个命令，CISC会把“去泡茶”写50遍；

而RISC则会写成“1、去；2、拿杯子*50；3、放茶叶*50；4、泡茶*50；5、拿来。”这些指令。

可以看出，RISC虽然性能差点，但由于只需要一步一步去做就行，反而能耗低，特别省电。

综上，CISC优点是性能强大，缺点是能耗高，需要更多的电才能运行，比较适合服务器、计算机等场景；

RISC优点是更精简，容易组织，省电，缺点是处理能力差些，更适合移动端（手机/AIOT）的场景。

不过，经过长期发展，两种指令集取长补短，逐渐趋同，例如属于精简指令集的ARM也可以拥有高性能（如APPLE的M2芯片）；而复杂指令集，也在慢慢降功耗。

这两类指令集的划分非常重要，在这划重点，之后分析国内CPU厂商时会被频繁提到。

02CPU发展的关键要素

……

一家CPU公司能不能最终成就“伟大”，其因素是非常多样的，可以是接地气的技术、团队，也可以是相对“务虚”的企业文化、风口、时代。

但我认为最重要的两点，一是技术，二是生态。

每个行业的护城河都不同，例如彩妆的护城河是品牌和渠道，漂亮的妹子们会因为某明星使用某产品而产生消费欲望，会因为某产品易于购买而激情消费，很少会有妹子是因为这个彩妆“用的最新技术”而下单。

白酒的护城河和彩妆类似，茅台的溢价主要来自于其“最高端白酒”的品牌认知，因为“茅台比其他白酒好喝”而买单的消费者屈指可数。

而芯片是个典型的技术驱动型行业，CPU这种大芯片尤其是这样（一些模拟芯片可能还依赖于渠道），性能不能达到一流，说什么都没用。

评价一个CPU技术水平咋样，其实也非常容易，三个字：看参数。

CPU性能判断标准公式是：CPU性能=IPC*主频/指令数量。这个公式最初由英特尔提出，后来被业界广泛认可。

其中，主频也叫时钟频率，单位MHz/GHz，用来表示CPU运算和处理数据的速度。

主频既然是处理速度，当然越快（大）越好，打开咱们的笔记本电脑，选择“我的电脑”，右键后单击“属性”都可以看到，例如我的电脑CPU主频是2.9GHZ。

主频参数

IPC是CPU每一时钟周期内所执行的指令多少，是一种量的概念，当然也是数值越大越好。影响IPC的要素有很多，例如微架构、主频、内核/线程、缓存大小、制程、功耗等。

如果对影响CPU性能的所有指标排个序，按照中信证券的分析，应该是微架构、制程>核数/线程>互联>主频>缓存>其他。我们倒着来盘盘。

缓存是指可以进行高速数据交换的存储器，它先于内存与CPU交换数据。

换言之，缓存越大，CPU运行越快，而且不需要频繁地访问内存，但成本越高。缓存分为一级(L1)、二级(L2)、三级(L3)，其中L1读取速度最快，但是容量最少。

主频上文解释了不再赘述。

互联指的是CPU内部各组成部分，以及与其它芯片（DPU、SSD等）的通讯与交互，这个和CPU的微架构设计有关，微架构那里再讲。

核数和线程是一个非常容易搞混的概念。核数指的是内核的数量，一般买电脑都会听到销售小哥说这个CPU是双核或者四核的，现在的CPU有2/4/6/16/32/128等多个核心。

内核可以理解成CPU这个大脑中的“小大脑”，是个物理层面的事儿，多核心的处理器能够有效进步CPU的多任务功能，或者说减少CPU的占用率，提高计算功率。

线程是另一个概念，是软件层的事儿。很早之前，一个核心对应一个线程，但英特尔开发出了超线程技术，1个核心能够做到2个线程。

换言之，虽然小大脑的数量给定了（例如4个），但是通过软件的设计，一个小大脑可以干两件事儿（8个线程），速度当然也会更快。

举个例子，CPU可以想象成是一个银行，CPU核心就相当于柜员，而线程数就相当于开通了几个窗口，柜员和窗口越多，那么同时办理的业务就越多，速度也就越快。

通常情况下，一个柜员对应的是一个窗口，通过超线程技术相当于一个柜员管理着两个窗口，使用左右手同时办理两个窗口的业务，大大提高了核心的使用效率，增加了办理业务的速度。【1】

制程指的是集成电路的密集度，同样数量的晶体管，更小的制程意味着更低的功耗和发热。对于CPU来说当然制程越小越先进，现在CPU主流的制程是7nm，也有3nm的产品。

微架构指的是CPU的硬件电路设计构造方式，说白了就是设计的方法。指令集是一定的，但是由于微架构的不同，产生的效果会相差甚远。微架构设计能力是各大CPU厂商最核心的竞争力。

因为咱也不是学芯片设计的，说不出个所以然来，但是可以感觉到，业内龙头英特尔和AMD的微架构已达到炉火纯青的地步，并且在不断的进化。

例如AMD最先进的ZEN3架构，升级了更快的分支预测，“Zen 3”架构可以从每MHz频率中平均提高19%的性能。

在分支预测出现错误之后，更优化的前端能够加快回到正确路径的速度，从而提高了分支预测的精度和CPU整体的性能。【2】

ZEN架构

在公开的测评数据中，采用Zen 3架构的AMD锐龙芯片性能居于榜首。

英特尔的微架构储备就更多了，还起了不少好听的名字，有兴趣的读者可以尝试翻译翻译。

英特尔历年微架构

值得说明的是，国外的龙头们围绕着上述这些要素不断提升着CPU产品的技术壁垒，例如英特尔就提出了业界知名的Tick-Tock战略，即每两年升级一次工艺，每两年升级一次架构。

英特尔可怕地坚持了近十年。这十年，英特尔每年都有新一代处理器问世，从45nm的Penryn（Core架构第一代产品）一直持续到了14nm工艺的Broadwell，后来陷入工艺制程的瓶颈，才被AMD实现反超。

那么国产CPU和海外龙头CPU相比，技术差距大吗？话不多说，直接上参数（数据来源于申万宏源研报及各公司官网），我相信读者现在应该都能看得懂了。

服务器CPU对比

笔记本CPU对比

一言以蔽之，国产CPU在性能上存在明显劣势。

CPU第二大壁垒，叫做生态。

芯片这种产品和其它产品有很大的不同，它再高科技，也只是一个单纯的硬件，要想真正地被客户使用，给用户带来价值（比如支撑很快很好的电脑），是需要无数人为它写软件、编程序、做方案的。

因此，生态的建立就非常的重要，它要能吸引全球优秀的程序员共同参与各类软件的开发，而且需要有合理的制度安排，比如开发者能够盈利，能够享受知识产权的分享红利。

也就是说，CPU厂商要想崛起，除了“打铁还需自身硬”之外，还需要优质的合作伙伴一起发力。

一个典型的合作伙伴是软件开发商。当年英特尔CPU的崛起依靠的是强大的Window系统支持，这种紧密的“Wintel联盟”攻陷并牢牢把握了PC及服务器市场。

再例如ARM之所以能成为移动端的主流，是依靠着Android系统的支持，这种“AA”联盟形成了难以逾越的生态壁垒。

很显然，国产CPU在生态建设上有很长的路要走，而且从某种意义上而言，生态上的差距远比性能差距更加难以弥补。

目前国内CPU玩家的生态主要有两种，一是想积极参与海外玩家已建立好的生态，企图分一杯羹，在现在逆全球化的大背景下，这条路显然不容易。

就不说是企图替代CPU这样看似核心的部件了，就连CPU周边的一些芯片的替代（如电源IC），即使国内产品能够做到和海外产品性能一模一样，国外培养的终端商/供应商几乎不会给国内厂商哪怕“试一试”的机会。

二是独立自主地建设新生态，想想都知道，那就更难了。目前围绕龙芯已有百余家国产软件企业共同构筑产业生态系统，但这些企业多数起步晚、规模不大、客户渠道单一，与国际领先水平存在明显差距，短时间难以带来较大的市场竞争力。【3】

综上，CPU的国产化是一条非常艰难的道路。

但是艰难并不意味着没有机会，国外英特尔、AMD也是竞争出来的，并非铁板一块，不可撼动，同时国内CPU的发展经过数十年的积累，正在处于量变到质变的关键阶段。

那么国内CPU厂商的发展状态到底如何呢，怎么才能突围呢？谁更有机会突围呢？

咱们下篇再聊！敬请期待！

全文完，感谢您的耐心阅读，请顺手点个“赞”吧~

参考文献：

【1】装机之家.CPU核数与线程有什么用？

【2】中信证券.CPU研究框架

【3】申万宏源.芯辰大海，各显神通

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