CPU #20
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芯片设备篇芯片为什么重要？比如之前提到的激光器中的核心元器件泵浦源，虽然我国掌握制造的技术，但是其中的激光芯片仍然依赖进口。好比造汽车和飞机缺发动机一样尴尬。 一、行业概况 （一）必备知识和核心概念 半导体产业处于整个电子信息产业链的顶端，其核心为集成电路（IC）行业，市场份额超过80%。未来汽车电子、消费电子、物联网等将成为新的增长点。 芯片和集成电路（IC）基本上是一回事，不做区分；芯片行业属于半导体大行业的一个子行业，所谓半导体行业就是利用硅、锗、砷化镓等半导体材料制造电子元器件和电子产品的行业，光电子器件中的LED、半导体激光器与芯片虽然同属半导体行业，但是不在本系列覆盖范围之内，我们会单独介绍。 芯片行业的进入门槛极高，初期投入极大，研发难度极高，各个细分子行业的集中度也都很高，由于芯片的下游是多个万亿级别的应用市场，因此芯片领域是全球科技制造业强国之间激烈竞争的前沿阵地，是国家核心竞争力的制高点。 芯片行业的不少细分子行业虽然战略意义无比重要，但是总的市场体量客观来讲还是比较有限的，尤其是部分设备和材料，作为一个异常复杂的行业，投资者在入手前需要格外注重研究和调研，国家和行业的发展需要热情和投入，而投资需要冷静和理性。 （二）芯片设备产业链 上游：材料和零部件制造 中游：芯片设备制造 下游：芯片制造和封测 使用设备的主要环节：硅片制造、晶圆加工、芯片封装测试。 其中，晶圆制造是设备技术最难、附加值最高、国产化率最低的环节，大致有七大核心生产工艺（氧化扩散、涂胶光刻显影、等离子刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化），其中制备薄膜和金属化环节使用的设备是类似的，加上几乎每道工艺都要使用的清洗机，因此晶圆制造对应着八大类核心生产设备：氧化扩散设备、涂胶光刻显影机、等离子刻蚀设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、抛光设备、清洗设备。 由于芯片设备行业研发投入高和投资周期长的特征，加上相比国际先进水平，国内企业尚有巨大的技术差距需要追赶，因此鲜有民间资本能够撑起大局，导致国家资本和科研院所成为行业的主导力量，国家的行业政策和配套的资本投入决定了芯片设备行业的景气周期和长期发展。 （三）行业规模、增速与结构 目前，中国国内计划在建的产线总计将有接近800亿美元的投入，芯片设备行业有望充分享受本轮投资红利。 完整的芯片工艺流程越来越复杂，目前总共包含1300-1400个步骤，其中晶圆加工厂的投资成本中70%-80%用于设备购置。 按环节来看，设备投资占硅片制造环节的1%-3%、晶圆加工环节的78%-80%、芯片封装测试环节的18%-20%。 单看国内芯片设备行业，供给质量远比需求数量重要，目前现状是供给质量满足不了需求要求，随着在国家主导下的下游新一轮资本开支周期的全面开启，最终的订单份额将会决定行业内企业未来数年的业绩表现。 由于芯片设备行业的专业性极高，各个细分应用领域基本属于寡头垄断市场。 二、影响芯片设备行业的因素 （一）国家战略 未来两年，全球芯片市场规模有望增加至3965亿元和4136亿元，其中，中国占全球市场份额有望超过60%。2018年，中国晶圆加工销售额有望增加至1767亿元。然而，目前我国芯片自给率不足35%，供需失衡问题严峻，芯片行业的发展关系国家的战略和意志。 目前，含外资及存储器在内，中国大陆12英寸晶圆厂共有22座，其中在建11座，规划1座；8英寸晶圆厂共有18座，其中在建5座。 2017年1月6日，以美国政府首席科学顾问John P. Holdren、哈佛大学和麻省理工学院布洛德研究所总裁Eric S. Lander为首的美国总统科学技术咨询委员会（PCAST）发表了名为《确保美国在半导体领域的长期领导地位》的报告。全文的核心只有一个就是如何应对中国的挑战。 因此，2018年的中兴通讯事件并不是偶然的。 以晶圆加工的核心设备光刻机为例，光刻的成本约占整个晶圆加工的30%以上，耗费的时间约占整个晶圆加工的40%到60%。1970年，光刻机的单价在几十万美元，此后价格约每4.4年翻一倍。目前，先进光刻机的单价一般都超过2000万美金。荷兰ASML最新出品的EUV光刻机价格达到一亿美金，购买还需要排队等候。 我国芯片行业的政策支持体系建设最早始于2008年。在国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中，包括了16个国家科技重大专项，每个专项投资数百亿元，目前已公布其中13个。2008年，共有两项与我国芯片行业长期发展规划密切相关的项目公布于世： （1）核高基专项，即“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”专项，主要目标是在芯片、软件和电子器件领域追赶国际先进水平； （2）集成电路装备专项，即“极大规模IC制造装备及成套工艺”专项。该项目的总体目标为掌握制约产业发展的核心技术、开发关键产品，培养有条件的IC装备、制造和材料企业成为世界级企业。 2014年4月25日，国务院下达《关于国家集成电路产业投资基金设立方案的批复》，大基金的成立准备工作随即展开。 2014年6月24日，工业和信息化部、发展改革委、科技部、财政部等部门编制并发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，该纲要重点有四：着力发展集成电路设计业，加速发展集成电路制造业，提升先进封装测试业发展水平，突破集成电路关键装备和材料。 （二）技术极限 摩尔定律极限已至，“热死亡效应”与“量子效应”成为两大技术桎梏，我国厂商迎来追赶国际先进水平的战略机遇： 热死亡效应：当单位空间里集成的硅电路越来越多时，电子移动速度会越来越快，电路运行产生的热量会越来越多，设备开始变得过热。为了限制产生的热量，芯片制造商不再追求绝对计算次数（Clock Speed，芯片执行指令的速度），即给电子运行速度设置了上限，进而限制了产生的热量。 量子效应：以最乐观的技术演进预测来看，2020年，芯片制程将可以达到2到3纳米级别，在这个级别上只能容纳10个原子，电子的行为将受限于量子的不确定性，晶体管将变得不可靠。 解决方案： （1）多核处理器； （2）集成电路的3D架构（主要针对存储芯片）； （3）换用全新计算范式； （4）采用低发热“毫伏开关”，保留电子计算范式。 方案（1）和（2）已经实现或已部分实现，（3）和（4）目前仅限于实验室研究阶段。 芯片制程进入28纳米后，单位空间中电路的增加已经无法继续降低单位空间的成本。 （三）下游需求 中国大陆晶圆厂进入建设周期，未来四年，全球将有62座晶圆厂建成，其中26座位于中国大陆。对国内芯片设备企业而言，随着国产替代率的逐步提升，高速发展的周期逐步到来。 虽然中国大陆的芯片行业资本开支进入景气周期，但是不能因此忽视芯片设备行业的周期属性，芯片设备行业的景气程度不仅与下游投资周期密切相关，而且其周期的波动幅度更大。 芯片设备行业的周期主要受到工艺更新带来的下游投资需求波动传导的影响。 芯片是各种终端电子产品得以运行的基础，重要性不言而喻。从芯片的细分市场来看，逻辑电路（CMOS）、微处理器（CPU）、存储器（DRAM）是三大最主要的市场，市场需求与日俱增，此外，随着消费电子产品的高速发展，模拟电路、闪存（Flash Memory）、触碰传感器、光电子器件、微控制器（MCU）等半导体产品的销售额也在快速增长。 三、竞争结构 全球半导体设备行业集中度很高，龙头公司集中在美国、日本、荷兰三个国家。前十大公司累计市场占有率高达近80%。 国内需求旺盛，无奈本土供给不足。 由于行业本土玩家屈指可数，因此各家有各家的高招： 1、北方华创是国内覆盖最全面的芯片设备生产厂家； 2、中微半导体在LED芯片的MOCVD设备方面进展很大； 3、上海微电子几乎是唯一的光刻机玩家； 4、中电科电子装备在离子注入和CMP化学抛光两个领域不断突破。 |
半导体芯片产业芯片设计是指将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图，即把产品从抽象的过程一步步具体化，直至最终物理实现的过程，也就是设计师将客户的需求转换成具体的电路设计图的过程。 全球半导体产业的四种发展模式： 1、IDM（Integrated Device Manufactu re），即覆盖从设计、制造、封装测试直到投向消费市场全流程的模式，如英特尔、三星等； 2、Fabless，即垂直分工模式，只覆盖芯片设计环节，如ARM、NVIDIA和高通等； 3、Foundry，即代工厂模式，只做制造代工，典型的如台积电、Global Foundries、UMC、SMIC（中芯国际）等； 4、Fab-lite，即轻晶圆厂模式，介于IDM和Fabless之间的一种模式，往往是企业为了减少投资风险而采取的一种策略，如德州仪器等。 由于芯片设计行业轻资产、高增速的特点，相较于芯片行业中其它重资产的细分行业，国内芯片设计行业发展更快。 （三）行业规模与增速 中国的华为海思和紫光展锐已经成为全球领先的智能手机主处理器芯片设计厂商，营收跃升进入全球前十大Fabless供应商。汇顶科技在指纹识别芯片市场的出货量位居全球第一，兆易创新在NOR Flash市场位居全球第五。这些成绩一方面归功于国家在通信领域的长期巨额投入，打造了华为中兴双寡头，另一方面归功于全球在消费电子领域的需求爆发，作为世界工厂的中国，产业链加速成长。 2017年，中国芯片设计行业规模达到2000亿元，8年复合年均增长率高达20.3%。 由于芯片设计行业的专业性极高，各个细分应用领域基本属于寡头垄断市场。 二、影响芯片设计行业的因素 影响芯片设计行业的因素与芯片设备行业大致相同，国家战略、技术极限等因素不再赘述，可以进入芯片行业图解（设备篇）阅读。 （一）下游需求 高性能运算、数据中心、5G、物联网、工业互联网、智能汽车等新兴需求带动的新一轮半导体周期有望超越上一轮以智能手机需求为核心的半导体周期。 由于芯片（集成电路）下游应用广泛，不同公司一般都会基于禀赋选择不同的赛道，例如下图中芯片（集成电路）下的四个细分领域。 半导体和集成电路的分类： 主要芯片种类与人体功能的类比： 存储仍是未来的核心抓手，战略项目重点参照韩国模式，未来，数据对计算性能和存储容量的需求拉动仍然强劲，根据美光科技（美股）的预计，消费终端升级（高像素、4K）、汽车存储（辅助驾驶、智能化升级）、云计算中心（未来3年DRAM约6倍、SSD约2倍）将成为存储需求的三大驱动。 目前，BAT（百度、阿里巴巴、腾讯）的数据中心服务器装机量与谷歌、亚马逊、微软、脸书差距较大，未来对存储芯片的需求仍然很大。 智能手机的升级对存储芯片的需求同样很大。 三、竞争结构 目前，除了英特尔和三星等个别公司外，IDM模式公司几乎已经绝迹，这是产业不断发展后的必然结果，分工产生效率。 目前，芯片设备、材料、设计、制造、封装和测试各个主要环节已经独立形成专业细分行业，其中设计和制造的营收规模要远高于其它环节，芯片行业前二十名的公司几乎都是设计和制造龙头。 国内专用芯片快速追赶，通用芯片差距较大。 2016年，中国大陆第一名的华为海思全球排名第21名。 中国芯片产业是从通讯产业中发展起来的，通讯是从军工一路走来的，从巨大中华（巨龙，大唐，中兴，华为）开始，中国逐渐实现了通讯设备制造的自主化，中国的芯片产业就从通讯产业崛起中萌芽。中兴通讯事件后华为海思成为了一个国家的芯片担当。华为手机大量采用海思处理器和海思基带芯片，智能电视和安防系统也有海思的芯片，海思在长时间内将是中国最大的芯片设计公司，全世界能做手机处理器的厂家，苹果，三星，华为海思，小米，高通，联发科，紫光展锐，七家而已。世界纯芯片设计公司的第一名是高通，2016年营收154亿美元是海思的3.5倍，遥远但已望其项背。 目前，国内高端芯片设计能力严重不足，尤其在核心高端通用芯片领域，比如中央处理器（CPU）、微处理器（MPU）和存储芯片，更是捉襟见肘，国产芯片占有率几乎为零。通用芯片领域遵循赢者通吃的规律，即使技术保持同步，只要缺少产业整体生态的支撑，通用芯片也会面临没有下游和相关配套的尴尬处境。 目前，华为海思和紫光展锐已经成为智能手机中应用芯片（AP）和基带芯片（BP）的重要厂商，与该领域的高通和博通展开了激烈竞争。因此，在本轮中美世纪交锋中，华为和中兴双双遭遇史无前例的定点打击也就不难理解了。 目前，全球存储芯片主要包括三类产品，根据销售额从大到小依次为：DRAM（内存）、NAND Flash（闪存）以及NOR Flash。在内存和闪存领域中，IDM模式的三星和海力士拥有绝对的优势，2017年，两家厂商在内存和闪存领域合计市场份额分别为75.7%和49.1%。中国武汉的长江存储试图发展3D NAND Flash技术，目前仍然处于32层闪存样品阶段，而三星、英特尔等全球龙头已经开始陆续量产64层闪存产品。在NOR Flash这个约为三四十亿美元的较小市场中，兆易创新位居全球第五。 其余的像FPGA、模数数模转换芯片（AD/DA）等通用芯片领域，国内外技术悬殊。通用芯片具有研发投入大，生命周期长，短期难以聚集起经济效益的特点，国内有些领域甚至停滞。 （一）核心竞争力 如何判断行业内一家公司的核心竞争力，由于行业玩家屈指可数，因此各家有各家的高招： 1、华为在手机和通讯领域代表着国家最先进水平，部分领域在国际上不落下风； 2、长江存储、合肥长鑫、福建晋华、兆易创新正在全力突破存储器设计的瓶颈； 3、汇顶科技全力角逐指纹识别的龙头地位； 4、寒武纪在AI芯片和IP指令集领域剑指英伟达的垄断地位。 半导体芯片行业的三种运作模式有 IDM 、Fabless和 Foundry 芯片产业链上游设计专注于芯片设计业务，只负责芯片的电路设计与销售，将生产、测试、封装等环节外包，是知识密集型行业，需要经验丰富的尖端人才，相对轻资产，更看重创新。 芯片产业链中游晶圆制造及加工设备是半导体制造过程中最重要也是最复杂的环节，其主要的工艺流程包括热处理、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨和清洗。投入巨大，进入门槛极高，并且镀膜、光刻、刻蚀等关键设备由少数国际巨头把控。国产替代势在必行。 芯片产业链下游封装及测试环节完成对芯片的封装和性能、功能测试，是产品交付前的最后工序。是资本、劳动力密集型，我国已经赶上，目前行业规模优势明显。 Fabless则指芯片设计厂商，只设计芯片不生产制造芯片产品，如华为、高通、联发科、苹果等，而Foundry则指芯片代工厂商，只具备芯片生产制造能力，并不具备芯片设计能力，如台积电、中芯国际、华虹半导体等等，而实力最强的则是IDM芯片模式，具备了芯片设计、芯片制造、芯片封测等一体化能力，从设计到最后生产制造全部都能够自己搞定，比如Intel、三星等，或许也是因为整个芯片产业链技术门槛较高，所以国内芯片厂商更多的都只是Fabless厂商，而IDM芯片厂商则更少。 IDM（Integrated Device Manufacture）模式主要的特点如下：集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身；早期多数集成电路企业采用的模式；目前仅有极少数企业能够维持。 主要的优势如下：设计、制造等环节协同优化，有助于充分发掘技术潜力；能有条件率先实验并推行新的半导体技术（如FinFet）。 主要的劣势如下：公司规模庞大，管理成本较高；运营费用较高，资本回报率偏低。 这类企业主要有：英特尔，三星、德州仪器（TI）。 Fabless（无工厂芯片供应商）模式主要的特点如下：只负责芯片的电路设计与销售；将生产、测试、封装等环节外包。 主要的优势如下：资产较轻，初始投资规模小，创业难度相对较小；企业运行费用较低，转型相对灵活。 主要的劣势如下：与IDM相比无法与工艺协同优化，因此难以完成指标严苛的设计；与Foundry相比需要承担各种市场风险，一旦失误可能万劫不复。 这类企业主要有：海思、联发科（MTK）、博通（Broadcom） Foundry（代工厂）模式主要的特点如下：只负责制造、封装或测试的其中一个环节；不负责芯片设计；可以同时为多家设计公司提供服务，但受制于公司间的竞争关系。 主要的优势如下：不承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等决策风险。 主要的劣势如下：投资规模较大，维持生产线正常运作费用较高；需要持续投入维持工艺水平，一旦落后追赶难度较大。 这类企业主要有：SMIC、UMC、Global Foundry。 |
CPU和指令集架构
从CPU发明到现在，有非常多种架构，从我们熟悉的X86，ARM，到不太熟悉的MIPS，IA64，它们之间的差距都非常大。
X86架构（The X86 architecture）是微处理器执行的计算机语言指令集，指一个intel通用计算机系列的标准编号缩写，也标识一套通用的计算机指令集合。
但是如果从最基本的逻辑角度来分类的话，CPU架构可以被分为两大类，即所谓的“复杂指令集”与“精简指令集”系统，也就是经常看到的“CISC”与“RISC”。
目前，服务器领域，数据中心，PC端等领域，X86还是占据市场主导地位，各种公有云私有云底层的服务器都是要依赖于 intel X86 架构的CPU。
ARM 架构更多是用在消费者业务，移动设备，嵌入式设备等领域。比如我们的手机芯片（苹果，高通等芯片），智能家居，物联网等。
ARM（Advanced RISC Machines）一个32位元精简指令集(RISC)处理器架构，ARM处理器广泛地使用在许多嵌入式系统设计。ARM处理器的特点有指令长度固定，执行效率高，低成本等。
x86 CPU架构采用复杂指令集（CISC），CISC指令集的每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。由于指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长。
华为鲲鹏CPU架构
鲲鹏CPU架构采用RISC精简指令集（RISC），RISC是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，它能够以更快的速度执行操作，使计算机的结构更加简单合理地提高运行速度，相对于X86 CPU架构具有更加均衡的性能功耗比。
华为鲲鹏处理器是华为自主研发的基于 ARM 架构的企业级系列处理器产品，包含“算、存、传、管、智”五个产品系统体系。
通用计算、存储、传输、管理、AI计算
华为鲲鹏处理器基于 ARM 架构。 ARM 是一种 CPU 架构，有别于 Intel 、 AMD CPU 采用的 CISC 复杂指令集。
ARM CPU 采用 RISC 精简指令集（ reduced instruction set computer ，精简指令集计算机）。
采用 ARM 架构，同样功能性能占用的芯片面积小、功耗低、集成度更高，更多的硬件 CPU 核具备更好的并发性能。
支持 16 位、 32 位、 64 位多种指令集，能很好的兼容从 IOT 、终端到云端的各类应用场景。
大量使用寄存器，大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快。
采用 CISC 指令集，指令长度固定，寻址方式灵活简单，执行效率高。
不足：在数据中心领域属于新进入者，其生态仍处于快速发展阶段。
华为从 2004 年开始基于 ARM 技术自研芯片。
在通用计算处理器领域， 2014 年发布 Kunpeng 912处理器， 2016 年发布 Kunpeng 916 处理器， 2019 年 年 1 月发布 Kunpeng 920 处理器。
Kunpeng 920 处理器是业界第一颗采用 7nm 工艺的数据中心级的 ARM 架构处理器。
鲲鹏920是目前业界最高性能ARM-based处理器。该处理器采用7nm制造工艺，基于ARM架构授权，由华为公司自主设计完成。
通过优化分支预测算法、提升运算单元数量、改进内存子系统架构等一系列微架构设计，大幅提高处理器性能。
典型主频下， SPECint Benchmark评分超过930，超出业界标杆25%。同时，能效比优于业界标杆30%。
鲲鹏920以更低功耗为数据中心提供更强性能。 高性能、高吞吐、高集成、高能效。
集成最多 64* 自研核，支持 64 核、 48 核、 32 核等多种型号
华为鲲鹏处理器技术创新
内核全自研
制程工艺领先：业界首款 7 纳米数据中心 ARM CPU
苹果 M1 CPU处理器
2020年11月11日，新款搭载 M1 芯片的 MacBook Air、MacBook Pro 和 Mac mini 发布。
2021年4月21日， 新款搭载 M1 芯片的 iMac 和 iPad Pro 发布。
M1 芯片也是基于 ARM 架构的CPU，以往，苹果只有手机是自研的芯片，macbook等都是用的intel的x86架构的CPU，可以看到，苹果已经在用ARM架构进军PC领域。
M1 优势
M1是新款Macbook上搭载的最新CPU系统，集成了芯片、GPU、I / O（输入输出）组件等。采用统一的内存架构，可实现高带宽，低延迟和优异的运算性能。
M1是八核芯片，建立在苹果的5纳米节点上，具有160亿个晶体管。
M1是Apple的第一个定制芯片系统，可用于其Mac计算机产品线。自2006年以来，所有Mac均配备了英特尔芯片。它们利用了Windows PC上也使用的x86（以及后来的x86_64）体系结构。
M1是不同的。它使用ARM架构，该架构通常为移动或便携式设备（如Apple的iPhone和iPad）供电。（注：iPhone和iPad中使用相同的ARM体系结构）与x86相比，ARM使用了简化的指令集，从而降低了功耗。
在Linux服务器上，执行 uname -m 命令就可以查看CPU架构。
Intel X86架构CPU
Intel Core（酷睿）处理器
Intel对于CPU的命名规则
Intel生产的CPU分为高中低端，最低端的G系列，然后是低端i3系列，中端i5系列，高端i7系列和至尊i9系列。
注意的是，Intel的命名除了i3、i5、i7之外，后面还会有另外一串数字，比如i7 8700K，i5 8400，i7 7700HQ等。
其中i3、i5、i7只代表它属于哪一个定位的产品，并不是代表着它的最终型号。
英特尔官方是不分辩什么低压和标压的，因为这个区别没有任何意义，低压的U电压根本就不低，只是网友习惯管功耗低一点的型号叫“低压”而已。事实上在同样的频率，无论是低压，标压还是桌面U，功耗和性能都是大同小异的。决定性能的根本就不是芯片本身的设计，而是整个系统允许它使用的功耗。
Y-超低功耗，5-7W
U-低功耗，15-30W
H-中功耗，30-50W
K-特别牛逼，可超频
很多人经常喜欢挂在嘴边的什么Macbook Pro 13“是”标压“而其他轻薄本是”低压“，实际上Macbook Pro用的是i7-8559U，而今年其他轻薄本用的是i7-8550U，看名字就知道两者都是“U”后缀，对于英特尔来说根本就是一个类型的产品。
处理器TDP含义
Intel CPU型号解读以及如何粗略判断Intel CPU的性能(i3、i5、i7以及CPU的代数)
Xeon至强系列
Xeon（中文翻译为至强）是Intel的一个CPU品牌，主要供服务器及工作站使用，亦有超级计算机采用此处理器。
因部分至强处理器有价格低廉而核心数多等优势，所以也有部分游戏玩家选用至强处理器。
以前的Xeon分为E3、E5、E7三个系列，现在的Xeon分为Xeon E、Xeon W、Xeon D、Xeon Scalable几个系列。
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