2022年国产服务器CPU研究框架


本文选自“2022年国产服务器CPU研究框架”,104页技术干货。服务器的逻辑架构仍然遵循冯·诺依曼架构,主要包含:处理器(CPU、GPU、DPU等)、存储器、I/O接口,以及SSD、BMC、PCIe插槽、主板、电源、风扇和相关软件等。





处理器是服务器的大脑,根据IDC,以经典x86服务器E5高配为例,CPU成本在基础型服务器中约占32%,在更高高性能的服务器中,处理器相关成本占比高达50%-83%。

三大核心零部件(处理器、内存、硬盘)成本占服务器总成本比例约为服务器总硬件成本的80%。



CPU——服务器的大脑


处理器作为服务器的核心组成部分,对于服务器的整体性能发挥有着决定性的作用。此处列举中央处理器(CPU),图形处理器(GPU)以及深度学习处理器(DPU)这三大对于现今服务器行业有着长远影响的处理器。


CPU的分类——指令集


按照设计思路的不同,CPU可分为复杂指令集(CISC)架构和精简指令集(RISC)架构。 

CISC(Complex Instruction Set Computer):一条指令完成一个复杂的基本功能。单条指令集功能强,指令类型丰富完善,编译后指令数量较少,通用场景下性能具有优势。以x86架构为代表,主要用于桌面PC及服务器领域,配套软硬件丰富完善。

RISC(Reduced Instruction Set Computer):一条指令完成一个基本动作,多条指令组合完成一个复杂的基本功能。指令集架构在不断完善,译码效率高,偏向低功耗领域优化。以ARM架构为代表,过去主要用于手机、平板等移动终端,软硬件生态逐步建设完善。


CPU的分类——x86


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。X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的,同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片系列数学协处理器则另外使用X87指令,后续就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。

虽然随着CPU技术的不断发展,Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4(以下简为P4)系列,但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源,所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集。X86架构具有性能高、速度快、兼容性好的特点,目前占据了服务器、桌面及移动PC的主要市场份额。

CPU的分类——ARM



CPU的分类——MIPS



CPU产业链


上游包括晶体代工、设备、封装测试和内核授权四个方面,覆盖面广。上游中相关产业存在超额利润率,CPU产业市场集中,能够对上游纵向垄断,且垄断性强。

中游包括CPU设计企业、ARM授权及嵌入式处理器三部分。全球龙头包括英特尔(IDM模式)、AMD,国内厂商包括中科曙光、中国长城、华为海思等。


下游包括PC、服务器、消费电子、物联网等。下游产业在国内外都拥有巨大市场,整体利润率高,但垄断情况相对较低。


CPU市场规模


CPU的重要应用领域包括桌面和服务器,每台桌面通常只有一颗CPU,而每台服务器的CPU数量不定。桌面领域,2015年-2018年全球出货量增速呈现缓慢下降的趋势,但是整体出货量依然保持在2.6亿台/年左右。2019年开始,全球桌面出货量出现回升,2020年全球桌面出货量较前5年 有较大增长。服务器领域,根据IDC数据,2020年全球服务器出货量达1,220万台,同比增长3.9%


CPU全球竞争格局


X86领域:Intel和AMD占领市场


X86架构目前占据服务器、桌面及移动PC的主要市场份额,非X86架构产品不断发起进攻。2018-2019年,在X86领域,AMD市场规模增长了1.0%,Intel市场份额小幅度下滑,但仍然呈现出主导态势

在服务器领域,Intel市占率仍然高达96%以上,同时AMD公司正在努力提升自己的市场份额,从2018年的1.8%增长到2019年的3.9%,同比增长117.0%。


在笔记本电脑领域,AMD市占率大幅上升,从2018年的10%增长到2019年的14.6%,Intel则下降了5.1%。

在桌上型电脑领域中,AMD市占率持续上升,兆芯也占据了一定市场份额。


非X86领域:ARM占据绝对优势


在非X86领域,ARM以低能耗、高效率、发展时间长的优势占据移动终端市场的主导地位,使用最广泛、发展最成熟,市占率达到43.2%RISC-V发展时间短且更加灵活,在物联网领域备受关注,近几年以其开源性质被重点关注发展,后续有望在新兴领域崭露头角;

  • MIPS主要应用在网关、机顶盒等网络设备中,市占率达到9%;

  • Power所代表的小型机是企业IT基础设施的核心,但在相关市场的占有率仅1%左右;

  • Alpha指令集基本已退出国际主流应用;

  • SPARC早先被Sun公司开源,后被Oracle公司并购,如今已消失。



在移动终端方面,ARM占据绝对优势,通过授权占据移动设备端90%以上的市场,构成市场上的标准架构;

在服务器方面,非X86目前参与者有华为、飞腾、高通、亚马逊等,华为的鲲鹏服务器是ARM服务器的重要参与者,而国产龙芯是基于MIPS的服务器重要厂商;

在桌面PC市场,ARM正逐渐被跟多企业应用,2011年微软开始采用ARM的Windows系统,ARM开始进入X86的传统优势领域,如今苹果MacOS、新版Windows等均采用了ARM。


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