中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是电子计算机的主要设备之一，是电脑中的核心配件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，后者是对指令译码并执行指令的核心部件。

中央处理器主要包括两个部分，即控制器、运算器，其中还包括高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制的总线。中央处理器的功效主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。在计算机体系结构中，CPU 是对计算机的所有硬件资源（如存储器、输入输出单元） 进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为CPU的操作。

CPU 自产生以来，在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。

本章中所介绍“处理器”主要为桌面及服务器级处理器

按照定位可以分为入门级、中端、中高端、高端处理器。 在服务器当中，以英特尔至强（Xeon）为例，可分为铜牌、银牌、金牌、铂金系列。

按照核心数可以分为单核和多核。多核的核心数从双核算起，上不封顶。截止2020年3月，核心数最多的台式机处理器为AMD® 锐龙™线程撕裂者 3990X ，核心最多的服务器处理器为AMD® EPYC 7742/7H12/7702(P)/7662。它们的核心数均为64核。

按照线程数可以分为单线程和多线程（即超线程）。

按照用途分为台式机处理器、移动版处理器、服务器处理器。

按照架构分为两大类：复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。

以intel、AMD为首的是复杂指令集CPU，另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU。

两个不同品牌的CPU，其产品的架构也不相同，例如，Intel、AMD的CPU是X86架构的，而IBM公司的CPU是PowerPC架构，ARM公司是ARM架构。

按照运算位数可以分为4位、16位、32位、64位 、128位。

目前桌面级CPU以及主流手机SoC的CPU单元多为64位。

常见的C51单片机（MCU）为8位。进一步的ARM架构的单片机还有16位、32位、64位正在应用于身边的物联网设备。

最新处理器截止至 2020 年 3 月。

最新处理器截止至 2020 年 3 月。

AMD官网www.amd.com/zh-hans/；维基百科：AMD处理器列表zh.wikipedia.org/wiki/AMD處理器列表

• 频率

CPU的频率是指其工作频率，分为主频、外频和倍频。

主频其实就是CPU内核工作时的时钟频率。CPU的主频所表示的是CPU内数字脉冲信号振荡的速度。所以并不能直接说明主频的速度是计算机CPU的运行速度的直接反映形式，我们并不能完全用主频来概括CPU的性能。

外频是系统总线的工作频率，即CPU的基准频率，是CPU与主板之间同步运行的速度。外频速度越高，CPU就可以同时接受更多来自外围设备的数据，从而使整个系统的速度进一步提高。

倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。

• CPU的缓存容量与性能

计算的缓存容量越大，那么他的性能就越好。计算机在进行数据处理和运算时，会把读出来的数据先存储在一旁，然后累计到一定数量以后同时传递，这样就能够把不同设备之间处理速度的差别给解决了，这个就是缓存容量。在处理数据时，数据的临时存放点。按道理，只要缓存容量越大，计算机的数据处理速度将会越大，则计算机运行速度将会越快。

• CPU工作电压

CPU的正常工作电压的范围比较宽，在计算机发展的初期，这时候CPU的核定电压为5伏左右，后来CPU工艺、技术发展，CPU正常工作所需电压相较以前而言越来越低，最低可达1.1V，如此低电压下的环境，CPU也能正常运行。有些发烧友通过加强工作电压，加强CPU的运转效率，达到超频的目的，极大的提升了CPU的运行效率，但这可能减少CPU的使用寿命。

• CPU的总线方式

一般来说，我们把CUP内部的总线结构分为三类：单线结构，由一条总线连接内部所有的部件，结构简单，性能低下。双总线结构，连接各部件的总线有两条，被叫做双总线结构。多总线结构，连接CPU内各部件的总线有3条及以上，则构成多总线结构。

• CPU制造工艺

CPU制造工艺又叫做CPU制程，它的先进与否决定了CPU的性能优劣。CPU的制程越先进（越小），性能越强，功耗也越小。目前最先进的是5nm。详见“工艺”。

• 超标量

超标量是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。这在486或者以前的CPU上是很难想象的，只有Pentium级以上CPU才具有这种超标量结构；486以下的CPU属于低标量结构，即在这类CPU内执行一条指令至少需要一个或一个以上的时钟周期。

性能参考：CPU天梯图

CPU的生产材料是半导体，现阶段主要为硅（Si）。

这是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，经掺杂后具有正向导通反向截止的特点，适合于制造各种微小的晶体管。它也是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。

硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子（尤其是石英）最多包含 25% 的硅元素，以二氧化硅(SiO₂)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。

通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅（EGS），平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅，而最后得到的就是硅锭(Ingot)。以往的硅锭的直径大都是 200 毫米，而 CPU 厂商正在增加 300 毫米晶圆的生产。

硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将硅锭横向切割成圆形的单个硅片，称为晶圆。晶圆才被真正用于 CPU 的制造。所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个 CPU 的内核（Die）。一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的 CPU 成品就越多。

切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷光刻胶（Photoresist），光刻胶层随后透过掩模被曝光在紫外线之下变得可溶，掩模上印着预先设计好的CPU电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰，必须制作遮罩来遮蔽这些区域。这是个相当复杂的过程，每一个遮罩的复杂程度得用几十 GB 数据来描述。

这是 CPU 生产过程中重要操作，也是 CPU 工业中的重头技术。蚀刻技术把对光的应用推向了极限。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光刻胶膜上，使之曝光。接下来停止光照并移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光刻胶膜，以及未被光刻胶覆盖且已被曝光腐蚀的硅电路图案。然后，曝光的硅电路将被原子轰击，使得暴露的硅电路基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，以制造出 N 井或 P 井，结合上面制造的基片， CPU的门电路就完成了。

为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光刻胶，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复多遍，形成一个 3D 的结构，这才是最终的 CPU 的核心。每几层中间都要填上金属作为导体。

测试是一个 CPU 制造的重要环节，也是一块 CPU 出厂前必要的考验。这一步将测试晶圆的电气性能，以检查是否出了什么差错，以及这些差错出现在哪个步骤（如果可能的话）。接下来，晶圆上的每个 CPU 核心都将被分开测试。

整片的晶圆被切割成一个个独立的处理器芯片单元。检测晶圆的电学特性，看是否有逻辑错误，如果有，是在哪一层出现的等等。在最初测试中，那些检测不合格的单元将被遗弃。而后，晶圆上每一个出现问题的芯片单元将被单独测试来确定该芯片有否特殊加工需要。

这时的 CPU 仍是一块块晶圆，它还不能直接被用户使用，必须将它封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。封装结构各有不同，但越高级的 CPU 封装也越复杂，新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升，并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。这些被切割下来的芯片单元将被采用某种方式进行封装，这样它就可以顺利的插入某种接口规格的主板了。并且大多数的处理器都会被覆盖一个散热层，以加强散热性。

封装后的每块 CPU 将被进行完全测试，以检验其全部功能。这一部会产生不同等级的产品，一些芯片的运行频率相对较高，于是打上高频率产品的名称和编号，而那些运行频率相对较低的芯片则加以改造，打上其它的低频率型号，这就是不同市场定位的处理器。而还有一些处理器可能在芯片功能上有一些不足之处，比如它在缓存功能上有缺陷，这种缺陷足以导致绝大多数的CPU瘫痪，那么它们就会被屏蔽掉一些缓存容量，降低了性能，但这意味着这块 CPU 依然能够出售，只是它可能是 Celeron 和 Pentium 等低端产品。

CPU制造工艺又叫做CPU制程，它的先进与否决定了CPU的性能优劣。

CPU是在一整块硅上“镂空”制造出来的，通过替换法形成一定数量的二极管 形成运算效果。

一般来说，CPU的制程越先进（越小），性能也更强，功耗也会进一步的减少。目前最先进的是 5nm，已经接近冯诺依曼架构计算机制程的极限。

准确的说cpu不存在生产线。整个cpu的生产过程被分成很多阶段：

（1）硅提纯

（2）切割晶圆

目前主流的切割工艺分为游离磨粒线锯和金刚石线锯。游离磨粒线锯通过高速移动的钢线把富含磨粒的浆液带入切割区域，从而磨粒在晶柱表面造成压印，刮擦等方式进行破坏以达到切割目的；金刚石线锯则是通过带动附有金刚石粉末的钢线高速运动，使得金刚石粉末对晶柱表面进行刮擦的方式进行切割。

（3）影印(Photolithography) 蚀刻(Etching)

（4）重复、分层

（5）封装

（6）多次测试

几乎每个环节都由不同的工厂完成。

芯片的成本包括芯片的硬件成本和芯片的设计成本。

芯片硬件成本包括晶片成本+掩膜成本+测试成本+封装成本四部分（像ARM阵营的IC设计公司要支付给ARM设计研发费以及每一片芯片的版税，但笔者这里主要描述自主CPU和Intel这样的巨头，将购买IP的成本省去），而且还要除去那些测试封装废片。

用公式表达为：

芯片硬件成本=（晶片成本+测试成本+封装成本+掩膜成本）÷最终成品率

从二氧化硅到市场上出售的芯片，要经过制取工业硅、制取电子硅、再进行切割打磨制取晶圆。晶圆是制造芯片的原材料，晶片成本可以理解为每一片芯片所用的材料（硅片）的成本。一般情况下，特别是产量足够大，而且拥有自主知识产权，以亿为单位量产来计算的话，晶片成本占比最高。

封装是将基片、内核、散热片堆叠在一起，就形成了大家日常见到的CPU，封装成本就是这个过程所需要的资金。在产量巨大的一般情况下，封装成本一般占硬件成本的5%-25%左右，不过IBM的有些芯片封装成本占总成本一半左右，据说最高的曾达到过70%

测试可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级，比如将一堆芯片分门别类为：I5 4460 、I5 4590 、I5 4690 、I5 4690 K等，之后Intel就可以根据不同的等级，开出不同的售价。不过，如果芯片产量足够大的话，测试成本可以忽略不计。 掩膜成本就是采用不同的制程工艺所需要的成本，像40/28nm的工艺已经非常成熟，成本也低——40nm低功耗工艺的掩膜成本为200万美元；28nm SOI工艺为400万美元；28nm HKMG成本为600万美元。

不过，在先进的制程工艺问世之初，耗费则颇为不菲——在2014年刚出现14nm制程时，其掩膜成本为3亿美元；而Intel正在研发的10nm制程。根据Intel官方估算，掩膜成本至少需要10亿美元。不过如果芯片以亿为单位量产的话，即便掩膜成本高达10亿美元，分摊到每一片芯片上，其成本也就10美元。而这从另一方面折射出为何像苹果这样的巨头采用台积电、三星最先进，也是最贵的制程工艺，依旧能赚大钱，这就是为什么IC设计具有赢者通吃的特性。

像代工厂要进行的光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试等步骤需要的成本，以及光刻机、刻蚀机、减薄机、划片机、装片机、引线键合机、倒装机等制造设备折旧成本都被算进测试成本、封装成本、掩膜成本中，就没有必要另行计算了。

由于在将晶圆加工、切割成晶片的时候，并不是能保证100%利用率的，因而存在一个成品率的问题，所以晶片的成本用公式表示就是：

晶片的成本=晶圆的成本÷（每片晶圆的晶片数×晶片成品率）

由于晶圆是圆形的，而晶片是矩形的，必然导致一些边角料会被费掉，所以每个晶圆能够切割出的晶片数就不能简单的用晶圆的面积除以晶片的面积，而是要采用以下公式：

每个晶圆的晶片数=（晶圆的面积÷晶片的面积）-（晶圆的周长÷（2×晶片面积）的开方数）

晶片的成品率和工艺复杂度、单位面积的缺陷数息息相关，晶片的成品率用公司表达为：

晶片的成品率=（1+B×晶片成本÷A）的(-A次方)

A是工艺复杂度，比如某采用40nm低功耗工艺的自主CPU-X的复杂度为2～3之间；

B是单位面积的缺陷数，采用40nm制程的自主CPU-X的单位面积的缺陷数值为0.4～0.6之间。

假设自主CPU-X的长约为15.8mm，宽约为12.8mm，面积约为200平方毫米（为方便计算把零头去掉了）。一个12寸的晶圆有7万平方毫米左右，于是一个晶圆可以放299个自主CPU-X,晶片成品率的公式中，将a=3，b=0.5带入进行计算，晶片成品率为49%，也就是说一个12寸晶圆可以搞出146个好芯片，而一片十二寸晶圆的价格为4000美元，分摊到每一片晶片上，成本为28美元。

封装和测试的成本这个没有具体的公式，只是测试的价格大致和针脚数的二次方成正比，封装的成本大致和针脚乘功耗的三次方成正比。如果CPU-X采用40nm低功耗工艺的自主芯片，其测试成本约为2美元，封装成本约为6美元。

因40nm低功耗工艺掩膜成本为200万美元，如果该自主CPU-X的销量达到10万片，则掩膜成本为20美元，将测试成本=2美元，封装成本=6美元，晶片成本=28美元代入公式，则芯片硬件成本=（20+2+6）÷0.49+28=85美元 自主CPU-X的硬件成本为85美元。

如果自主CPU-Y采用 28nm SOI工艺，芯片面积估算为140平方毫米，则可以切割出495个CPU，由于28nm和40nm工艺一样，都属于非常成熟的技术，切割成本的影响微乎其微，因此晶圆价格可以依旧以4000万美元计算，晶片成品率同样以49%的来计算，一个12寸晶圆可以切割出242片晶片，每一片晶片的成本为16美元。

如果自主CPU-X产量为10万，则掩膜成本为40美元，按照封装测试约占芯片总成本的20%、晶片成品率为49%来计算，芯片的硬件成本为122美元。

如果该自主芯片产量为100万，则掩膜成本为4美元，按照封装测试约占芯片总成本的20%来，最终良品率为49%计算，芯片的硬件成本为30美元。

如果该自主芯片产量为1000万，则掩膜成本为0.4美元，照封装测试约占芯片总成本的20%来，最终良品率为49%计算，芯片的硬件成本21美元。

显而易见，在相同的产量下，使用更先进的制程工艺会使芯片硬件成本有所增加，但只要产量足够大，原本高昂的成本就可以被巨大的数量平摊，芯片的成本就可以大幅降低。

硬件成本比较好明确，但设计成本就比较复杂了。这当中既包括工程师的工资、EDA等开发工具的费用、设备费用、场地费用等等……另外，还有一大块是IP费用——如果是自主CPU到还好（某自主微结构可以做的不含第三方IP），如果是ARM阵营IC设计公司，需要大量外购IP，这些IP价格昂贵，因此不太好将国内外各家IC设计公司在设计上的成本具体统一量化。

按国际通用的低盈利芯片设计公司的定价策略8：20定价法，也就是硬件成本为8的情况下，定价为20，自主CPU-X在产量为10万片的情况下售价为212美元。别觉得这个定价高，其实已经很低了，Intel一般定价策略为8：35，AMD历史上曾达到过8：50

在产量为10万片的情况下，自主CPU-Y也采用8：20定价法，其售价为305美元；

在产量为100万的情况下，自主CPU-Y也采用8：20定价法，其售价为75美元；

在产量为1000万的情况下，自主CPU-Y也采用8：20定价法，其售价为52.5美元。

由此可见，要降低CPU的成本或售价，产量至关重要，而这也是Intel、苹果能采用相对而昂贵的制程工艺，又能获取超额利润的关键。

清华紫光、兆芯（X86）、龙芯、展讯、全志、申威等

Intel（英特尔）、AMD、ARM等

AMD、Intel（英特尔）

我国CPU市场规模和潜力非常大，庞大的整机制造能力意味着巨量的CPU采购。据数据统计，2018年国内智能手机产量高达13.69亿台，计算机整机产量也达到3.2亿台。虽然近些年，计算机整机和智能手机产量增长都出现瓶颈，由于这两类产品体量庞大，CPU的需求量大且单品价值非常高，市场规模依然非常可观。

服务器CPU伴随着整机出货的快速成长，需求量增长也较为迅速。数据显示，2018年国内服务器出货量达到330.4万台，同比增长26%，其中互联网、电信、金融和服务业等行业的出货量增速也均超过20%。另外，国内在物联网、车联网、人工智能等新兴计算领域，对CPU也存在海量的需求。

美国企业（英特尔、AMD、高通等）是我国CPU产品的主要供应商，其中直接从美国本土进口的CPU芯片体量也比较大。2019年前7个月，我国累计从美国进口处理器64.87亿元，占到我国从美国芯片进口额的84%，占比非常之高。对美国处理器的过度依赖，成为我国信息产业发展的一大软肋，在当前贸易战持续的大背景下，影响已经十分明显。

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。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。

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。

• 芯片工艺技术临近极限，为后发者赶超提供可能

集成电路技术的选步主要体现在两方面：硅晶片直径的变大和髙体管制程的变小。随着过去上百年集成电路产业的发展，硅晶片的直径已经有4寸扩大到12寸，而晶体管工艺规格已经从最初的5微米缩小到5纳米，缩小了将近1000倍。在业界，7nm的工艺技术几乎是商业化生产的极限，因为当芯片工艺规格小于7nm时候，就会出现量子隧穿效应，导致制造成本急剧提升，同时光刻机的产能瓶颈也使得7nm低制程的芯片量产变得非常困难。

事实上，近年来芯片工艺制程的缩小所需要的周期越来越长，摩尔定律正在逐渐失效。当芯片制程进入到28nm以内，新一代制程芯片的研发周期变得非常长，而长周期客观上可能给大陆半导体产业的持续追赶带来机遇。

• 大陆承接C产业转移，核心环节自主化能力加强

从上个世纪60年代，美国首次发明晶体管以来，IC产业出现过2次产业转移的浪潮。首先，美国德州仪器(TI)公司发明第一块集成电路板，计算机IC产业开始蓬勃发展。80年代，日本通过“引进+自主”的模式，设立超大规模集成电路(ⅥSL)项目，实现第一次IC产业转移。90年代初，韩囯受益于封装、制造环节的转移浪潮，发展全产业链模式；90年代末，以台积电为代表的企业开启超级代工的工研院模式，实现第二次IC产业转移。

进入21世纪后，中国作为芯片制造的后起之秀开始加速跟进和追赶，中芯国际、华虹宏力、武汉新芯等厂商加大投产力度，第三次IC产业转移浪潮正在中国大陆如火如荼的进行。

公共资料整理

根据数据显示，自2015年起，中国半导体产业掀起发展新高潮，在建、新建晶圆厂项目投资额近万亿元，其中大量的資金将投向设备购买。过去两年全球共兴建十七座12寸晶圆厂，有10座设在中国大陆，其中8座已经开始量产，同期间日本与韩国仅各增加一座产线。

• 大基金彰显国家意志，国产芯片生态逐步形成

2014年6月，国务院发布集成电路产业发展新的纲领性文件《国家集成电路产业发展推进纲要》，吹响了芯片产业追赶国际先进水平的号角。2014年9月，国家集成电路产业基金正式成立。目前，国家集成电路产业投资基金一期已经投資完毕，二期已经开始资金募集。2018年从投资领域来看，国家集成电路产业基金在芯片制造、设计和封测领域分别投资了311亿、163亿和70亿，占总投资的54%、29%和12%。

https://www.chyxx.com/industry/201911/804535.html

https://wenku.baidu.com/view/6cdaa47d31b765ce050814ca.html

GB/T 36630.2-2018