intel CPU技术路线（半导体CPU行业之Intel专题研究报告）

intel CPU技术路线（半导体CPU行业之Intel专题研究报告）物理限制：没有工艺的进展，先进架构想要应用就需要更大面积和更多功耗，降低良率，付出超高成本。硅集成电路微缩 有极限，当前工艺制程进展已经明显放缓，成本快速提升，留给架构利用的物理空间增长有限。工艺/架构已成熟后往往 采用DSA（专用架构）。 数学限制：可以并行/乱序执行的指令是有上限的，有一定比例的指令一定需要按照时间先后执行顺序，这一点永远无法 随着架构发展而改变，所以各类并行/动态调度技术都是有上限的，在这方面堆料的效果将逐渐减弱。CPU架构发展现状：面临限制提升放缓，堆料边际效用递减从库存端看，英特尔整体库存规模较大，存货周转较慢；AMD存货周转天数近年来保持稳定 。2006年以来，伴随经营规模的增长，英特尔的存货呈现增长趋势，存货金额由2006年的43.13亿美元增至2020的 84.27亿美元 。2021年，行业“缺芯”态势严重，包括英特尔在内的半导体公司均积极备货，库存明显上升

（报告出品方：中信证券）

一．公司概况：全球CPU龙头，开创X86架构

公司概览：持续创新，领航全球CPU市场

英特尔是全球最大的PC零件与CPU制造商。自创立以来，公司开创X86结构，并通过多个具有时代意义的产品引领计算 机行业与CPU行业的创新变革。公司成立：公司成立于1968年，总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉，由罗伯特·诺伊斯（CEO）与戈登·摩尔（ COO）共同创立，后安迪·格鲁夫加入，创始人实力强大，其中罗伯特·诺伊斯为仙童半导体创始人，被称为“硅谷之 父” ， “集成电路之父”；戈登·摩尔为“摩尔定律”的提出者；安迪·格鲁夫被誉为“硅谷最伟大的管理者” 。公司规模：目前公司拥有12.1万名员工，产品包括处理器、服务器、FPGA、系统与设备、内存与存储等。2021年公 司营收790亿美元，同比 1.5%，创下历史峰值 。股权结构：公司股权结构分散，截至2021年年底公司持股5%以上的股东只有The Vanguard Group（先锋领航集团） 与BlackRock Inc.（贝莱德集团），分别持股8.46%、8.14%。

财务分析：Intel存货周转较慢，库存呈上升趋势

从库存端看，英特尔整体库存规模较大，存货周转较慢；AMD存货周转天数近年来保持稳定 。2006年以来，伴随经营规模的增长，英特尔的存货呈现增长趋势，存货金额由2006年的43.13亿美元增至2020的 84.27亿美元 。2021年，行业“缺芯”态势严重，包括英特尔在内的半导体公司均积极备货，库存明显上升，英特尔21年存货金额 为107.76亿美元，同期AMD存货金额也有明显增长。英特尔存货周转天数也呈现上升趋势，由2006年的78天增至2021年的98天。但AMD的库存管理较好，除个别年份外 ，周转天数普遍在80天以下。

二、处理器架构：单核架构早已成熟，异构、集成继续进步

Intel与架构的关系： 微架构并非Intel开创，比CPU诞生更早

处理器单核微架构的诞生早在1960年代，此时正是计算机从晶体管转向集成电路的时期，流水线（指令并行）、乱序执 行（指令调度）、高速缓存三大核心技术乃至于微架构和指令集的持续兼容性均在这一时期奠定了基础，形成了现代计算 机的基本架构，甚至早于Intel公司的诞生，其中IBM在此过程中起到核心作用。 帮助AMD取得市场成功的K7架构，其使用的总线来自DEC Alpha EV6 （21264，1998年）；2008年初代Core i的 Nehalem架构，其中新引入的QPI总线来自于DEC Alpha EV7 （21364，2001年）。 Intel本质是集成电路公司，用集成电路重做微架构，所以搭载何种微架构更多取决于工艺水平和市场情况。

CPU架构发展现状：面临限制提升放缓，堆料边际效用递减

物理限制：没有工艺的进展，先进架构想要应用就需要更大面积和更多功耗，降低良率，付出超高成本。硅集成电路微缩 有极限，当前工艺制程进展已经明显放缓，成本快速提升，留给架构利用的物理空间增长有限。工艺/架构已成熟后往往 采用DSA（专用架构）。 数学限制：可以并行/乱序执行的指令是有上限的，有一定比例的指令一定需要按照时间先后执行顺序，这一点永远无法 随着架构发展而改变，所以各类并行/动态调度技术都是有上限的，在这方面堆料的效果将逐渐减弱。

早期时代：每一代性能提升10倍，跑马圈地占据先发优势

早期，由于CPU行业刚刚出现，生态尚未形成，决定成败的还是快速推出高性能新产品，争取更多用户，获得更多市场。 早期CPU并无复杂的微架构，大多架构技术还属于大型机专属，此时主要比较主频、位数、晶体管数量等因素。 在早期产品中，Intel几乎一直是最领先的。对于发展早期的芯片类型，关注速度是很重要的， “快鱼吃慢鱼”。

x86时代：持续兼容保持战略定力，兼容前提下自我革命提升性能

8080以后，Intel最大的竞争对手是Motorola，其次还有Zilog、MOS等公司，对手产品性能并不比Intel差。 根据快科技@大伟的信息，MC6800接近8080，MC6809/MOS6502接近8085，MC68000接近8086，MC68010接近 80286，MC68020接近80386，MC68040接近i486。但后期Zilog的Z280、Z28000，MOS的6500系列等已经无法与 Intel和Motorola竞争。 让Intel在与Motorola的竞争中取得胜利的关键就在于兼容性，而Motorola因为没有保证兼容性导致客户升级换代成本太 高。架构设计是决定兼容性的主要因素。

奔腾时代：持续创新吸收技术，性能与生态综合领先

奔腾时代Intel最大的特点是“高端PC芯片” ，击败Motorola后低端又面临AMD和Cyrix等公司的竞争，凭借持续的架构 技术引进以及工艺领先维持与AMD、Cyrix等公司的性能、产品档次差距。 Intel在高端PC芯片基础上衍生出低端PC芯片和PC服务器芯片，与各界竞争对手全面竞争，并凭借大生态优势在服务器 市场取得胜利，凭借技术性能优势在PC市场维持领先地位。

多核时代：性能转向能效，市场持续正反馈

奔腾时代末期，基本只剩下Intel、AMD两大主流厂商占据PC市场，服务器市场的大多数非x86厂商也已经退出。 Core架构是Intel、AMD竞争的一个关键转折点，Intel在此代产品选择放弃Netburst架构，退回到移动端P6架构，不再单 一追求单核性能，而是转向能效比以及多核性能，并且接连推出双核与4核产品，产品节奏加快，迫使AMD再次退守低 端市场，Intel利用Tick-Tock战略持续扩大优势。 Intel Tick-Tock能够奏效的一个关键原因是从“三轨并行”的状态（服务器端Itanium架构/产品线，桌面端Netburst架构/ 奔腾产品线，笔记本端Pentium M/迅驰产品线）转向统一的酷睿架构，研发资源高度集中，形成对AMD的资源优势。

减速时代：架构改进取决于工艺，集成与异构成为新趋势

Skylake架构后，Intel工艺进展不顺，连带架构也难以迭代，导致产品性能逐渐被赶超，AMD利用开放大生态是一个关 键原因。 官方宣布Tick-Tock两年周期变为PAO（工艺，架构，优化）三年周期，实际周期明显超过三年 。工艺放缓与单核架构成熟已成为明显趋势，通过增加核心、异构集成等方式提升系统整体性能成为不得不走的道路。

异构时代：核心微架构基本成熟，场景优化成为关键

自Sandy Bridge 后，SoC架构演 进有所放缓， Skylake后进一步 放缓。单核微架构主要 技术在多年前就 已成熟。指令集发展也较 为成熟，边际效 用递减，AVX512等新指令集 在大多数场景未 收到良好效果 。借鉴ARM领域， 异构集成提高能 效成为下一步的 合理选择。

Alder Lake ：深度改进大小核异构，模块化设计便于扩展

英特尔为异构处理器同步开发线程调度器ITD(Intel Thread Director) ，调度协调两类核心，并与微软合作，优化了ITD在 Windows 11上的性能 。 ITD应用全新的EcoQoS分类，使调度程序能够判断线程是更倾 向于能效还是性能，决定线程是否会被调度到能效核。优先任务 使用P核，后台任务使用E核，AI线程使用P核，循环等待线程使 用E核。

三、基石技术：工艺推进核心性能，封装 片内总线发力后摩尔时代

制程工艺：技术路线复杂，投入巨大，供给极其有限

先进制程研发投入巨大，各IDM/代工厂陆续放弃推进，前沿玩家仅剩三家。 随着晶体管尺寸的缩小，发热与漏电问题愈加显著，先进制程的推进成本大幅上升，联电与格罗方德等厂商宣布放弃 先进制程的推进，转而专注于45-14nm制程中。 目前仍在局的玩家仅剩英特尔、台积电与三星，行业供给极其有限。

制程工艺：公司工艺迭代缓而持续，2025年望重回巅峰

作为IDM厂商与摩尔定律开创者，自有工艺制程革新是英特尔与AMD之间的显著差异。工艺革新是晶体管密度提升的关键。由90nm到如今的Intel 7（10nm），英特尔在制程工艺上经过了“应变硅、增强 型应变硅技术、HKMG（High-K值绝缘层/金属栅极）、增强型HKMG、FinFET、增强型FinFET、 ”等工艺升级。

制程工艺：22nm结构由平面变立体，FinFET经久不衰

FinFET（2011年）——22nm：随着制程的不断缩小， “短沟道效应”愈加明显，采用立体式的FinFET工艺，能够有效 扩大沟道宽度，减少漏电流与降低短沟道效应。

保守的技术——选择DUV，而非EUV 。DUV的波长更长，光源更容易发生衍射，使得Pattern图形无法做得更小，因此在英特尔10nm工艺上，选择了DUV 就需要搭配SAQP，从而提高分辨率。

制程工艺：Intel7后命名规则对标友商，消除营销劣势

Intel 7（2021年）——原10nm Enhanced SuperFin ：从Intel 7开始，公司将采用全新的命名方式，而后的“7nm”也更 名为intel 4。事实上，英特尔10nm性能与台积电7nm性能接近，英特尔7nm性能与台积电4nm性能接近，此次更名，意在 消除营销对比上的劣势。Intel 7能耗比相对于10nm SuperFin提升约10%－15％，首次应用于21年年底的Alder Lake 12代酷睿以及22年第一 季度的Sapphire Rapids四代可扩展至强。Intel 7 同样导入SAQP与COAG（Contact Over Active Gate）技术，以提升晶体管密度。

先进封装：后摩尔时代下的纵向延伸，IDM模式下发展领先

先进封装，后摩尔时代焦点：进入后摩尔时代，制程推进难度变大，研发成本升高。2.5D/3D等先进封装成为半导体“超越摩尔” 的重要路径。其为芯片提供纵向维度的扩张，进一步提升晶体管数量，降低生产成本。 英特尔先进封装技术全球领先：在先进封装领域，英特尔与台积电等厂商进行了较早的布局，因此在量产、应用及技术上都占据领 先地位。目前英特尔的先进封装主要主要供自家使用，已具备EMIB、Foveros、Co-EMIB、ODI、MDIO等技术。

片内总线结构：信息传输的通道，多核堆叠的关键

环状总线（Ring）：进入多核时代后，星形结构就不再适用，Ring总线应运而生。在Ring总线中，通常有两个闭环，分别 为顺时针与逆时针，负责不同方向的通信。8核Ring总线结构，也可称作8C Ring bus 。相比早期的Star总线，ring总线具有更低的通信延迟，各处模块之间交互的效率也大大提升。

四、产品体系：产品分化，同步实现广覆盖与高适应性

产品体系：技术孕育多维产品线，处理器为基本盘

处理器为公司业务的核心，但除处理器外，公司产品已延伸至至数字芯片领域的多个应用场景，包括系统和设备、服务器 产品、FPGA和可编程设备（来自收购的Altera）、结构化ASIC等11类产品与服务。

处理器至强（服务器）：商业化应用场景，性能与成本为首要考量

至强：设计针对服务器市场，商业化应用场景中，对于性能的优先级远高于其他应用场景。 相比用于PC端的酷睿处理器， “至强”并不注重个人游戏，影音等娱乐需求，因此通常无集成核心显卡。“至强”注重稳定性与数据处理，因此主频通常不会太高，但具有更高的核心数与线程数，更适合服务器场景。例如 ，英特尔19Q2发布的至强铂金9282处理器可拥有56个核心与112线程。 “至强”支持CPU多路互联，在单块主板上安装多块互相连接的处理器，多颗CPU同时工作，提升处理器运算能力。

奔腾（中低端PC）：引领CPU历史变革，现用于教育/办公场景

在8086等处理器取得成功后，英特尔于1993年发布第一代奔腾，其非数字形式的名字是为了申请商标，防止友商模仿式命 名，从而强化自身品牌。英特尔的8086、80286、80386产品取得成功后，为防止竞争对手使用相似的命名（如AMD的Am386、Am486等）， 便希望将80586申请商标，而由于数字无法申请商标，因此公司将80586取名为“Pentium” ，由此“奔腾”诞生。奔腾为英特尔早期的唯一产品，而后由其衍生出至强、赛扬等系列。

五、行业演变：多年积累，竞合不断，成就行业两大龙头

发展演变：AMD，同根同源的对手，竞合不断

英特尔在CPU上主要竞争对手是AMD，两者在各个发展阶段联系紧密，竞合不断 。公司创立——英特尔与AMD的创始人均来自“仙童半导体”。“英特尔”创立后，仙童半导体销售部主管杰里·桑德斯加入 无果，便与其它7名仙童半导体员工共同创立了“AMD”。

发展演变：AMD——内研架构，外寻工艺，实现追赶

AMD由IDM转为Fabless：2009年，由于AMD资金紧张，无法继续在代工方面投入大量的资金，其将自有的代工厂“格罗 方德”分拆出售，由IDM转为Fabless，专注于芯片的研发环节。 借力于台积电，实现赶超：英特尔10nm制程进展不顺，而AMD选择台积电进行代工，首次实现在制程维度的反超。借助台 积电先进工艺，结合自身研发多年的Zen架构，AMD CPU性能提升明显，迅速抢占市场。

六：行业启示：下游需求引领行业变革，商业模式需适配产业趋势

架构先行：CPU竞争的核心法宝，技术相对成熟，国产厂商加速追赶

国际上来看，微架构是CPU竞争的核心法宝，目前主要的架构技术已经相对成熟。 指令集架构方面，主要的发展集中于SIMD，到AVX512已经面临GPU等芯片挑战，且应用场景有限。 微架构方面，流水、缓存、乱序等都已经出现数十年，现在边际效用已经出现明显递减。

生态为王：生态是第一竞争力，强者愈强难以颠覆

指令集相当于语言，则软件相当于书籍，语言为书籍提供建立基础，书籍为语言带来大量用户。在大规模生态中，大批用户能够吸引大批开发者，进而产生大批量应用程序，进一步吸引用户，形成正反馈。生态文化 圈用户粘性不断增强，可以在各APP的活跃用户数体现。开放环境中，生态对于市场的影响力远超技术水平、自主程度，其他因素难以颠覆生态。

需求引领：PC成就wintel，快速抢占生态位至关重要

成熟生态壁垒过高，难以颠覆，要开辟新的市场机会则必须有新的市场需求。新的市场需求会创造原有生态不能满足的空 白市场，使新生态得以产生。要充分利用尚未被满足的需求，其中，速度至关重要。尽早推出产品才能占据先发优势，尽早产生正反馈，培植自身生态 圈，对后发者产生压制作用。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。系统发生错误