最近痛陳國產(chǎn)“芯”悲慘歷史的各種文章充斥網(wǎng)絡(luò)，各種民族主義泛濫，今天本號斗膽也評論下國產(chǎn)CPU為何尚未足夠成功，原因很簡單，那就是手氣差——選錯了指令集架構(gòu)。

本文節(jié)選于出版書籍《手把手教你設(shè)計CPU——RISC-V處理器篇》第一章。

ISA請扛起這口鍋——為什么國產(chǎn)CPU尚未足夠成功

眾所周知，芯片是我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心領(lǐng)域，而CPU則代表了芯片中的核心技術(shù)。在此方面，我國與發(fā)達國家相比有著明顯的差距。雖然經(jīng)過多年的努力，技術(shù)差距已經(jīng)有了顯著的縮小，但是在民用商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，仍然沒有看到太多國產(chǎn)CPU的身影。是什么原因造成國產(chǎn)商業(yè)CPU尚未足夠成功這一現(xiàn)狀呢？接下來，我們便細數(shù)一下國內(nèi)自主開發(fā)CPU的公司與現(xiàn)狀，以及它們選擇的指令集流派。通過逐一分析其過去與現(xiàn)狀，相信能夠讓讀者得到答案。

MIPS系——龍芯和君正

1．龍芯

龍芯CPU由中國科學院計算技術(shù)所龍芯課題組研制，由中國科學院計算技術(shù)所授權(quán)的北京神州龍芯集成電路設(shè)計公司研發(fā)。以下是龍芯CPU芯片的相關(guān)簡介。

·龍芯1號的頻率為266MHz，最早在2002年開始使用，如圖1-3所示。

·龍芯2號的頻率最高為1GHz。

·龍芯3A系列是國產(chǎn)商用4核處理器。最新龍芯3A3000基于中芯28nm FDSOI工藝，設(shè)計為4核64位，主頻為1.5GHz，功耗僅為30W，非常適合筆記本平臺。

·龍芯3B系列是國產(chǎn)商用8核處理器，主頻超過1GHz，支持向量運算加速，峰值計算能力達到128GFLOPS，具有很高的性能功耗比。龍芯3B系列主要用于高性能計算機、高性能服務(wù)器、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域。

2．君正

國內(nèi)的MIPS系還有另外一家公司——北京君正。君正和龍芯同屬于MIPS陣營，與龍芯著力于桌面PC處理器不同，北京君正是國內(nèi)較早專注于可穿戴、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的本土IC設(shè)計公司之一。由于嵌入式芯片的軟件一般按需求定制。這導致在智能可穿戴市場，相當一部分可穿戴產(chǎn)品和應(yīng)用軟件具有專用性，軟件生態(tài)鏈相對較短，加上應(yīng)用需求的多樣化，因此不能用一套通用方案來滿足所有人的要求，所以在這個領(lǐng)域沒有某個廠商可以實現(xiàn)壟斷。因此，在智能穿戴市場不容易出現(xiàn)PC和移動手機市場那樣被x86與ARM架構(gòu)壟斷的情況。

智能穿戴芯片和物聯(lián)網(wǎng)芯片對性能要求不高，大部分應(yīng)用場景更關(guān)注低功耗、廉價和尺寸等因素，君正的產(chǎn)品完全滿足性能要求，x86處理器不可能應(yīng)用于該領(lǐng)域，ARM陣營IC設(shè)計公司受制于相對較高的授權(quán)費，在芯片產(chǎn)量較小的情況下，并不具備價格上的競爭力。君正擁有十多年的芯片設(shè)計經(jīng)驗和技術(shù)積累，其最大的特點就是具有較高的性能功耗比。國內(nèi)第一批上市的智能手表包括果殼的第一代智能手表、土曼一代、土曼二代智能手表等都采用了君正的方案。

x86系——北大眾志、兆芯和海光

1．北大眾志

北京北大眾志微系統(tǒng)科技有限責任公司成立于2002年11月，是國家集成電路設(shè)計行業(yè)的重要骨干企業(yè)。2005年，AMD與中國政府達成了協(xié)議，科技部指定北大微電子中心接收AMD Geode-2處理器的技術(shù)授權(quán)，AMD的處理器無疑是x86架構(gòu)，中國因此獲得了x86技術(shù)。不過Geode處理器屬于AMD嵌入式處理器，因此AMD授權(quán)給北大的x86技術(shù)屬于嵌入式架構(gòu)。

2．兆芯

另外一家使用x86架構(gòu)的國內(nèi)企業(yè)——兆芯，也許被更多的人所熟知。眾所周知，核心的x86架構(gòu)是 Intel和AMD公司的核心技術(shù)，美國政府也會嚴格控制其技術(shù)的授權(quán)。不過，除了Intel和AMD，另外一家中國***公司威盛（VIA）也曾經(jīng)擁有x86架構(gòu)授權(quán)。據(jù)稱，如圖1-8所示，兆芯自主研發(fā)的ZX-C處理器于2015年4月量產(chǎn)，28nm工藝，4核處理器，主頻可達2.0GHz，并且支持國密算法加密。2017年兆芯宣布其最新一代ZX-D系列4核和8核通用處理器已經(jīng)成功流片，并透露將在2018年推出16nm的ZX-E 8核CPU。

3．海光

除了上海兆芯，還有一家誕生不久的新銳公司——天津海光。2016年，AMD宣布與中國天津海光投資公司達成了協(xié)議，將x86技術(shù)授權(quán)給海光公司，獲得授權(quán)費，并且雙方還會成立合資公司，授權(quán)其生產(chǎn)服務(wù)器處理器。據(jù)稱，為了打開中國高性能服務(wù)器市場，AMD這次授權(quán)給中國公司的x86很可能是最尖端的x86技術(shù)。對于海光的表現(xiàn)，也值得我們拭目以待。

Power系——中晟宏芯

藍色巨人IBM的Power架構(gòu)一直是高性能的代言。IBM于2013年聯(lián)合NVIDIA等公司成立OpenPower開放聯(lián)盟，其他公司也可以獲得Power架構(gòu)授權(quán)。此后還推動成立了中國POWER技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟，與多家中國公司簽署了授權(quán)協(xié)議，中晟宏芯就是其中的一家。中晟宏芯成立于2013年，相信宏芯能用若干年的時間實現(xiàn)技術(shù)的消化吸收和推陳出新。

Alpha系——申威

申威處理器或申威CPU，簡稱“SW處理器”。

申威對自主的Alpha架構(gòu)在不斷深化升級，在雙核Alpha基礎(chǔ)上拓展了多核架構(gòu)和SIMD等特色擴展指令集，主要面向高性能計算、服務(wù)器領(lǐng)域，在2016年國際超算大會評比中，基于申威26010處理器的“神威太湖之光”超級計算機系統(tǒng)（如圖1-9所示）首次亮相并奪冠，其峰值性能達每秒12.5×108億次浮點運算，成為世界首臺運行速度超109億次的超級計算機。

ARM系——飛騰、華為海思、展訊和華芯通

為了更好地理解本節(jié)的內(nèi)容，有必要先對ARM的授權(quán)模式進行介紹。簡而言之，ARM公司的主要授權(quán)模式可以分為兩種。

·授權(quán)“ARM處理器IP”給其他的芯片生產(chǎn)商（合作伙伴），后者直接使用ARM處理器IP設(shè)計SoC芯片。

·授權(quán)“ARM架構(gòu)”給其他的芯片生產(chǎn)商（合作伙伴），后者基于ARM架構(gòu)自研其處理器核，然后使用自研處理器核設(shè)計SoC芯片。

1．飛騰

飛騰公司是中國國防科技大學高性能處理器研究團隊建立的企業(yè)，國防科大多年來在CPU領(lǐng)域的耕耘積累了雄厚的技術(shù)實力。2016年天津飛騰公布了最新產(chǎn)品FT2000，它最早亮相于2015年的HotChips大會，代號“火星”，定位于高性能服務(wù)器、行業(yè)業(yè)務(wù)主機等。FT2000采用ARMv8指令集，但是使用自研內(nèi)核，不同于市面上ARMv8的Cortex-A53A57A72（直接購買于ARM公司的內(nèi)核）。

FT2000之所以引人注目還因為它在性能方面，包括高達64個FTC661處理器核，其公布的Spec 2006測試中，成績?yōu)檎麛?shù)672、浮點585，足以和Xeon E5－2699v3相媲美。這也是國產(chǎn)服務(wù)器芯片第一次在性能上追平Intel，存儲器控制芯片總聚合帶寬為204.8GB/s，超過目前的E5V3和E7V3，接近IBM POWER8（230GB/s）。跑分與Intel的Xeon E5－2699v3相媲美意味著飛騰2000對于很多商業(yè)應(yīng)用來說已經(jīng)完全夠用了，只要軟件生態(tài)跟得上，完全可以在商業(yè)市場上取代Intel的某些產(chǎn)品。

2．華為海思

華為海思目前是我國技術(shù)最強大的芯片開發(fā)商之一。華為的麒麟芯片在性能上與高通、三星這些領(lǐng)先的芯片企業(yè)處于一個水平。同時華為目前也是國內(nèi)四大服務(wù)器提供商之一，華為、聯(lián)想、浪潮等國產(chǎn)服務(wù)器企業(yè)占有中國服務(wù)器市場的份額已經(jīng)超過65%。華為在幾年前便已經(jīng)購買了ARM指令集架構(gòu)授權(quán)，開始研發(fā)自有的處理器核，主攻服務(wù)器市場。

在“十二五”科技創(chuàng)新成就展上，華為展出了其第一臺ARM平臺服務(wù)器“泰山”，配備自主研發(fā)ARM架構(gòu)64位處理器“Hi1612”，采用臺積電16nm工藝，擁有多達16個核心，兼容ARMv8-A指令集。憑借華為強大的研發(fā)實力與市場運作能力，相信一定會有不俗的表現(xiàn)。

3．展訊

除華為之外，展訊是另一家國內(nèi)手機芯片的翹楚。2016年展訊的芯片出貨達到67000萬套，2017年6月宣布成功研發(fā)其自主的ARM架構(gòu)處理器，展訊宣稱在SC9850 4核（Cortex-A7）芯片同樣大的面積上實現(xiàn)了6核的設(shè)計，功耗和性能都可以按照自己的需求調(diào)配，標志著展訊成為了除蘋果、三星兩家智能手機廠商之外（三星和蘋果的自主芯片主要都是自用），繼高通之后，第二家擁有自主ARM CPU關(guān)鍵技術(shù)的手機芯片廠商。

4．華芯通

2016年，高通與中國貴州政府合資在華成立了一家芯片公司——華芯通半導體，旨在專門為中國市場設(shè)計與開發(fā)服務(wù)器專用芯片的公司。華芯通已獲ARM v8-A架構(gòu)授權(quán)，并表示中國成為全球第二大數(shù)據(jù)中心市場，該授權(quán)將幫助華芯通半導體在快速擴張的中國服務(wù)器市場推出先進服務(wù)器芯片組技術(shù)，幫助中國企業(yè)在本土市場提供基于ARM的服務(wù)器技術(shù)，從而推動高效服務(wù)器解決方案的大規(guī)模部署。

背鍋俠ISA

從上述幾個章節(jié)中，我們已經(jīng)了解了國內(nèi)CPU設(shè)計的英雄榜。但是如前文所述，目前在民用商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，仍然沒有看到太多國產(chǎn)CPU的身影。可以說，國產(chǎn)處理器在民用商業(yè)領(lǐng)域至今尚未足夠成功的主要原因在于ISA，這口鍋ISA必背無疑。

論述了指令集架構(gòu)（ISA）對于CPU的重要性，那么對于一款CPU而言，絕對的硬件技術(shù)水平不是最重要的。

目前商業(yè)主流的指令集架構(gòu)在不同的領(lǐng)域已經(jīng)各自出現(xiàn)了明顯的霸主格局。

· x86架構(gòu)統(tǒng)治著桌面PC與服務(wù)器領(lǐng)域。

·ARM架構(gòu)統(tǒng)治著移動手持領(lǐng)域，同時對桌面PC和服務(wù)器領(lǐng)域全面進軍。

·ARM在嵌入式領(lǐng)域占據(jù)絕對優(yōu)勢。

因此作者之前一直認為，只有依附于x86與ARM陣營的商業(yè)公司，才能夠真正地實現(xiàn)全面的商用化。相信這也是為什么在近幾年來國內(nèi)CPU設(shè)計的英雄榜上涌現(xiàn)出來的大多為x86或者ARM系的原因。

但是，國產(chǎn)自主對我國的國計民生又至關(guān)重要，追求國產(chǎn)自主安全可控是我國在戰(zhàn)略上必須堅持的方向。從這個角度上來看，選擇x86或者ARM架構(gòu)終究也有其局限性，分別論述如下。

1．x86架構(gòu)

·由于Intel與AMD本身是芯片公司而不是知識產(chǎn)權(quán)（IP）公司，因此x86架構(gòu)是其生命線，假設(shè)其他得到授權(quán)的芯片公司使用x86架構(gòu)生產(chǎn)的芯片對Intel和AMD造成了實質(zhì)威脅時，Intel與AMD完全可以拿起專利的大棒停止授權(quán)。

·x86架構(gòu)的授權(quán)費用極為高昂，遠非普通公司或者組織能夠染指。

2．ARM架構(gòu)

·ARM架構(gòu)的局面會樂觀很多，因為ARM架構(gòu)雖然也是屬于ARM公司且受專利保護的架構(gòu)，但是ARM公司的商業(yè)模式是以開放共贏為基本原則。ARM公司是ARM生態(tài)的主導者和核心規(guī)則的制定者，通過基礎(chǔ)架構(gòu)授權(quán)、IP核授權(quán)等方式獲得經(jīng)濟收益。而生態(tài)系統(tǒng)中大量的上下游軟硬件企業(yè)則遵循ARM統(tǒng)一制定的標準規(guī)范，對接眾多客戶需求而實現(xiàn)經(jīng)濟利益的獲取。

·國內(nèi)基于ARM生態(tài)的CPU產(chǎn)業(yè)已有較好基礎(chǔ)，華為海思、展訊、聯(lián)芯和飛騰等眾多企業(yè)均已累積多年的ARM芯片研發(fā)經(jīng)驗，在移動終端領(lǐng)域我國芯片設(shè)計技術(shù)已與國際主流水平同步，國外的巨頭高通、三星和谷歌等也屬于ARM生態(tài)系統(tǒng)陣營的成員。因此，從全球范圍來看，國內(nèi)外的芯片公司能夠在開放共贏的生態(tài)下進行公平的競爭。基于上述原因，國內(nèi)CPU英雄榜上使用ARM架構(gòu)的CPU公司，其成就更加令人可期。

·盡管如此，ARM架構(gòu)畢竟屬于ARM公司，一方面需要為ARM公司支付極其高昂的授權(quán)費（一次數(shù)千萬美金），另一方面被軟銀收購后ARM現(xiàn)在屬于一家日本公司。因此，從絕對的自主可控的角度來看，受制于人那是在所難免的。

所謂“成也蕭何，敗也蕭何”，讀到此處，讀者可能要問，難道就沒有一種ISA具備如下幾個特點嗎？

（1）它開源共享，不屬于某一家商業(yè)公司私有，因此也就不會有受制于人與自主可控的隱憂，更加不需要向商業(yè)公司支付高昂的授權(quán)費。

（2）它以開放共贏為基本原則，有一個統(tǒng)一的非盈利組織作為主導者和核心規(guī)則的制定者，任何公司和個人都可以永久免費地使用其架構(gòu)。

·生態(tài)系統(tǒng)中大量的上下游軟硬件企業(yè)應(yīng)遵循該組織統(tǒng)一制定的標準規(guī)范，對接眾多客戶需求而實現(xiàn)經(jīng)濟利益的獲取。

·同樣從全球范圍來看，國內(nèi)國外的芯片公司能夠在此開放共贏的生態(tài)下進行公平的競爭。

相信很多人都與作者一樣，在很長的一段時間內(nèi)，非常期待有這樣一種ISA的出現(xiàn)，業(yè)界甚至出現(xiàn)過希望由國家主導指定一種國家標準ISA，從而統(tǒng)一國內(nèi)CPU各ISA派系的聲音。然而，國家標準ISA這種被局限在一國范圍內(nèi)的技術(shù)在當今全球化的趨勢下，必然是格格不入且不可能成功的。于是所有人都認為不可能出現(xiàn)這樣一種ISA了，作者作為一名CPU設(shè)計的老兵，也不得不用一首詩來表達一下彼時的心情：“死去元知萬事空，但悲不見九州同。王師北定中原日，家祭無忘告乃翁”。

然而在2016年，有一位叫做RISC-V的新生突然自帶光環(huán)登場。它完全符合上述提到的兩個條件，屬于全人類的免費開放架構(gòu)，無任何專利的桎梏，眾多國際知名大公司均加入其中，將以開放共贏的生態(tài)下進行公平的競爭。作者隱隱感到，如果這個ISA真能夠發(fā)展起來，這似乎可能是國產(chǎn)CPU崛起的真正機會。

剛才我們提到曾有人建議制定一種國家標準的指令集架構(gòu)，而當RISC-V誕生不久，我們的鄰國印度迅速地采用了RISC-V作為其國家標準的指令集，推薦其國內(nèi)的大學和研究機構(gòu)均采用RISC-V架構(gòu)，并且已經(jīng)制定規(guī)劃且投入專項資金用于開發(fā)幾個不同系列的RISC-V處理器。我們國家的相關(guān)處理器公司，，，，好像一致出離的沉默起來。。

人生已是如此艱難，你又何必拆穿——CPU從業(yè)者的無奈

對于每一個行業(yè)的普通從業(yè)者而言，都希望所在行業(yè)能夠蓬勃發(fā)展、欣欣向榮，能夠有大量的商業(yè)公司參與并產(chǎn)生大量工作崗位的需求。倘使所在的行業(yè)或是日暮西山，或是走向寡頭化成為一潭死水，自然也就無法誕生大量的工作需求，那普通的從業(yè)者們可能就只有“尋尋覓覓，冷冷清清，凄凄慘慘戚戚”，或者“門前冷落鞍馬稀，老大嫁作商人婦”了。

處理器設(shè)計便是一個典型的例子。雖然處理器設(shè)計是一門開放的學科，其所需的技術(shù)均已成熟，很多的工程師與從業(yè)人員都已經(jīng)掌握，也具備開發(fā)的處理器的能力。但是：

·由于處理器架構(gòu)長期以來主要由以Intel（x86架構(gòu)）與ARM（ARM架構(gòu)）為代表的商業(yè)巨頭公司所掌控，及其軟件生態(tài)環(huán)境衍生出的寡頭排他效應(yīng)，成為了普通公司與個人無法逾越的天塹。

·由于寡頭的排他效應(yīng)，眾多的處理器體系結(jié)構(gòu)走向消亡，國產(chǎn)的商用CPU也無法足夠成功，從而造成了CPU設(shè)計這項工作變成了極少數(shù)商業(yè)公司的“堂前燕”，普通平民“只可遠觀，而不可褻玩焉”，國內(nèi)長期沒有形成有足夠影響力的相關(guān)產(chǎn)業(yè)與商業(yè)公司。

綜上，作者作為曾經(jīng)在國際一流公司任職的CPU高級設(shè)計工程師，竟一度在換工作時面臨擇業(yè)無門的窘境，更扼腕嘆息眾多同仁被迫轉(zhuǎn)行的情形。正可謂“曲高者和寡，大音者稀聲”，CPU設(shè)計從業(yè)者，頗無奈也。讀至此，被迫轉(zhuǎn)行的同仁們可能已經(jīng)老淚縱橫：“人生已是如此的艱難，你又何必拆穿啊”。

好消息是最近幾年來國內(nèi)CPU產(chǎn)業(yè)的情形終于發(fā)生了的改觀，由于中國的巨大市場與產(chǎn)業(yè)支持，國內(nèi)涌現(xiàn)出了如上節(jié)中我們提到的兆芯、飛騰、華為、展訊、海光和華芯通等從事CPU設(shè)計的公司，且隨著RISC-V架構(gòu)之誕生，都將催生更多的市場需求。

結(jié)語：悟已往之不諫，知來者之可追

最近討論國產(chǎn)“芯”悲慘歷史的各種文章充斥網(wǎng)絡(luò)，各種民族主義泛濫，本硅斗膽認為國產(chǎn)CPU為何尚未足夠成功，原因很簡單，那就是手氣差——選錯了指令集架構(gòu)。面向未來，我們該如何選擇？。。。聽說隔壁樓盤新開了一期，不知道這一批價格漲的咋樣。。。對了，查一查本期的房貸幾號到期。。卡里的錢好像不夠了。。