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。。
-
cpu
+關(guān)注
關(guān)注
68文章
11040瀏覽量
216042 -
指令集
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
228瀏覽量
23720
原文標題:ISA請扛起這口鍋——為什么國產(chǎn)CPU尚未足夠成功
文章出處:【微信號:real_farmer,微信公眾號:硅農(nóng)亞歷山大】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
發(fā)布評論請先 登錄
CISC(復雜指令集)與RISC(精簡指令集)的區(qū)別
分別什么情況下選擇ARM指令集和THUMB指令集?
ARM CPU自主可控指令集設(shè)計實現(xiàn)(一)
什么是CPU擴展指令集
什么是cpu多媒體指令集
mips指令集指的是什么
risc指令集是什么_有哪些

CPU結(jié)構(gòu)與指令集的詳細資料說明

關(guān)于CPU芯片江湖中的門派標志指令集
為什么CPU指令集和微架構(gòu)是江湖門派標志?

評論