最近痛陳國產“芯”悲慘歷史的各種文章充斥網絡，各種民族主義泛濫，今天本號斗膽也評論下國產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。

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

ISA請扛起這口鍋——為什么國產CPU尚未足夠成功

眾所周知，芯片是我國信息產業(yè)發(fā)展的核心領域，而CPU則代表了芯片中的核心技術。在此方面，我國與發(fā)達國家相比有著明顯的差距。雖然經過多年的努力，技術差距已經有了顯著的縮小，但是在民用商業(yè)領域內，仍然沒有看到太多國產CPU的身影。是什么原因造成國產商業(yè)CPU尚未足夠成功這一現狀呢？接下來，我們便細數一下國內自主開發(fā)CPU的公司與現狀，以及它們選擇的指令集流派。通過逐一分析其過去與現狀，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所龍芯課題組研制，由中國科學院計算技術所授權的北京神州龍芯集成電路設計公司研發(fā)。以下是龍芯CPU芯片的相關簡介。

·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系列是國產商用4核處理器。最新龍芯3A3000基于中芯28nm FDSOI工藝，設計為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、高性能服務器、數字信號處理等領域。

2．君正

國內的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，北京君正是國內較早專注于可穿戴、物聯網領域的本土IC設計公司之一。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品和應用軟件具有專用性，軟件生態(tài)鏈相對較短，加上應用需求的多樣化，因此不能用一套通用方案來滿足所有人的要求，所以在這個領域沒有某個廠商可以實現壟斷。因此，在智能穿戴市場不容易出現PC和移動手機市場那樣被x86與ARM架構壟斷的情況。

智能穿戴芯片和物聯網芯片對性能要求不高，大部分應用場景更關注低功耗、廉價和尺寸等因素，君正的產品完全滿足性能要求，x86處理器不可能應用于該領域，ARM陣營IC設計公司受制于相對較高的授權費，在芯片產量較小的情況下，并不具備價格上的競爭力。君正擁有十多年的芯片設計經驗和技術積累，其最大的特點就是具有較高的性能功耗比。國內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，是國家集成電路設計行業(yè)的重要骨干企業(yè)。2005年，AMD與中國政府達成了協議，科技部指定北大微電子中心接收AMD Geode-2處理器的技術授權，AMD的處理器無疑是x86架構，中國因此獲得了x86技術。不過Geode處理器屬于AMD嵌入式處理器，因此AMD授權給北大的x86技術屬于嵌入式架構。

2．兆芯

另外一家使用x86架構的國內企業(yè)——兆芯，也許被更多的人所熟知。眾所周知，核心的x86架構是 Intel和AMD公司的核心技術，美國政府也會嚴格控制其技術的授權。不過，除了Intel和AMD，另外一家中國***公司威盛（VIA）也曾經擁有x86架構授權。據稱，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，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議，將x86技術授權給海光公司，獲得授權費，并且雙方還會成立合資公司，授權其生產服務器處理器。據稱，為了打開中國高性能服務器市場，AMD這次授權給中國公司的x86很可能是最尖端的x86技術。對于海光的表現，也值得我們拭目以待。

Power系——中晟宏芯

藍色巨人IBM的Power架構一直是高性能的代言。IBM于2013年聯合NVIDIA等公司成立OpenPower開放聯盟，其他公司也可以獲得Power架構授權。此后還推動成立了中國POWER技術產業(yè)生態(tài)聯盟，與多家中國公司簽署了授權協議，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技術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架構在不斷深化升級，在雙核Alpha基礎上拓展了多核架構和SIMD等特色擴展指令集，主要面向高性能計算、服務器領域，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)的內容，有必要先對ARM的授權模式進行介紹。簡而言之，ARM公司的主要授權模式可以分為兩種。

·授權“ARM處理器IP”給其他的芯片生產商（合作伙伴），后者直接使用ARM處理器IP設計SoC芯片。

·授權“ARM架構”給其他的芯片生產商（合作伙伴），后者基于ARM架構自研其處理器核，然后使用自研處理器核設計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領域的耕耘積累了雄厚的技術實力。2016年天津飛騰公布了最新產品FT2000，它最早亮相于2015年的HotChips大會，代號“火星”，定位于高性能服務器、行業(yè)業(yè)務主機等。FT2000采用ARMv8指令集，但是使用自研內核，不同于市面上ARMv8的Cortex-A53A57A72（直接購買于ARM公司的內核）。

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?72、浮點585，足以和Xeon E5－2699v3相媲美。這也是國產服務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)應用來說已經完全夠用了，只要軟件生態(tài)跟得上，完全可以在商業(yè)市場上取代Intel的某些產品。

2．華為海思

華為海思目前是我國技術最強大的芯片開發(fā)商之一。華為的麒麟芯片在性能上與高通、三星這些領先的芯片企業(yè)處于一個水平。同時華為目前也是國內四大服務器提供商之一，華為、聯想、浪潮等國產服務器企業(yè)占有中國服務器市場的份額已經超過65%。華為在幾年前便已經購買了ARM指令集架構授權，開始研發(fā)自有的處理器核，主攻服務器市場。

在“十二五”科技創(chuàng)新成就展上，華為展出了其第一臺ARM平臺服務器“泰山”，配備自主研發(fā)ARM架構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。

3．展訊

除華為之外，展訊是另一家國內手機芯片的翹楚。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架構處理器，展訊宣稱在SC9850 4核（Cortex-A7）芯片同樣大的面積上實現了6核的設計，功耗和性能都可以按照自己的需求調配，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關鍵技術的手機芯片廠商。

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計與開發(fā)服務器專用芯片的公司。華芯通已獲ARM v8-A架構授權，并表示中國成為全球第二大數據中心市場，該授權將幫助華芯通半導體在快速擴張的中國服務器市場推出先進服務器芯片組技術，幫助中國企業(yè)在本土市場提供基于ARM的服務器技術，從而推動高效服務器解決方案的大規(guī)模部署。

背鍋俠ISA

從上述幾個章節(jié)中，我們已經了解了國內CPU設計的英雄榜。但是如前文所述，目前在民用商業(yè)領域內，仍然沒有看到太多國產CPU的身影。可以說，國產處理器在民用商業(yè)領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（ISA）對于CPU的重要性，那么對于一款CPU而言，絕對的硬件技術水平不是最重要的。

目前商業(yè)主流的指令集架構在不同的領域已經各自出現了明顯的霸主格局。

· x86架構統(tǒng)治著桌面PC與服務器領域。

·ARM架構統(tǒng)治著移動手持領域，同時對桌面PC和服務器領域全面進軍。

·ARM在嵌入式領域占據絕對優(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，才能夠真正地實現全面的商用化。相信這也是為什么在近幾年來國內CPU設計的英雄榜上涌現出來的大多為x86或者ARM系的原因。

但是，國產自主對我國的國計民生又至關重要，追求國產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架構終究也有其局限性，分別論述如下。

1．x86架構

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

·x86架構的授權費用極為高昂，遠非普通公司或者組織能夠染指。

2．ARM架構

·ARM架構的局面會樂觀很多，因為ARM架構雖然也是屬于ARM公司且受專利保護的架構，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，通過基礎架構授權、IP核授權等方式獲得經濟收益。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經濟利益的獲取。

·國內基于ARM生態(tài)的CPU產業(yè)已有較好基礎，華為海思、展訊、聯芯和飛騰等眾多企業(yè)均已累積多年的ARM芯片研發(fā)經驗，在移動終端領域我國芯片設計技術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CPU英雄榜上使用ARM架構的CPU公司，其成就更加令人可期。

·盡管如此，ARM架構畢竟屬于ARM公司，一方面需要為ARM公司支付極其高昂的授權費（一次數千萬美金），另一方面被軟銀收購后ARM現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。

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

·同樣從全球范圍來看，國內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，非常期待有這樣一種ISA的出現，業(yè)界甚至出現過希望由國家主導指定一種國家標準ISA，從而統(tǒng)一國內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的技術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這樣一種ISA了，作者作為一名CPU設計的老兵，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，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，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，推薦其國內的大學和研究機構均采用RISC-V架構，并且已經制定規(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。

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

·由于處理器架構長期以來主要由以Intel（x86架構）與ARM（ARM架構）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，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，眾多的處理器體系結構走向消亡，國產的商用CPU也無法足夠成功，從而造成了CPU設計這項工作變成了極少數商業(yè)公司的“堂前燕”，普通平民“只可遠觀，而不可褻玩焉”，國內長期沒有形成有足夠影響力的相關產業(yè)與商業(yè)公司。

綜上，作者作為曾經在國際一流公司任職的CPU高級設計工程師，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行的情形。正可謂“曲高者和寡，大音者稀聲”，CPU設計從業(yè)者，頗無奈也。讀至此，被迫轉行的同仁們可能已經老淚縱橫：“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CPU產業(yè)的情形終于發(fā)生了的改觀，由于中國的巨大市場與產業(yè)支持，國內涌現出了如上節(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設計的公司，且隨著RISC-V架構之誕生，都將催生更多的市場需求。

結語：悟已往之不諫，知來者之可追

最近討論國產“芯”悲慘歷史的各種文章充斥網絡，各種民族主義泛濫，本硅斗膽認為國產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。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。。