國產(chǎn)CPU，指令集之殤
2020-6-27 17:54:32??????點(diǎn)擊：
內(nèi)容精要：為什么指令集在 CPU 設(shè)計(jì)中如此重要？為什么所有國產(chǎn) CPU 都需要指令集授權(quán)？指令集不就是一系列控制命令的規(guī)則合集么？既不能申請(qǐng)專利，又不是什么商業(yè)機(jī)密，為什么指令集還需要授權(quán)？華為公司如果被 ARM 斷供最新的 CPU 架構(gòu)授權(quán)，未來的路該如何走？
無芯之痛的陰影，縈繞在中國科技和產(chǎn)業(yè)界幾十年了。
“缺芯少魂”，描述的就是中國沒有真正自主可控 CPU 的痛。
CPU 可以說是整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心中的核心，特別是在服務(wù)器和 PC 市場(chǎng)，不光是中國，全球范圍看，PC 和服務(wù)器 CPU 也是以 X86 架構(gòu)為主，基本 Intel 和 AMD 兩家公司壟斷。
這里的 X86 架構(gòu)，指的就是 Intel 和 AMD 公司 CPU 使用的指令集。
所謂指令集，是 CPU 中用來計(jì)算和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一套指令的集合。指令集是決定 CPU 運(yùn)行效率的重要因素之一。
每一種新型的 CPU 在設(shè)計(jì)時(shí)，就規(guī)定了一系列與其他硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。
“與其他硬件電路相配合”，決定的是這一款 CPU 的生態(tài)系統(tǒng)。
因此，指令集搭建的是一個(gè)橋梁，聯(lián)通 CPU 與外圍軟硬件，對(duì)形成生態(tài)至關(guān)重要。
當(dāng)然了，在所有電子設(shè)備 CPU 的指令集中，也不是 X86 獨(dú)霸天下，還有很多后起之秀，比如主打精簡指令集的 ARM 公司，在手機(jī)處理器、MCU 等領(lǐng)域高歌猛進(jìn)；比如精簡指令集 RISC-V 更是憑借開源優(yōu)勢(shì)，匯集了大部分創(chuàng)業(yè)公司的力量；除此之外，還有 MIPS 技術(shù)公司主推的 MIPS 架構(gòu)的精簡指令集（國產(chǎn) CPU 龍芯，用的就是 MIPS 指令集架構(gòu)授權(quán)）。
所以，目前 CPU 指令集，形成了勢(shì)均力敵的兩大陣營，以 X86 為代表的復(fù)雜指令集（CISC，Complex Instruction Set Computing）和以 ARM、RISC-V、MIPS 為代表的精簡指令集（RISC，Reduced Instruction Set Computing RISC）。
關(guān)于復(fù)雜指令集和精簡指令集的區(qū)別，本文不再贅述，感興趣的讀者可以參考公眾號(hào)”科創(chuàng)之道“往期文章《RISC-V 能否重構(gòu)芯片產(chǎn)業(yè)格局》。
在這幾年信創(chuàng)大潮的推動(dòng)下，疊加中美貿(mào)易摩擦，都大大提升了中國高科技自主創(chuàng)新意識(shí)。國產(chǎn) CPU 也在這樣的大環(huán)境中蓄勢(shì)待發(fā)。
目前我國國產(chǎn)處理器芯片的主要參與者有：龍芯、兆芯、飛騰 、海光、申威和華為等。
圖片來源：華泰證券
當(dāng)然，除此之外，科創(chuàng)板千億市值的上市公司，瀾起科技，也在積極進(jìn)軍服務(wù)器 CPU 領(lǐng)域。早在 2017 年，瀾起科技就偕同清華大學(xué)及英特爾公司，聯(lián)手發(fā)布面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的安全可控津逮 CPU。
從上圖中姍姍學(xué)步的國產(chǎn) CPU 來看，要么是指令集授權(quán)，要么是 IP 授權(quán)，要么干脆是中外合資技術(shù)引進(jìn)，套上個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的外殼……
毫無例外的，指令集都是來自國外的授權(quán)，要么是 X86，要么是 ARM，要么是 MIPS……
為什么指令集如此重要？按照常規(guī)的理解，指令集不就是一系列控制命令的規(guī)則合集么？既不能申請(qǐng)專利，又不是什么商業(yè)機(jī)密，為什么指令集還需要授權(quán)？
要說搞一套國產(chǎn)指令集，那還不是分分鐘的事情？搞自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)的事情，我們可是十二分的拿手。
第一個(gè)問題，為什么指令集如此重要？
關(guān)于這個(gè)問題，還是要回到前文所提到的“生態(tài)”。
任何一款 CPU 都是不孤立的存在，正是基于其處于整個(gè) IT 系統(tǒng)核心位置，在生態(tài)形成的問題上至關(guān)重要。
而指令集，就是形成這個(gè)生態(tài)的橋梁。生態(tài)對(duì)于一款 CPU 的成敗起到了至關(guān)重要的作用，產(chǎn)業(yè)不支持，性能再高的 CPU 都沒有用武之地。
這也是為什么華為的鯤鵬，將產(chǎn)品和生態(tài)放在同等地位的原因。
鯤鵬生態(tài)，圖片來源：東吳證券
當(dāng)然了，筆者之前也提到過，生態(tài)也不是銅墻鐵壁一個(gè)，并非完全不能實(shí)現(xiàn)突破。在常規(guī)模式之下，靠著產(chǎn)業(yè)潛移默化來形成生態(tài)，確實(shí)是一個(gè)長期的過程，而且不確定性很大。
但是，在新型舉國體制之下，形成生態(tài)相對(duì)就會(huì)容易很多。用的人多了，產(chǎn)品升級(jí)迭代加速，能夠更好地提升產(chǎn)品成熟度。這也是一個(gè)彎道超車的無奈之舉。
第二個(gè)問題，既然指令集沒有專利，沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為什么還需要授權(quán)？
的確，指令集作為一套 CPU 控制指令的集合，本身是沒有辦法形成專利的。但是指令集授權(quán)卻是實(shí)實(shí)在在存在的。
這事兒從知識(shí)產(chǎn)權(quán)角度不好解釋，可能從“標(biāo)準(zhǔn)”角度更容易理解。
這些主流的指令集，已經(jīng)形成了事實(shí)上的“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”。
除了主流的指令集，還有各種千奇百怪的指令集，其實(shí)都充當(dāng)了分母的角色，在行業(yè)內(nèi)主流標(biāo)準(zhǔn)面前日漸式微。
成了事實(shí)上的“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，就意味著形成了生態(tài)，你要用這套指令集規(guī)則，也不是不可以，但要回避兩方面：
一是，你不能宣稱兼容“X86”，“ARM”等，用來吸引產(chǎn)業(yè)界，來形成自己的生態(tài)，因?yàn)椤癤86”，“ARM”這些都是獨(dú)有的商標(biāo)。
二是，指令集雖然沒有辦法形成專利，但是實(shí)現(xiàn)這些指令的 IC 設(shè)計(jì)架構(gòu)和方法，最有效率的設(shè)計(jì)和架構(gòu)，早就被申請(qǐng)專利了，你要用這套指令集，具體實(shí)現(xiàn)上的大部分專利還是繞不開的。
所有也就存在了一個(gè)問題，如果是指令集架構(gòu)授權(quán)，背后的專利是不是也存在授權(quán)情況？
這事兒不敢說太細(xì)。
第三個(gè)問題，基于老版本的主流指令集，能否更容易形成自己的生態(tài)？
關(guān)于這個(gè)問題，就更具有現(xiàn)實(shí)意義了，華為目前拿到了 ARM 公司 ARM V8 芯片架構(gòu)的永久授權(quán)。但從目前的這個(gè)形勢(shì)看，不但有美國壓力，還有 ARM 公司內(nèi)部動(dòng)蕩，ARM 更新版的設(shè)計(jì)，估計(jì)授權(quán)給華為公司更加難上加難了。
所以，華為未來更要自力更生了。
有了老的架構(gòu)授權(quán)，就有了基礎(chǔ)，但未來，華為還是需要更加注重生態(tài)。
任重道遠(yuǎn)。
無芯之痛的陰影，縈繞在中國科技和產(chǎn)業(yè)界幾十年了。
“缺芯少魂”，描述的就是中國沒有真正自主可控 CPU 的痛。
CPU 可以說是整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心中的核心，特別是在服務(wù)器和 PC 市場(chǎng)，不光是中國，全球范圍看，PC 和服務(wù)器 CPU 也是以 X86 架構(gòu)為主，基本 Intel 和 AMD 兩家公司壟斷。
這里的 X86 架構(gòu)，指的就是 Intel 和 AMD 公司 CPU 使用的指令集。
所謂指令集，是 CPU 中用來計(jì)算和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一套指令的集合。指令集是決定 CPU 運(yùn)行效率的重要因素之一。
每一種新型的 CPU 在設(shè)計(jì)時(shí)，就規(guī)定了一系列與其他硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。
“與其他硬件電路相配合”，決定的是這一款 CPU 的生態(tài)系統(tǒng)。
因此，指令集搭建的是一個(gè)橋梁，聯(lián)通 CPU 與外圍軟硬件，對(duì)形成生態(tài)至關(guān)重要。
當(dāng)然了，在所有電子設(shè)備 CPU 的指令集中，也不是 X86 獨(dú)霸天下，還有很多后起之秀，比如主打精簡指令集的 ARM 公司，在手機(jī)處理器、MCU 等領(lǐng)域高歌猛進(jìn)；比如精簡指令集 RISC-V 更是憑借開源優(yōu)勢(shì)，匯集了大部分創(chuàng)業(yè)公司的力量；除此之外，還有 MIPS 技術(shù)公司主推的 MIPS 架構(gòu)的精簡指令集（國產(chǎn) CPU 龍芯，用的就是 MIPS 指令集架構(gòu)授權(quán)）。
所以，目前 CPU 指令集，形成了勢(shì)均力敵的兩大陣營，以 X86 為代表的復(fù)雜指令集（CISC，Complex Instruction Set Computing）和以 ARM、RISC-V、MIPS 為代表的精簡指令集（RISC，Reduced Instruction Set Computing RISC）。
關(guān)于復(fù)雜指令集和精簡指令集的區(qū)別，本文不再贅述，感興趣的讀者可以參考公眾號(hào)”科創(chuàng)之道“往期文章《RISC-V 能否重構(gòu)芯片產(chǎn)業(yè)格局》。
在這幾年信創(chuàng)大潮的推動(dòng)下，疊加中美貿(mào)易摩擦，都大大提升了中國高科技自主創(chuàng)新意識(shí)。國產(chǎn) CPU 也在這樣的大環(huán)境中蓄勢(shì)待發(fā)。
目前我國國產(chǎn)處理器芯片的主要參與者有：龍芯、兆芯、飛騰 、海光、申威和華為等。
圖片來源：華泰證券
當(dāng)然，除此之外，科創(chuàng)板千億市值的上市公司，瀾起科技，也在積極進(jìn)軍服務(wù)器 CPU 領(lǐng)域。早在 2017 年，瀾起科技就偕同清華大學(xué)及英特爾公司，聯(lián)手發(fā)布面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的安全可控津逮 CPU。
從上圖中姍姍學(xué)步的國產(chǎn) CPU 來看，要么是指令集授權(quán)，要么是 IP 授權(quán)，要么干脆是中外合資技術(shù)引進(jìn)，套上個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的外殼……
毫無例外的，指令集都是來自國外的授權(quán)，要么是 X86，要么是 ARM，要么是 MIPS……
為什么指令集如此重要？按照常規(guī)的理解，指令集不就是一系列控制命令的規(guī)則合集么？既不能申請(qǐng)專利，又不是什么商業(yè)機(jī)密，為什么指令集還需要授權(quán)？
要說搞一套國產(chǎn)指令集，那還不是分分鐘的事情？搞自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)的事情，我們可是十二分的拿手。
第一個(gè)問題，為什么指令集如此重要？
關(guān)于這個(gè)問題，還是要回到前文所提到的“生態(tài)”。
任何一款 CPU 都是不孤立的存在，正是基于其處于整個(gè) IT 系統(tǒng)核心位置，在生態(tài)形成的問題上至關(guān)重要。
而指令集，就是形成這個(gè)生態(tài)的橋梁。生態(tài)對(duì)于一款 CPU 的成敗起到了至關(guān)重要的作用，產(chǎn)業(yè)不支持，性能再高的 CPU 都沒有用武之地。
這也是為什么華為的鯤鵬，將產(chǎn)品和生態(tài)放在同等地位的原因。
鯤鵬生態(tài)，圖片來源：東吳證券
當(dāng)然了，筆者之前也提到過，生態(tài)也不是銅墻鐵壁一個(gè)，并非完全不能實(shí)現(xiàn)突破。在常規(guī)模式之下，靠著產(chǎn)業(yè)潛移默化來形成生態(tài)，確實(shí)是一個(gè)長期的過程，而且不確定性很大。
但是，在新型舉國體制之下，形成生態(tài)相對(duì)就會(huì)容易很多。用的人多了，產(chǎn)品升級(jí)迭代加速，能夠更好地提升產(chǎn)品成熟度。這也是一個(gè)彎道超車的無奈之舉。
第二個(gè)問題，既然指令集沒有專利，沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為什么還需要授權(quán)？
的確，指令集作為一套 CPU 控制指令的集合，本身是沒有辦法形成專利的。但是指令集授權(quán)卻是實(shí)實(shí)在在存在的。
這事兒從知識(shí)產(chǎn)權(quán)角度不好解釋，可能從“標(biāo)準(zhǔn)”角度更容易理解。
這些主流的指令集，已經(jīng)形成了事實(shí)上的“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”。
除了主流的指令集，還有各種千奇百怪的指令集，其實(shí)都充當(dāng)了分母的角色，在行業(yè)內(nèi)主流標(biāo)準(zhǔn)面前日漸式微。
成了事實(shí)上的“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，就意味著形成了生態(tài)，你要用這套指令集規(guī)則，也不是不可以，但要回避兩方面：
一是，你不能宣稱兼容“X86”，“ARM”等，用來吸引產(chǎn)業(yè)界，來形成自己的生態(tài)，因?yàn)椤癤86”，“ARM”這些都是獨(dú)有的商標(biāo)。
二是，指令集雖然沒有辦法形成專利，但是實(shí)現(xiàn)這些指令的 IC 設(shè)計(jì)架構(gòu)和方法，最有效率的設(shè)計(jì)和架構(gòu)，早就被申請(qǐng)專利了，你要用這套指令集，具體實(shí)現(xiàn)上的大部分專利還是繞不開的。
所有也就存在了一個(gè)問題，如果是指令集架構(gòu)授權(quán)，背后的專利是不是也存在授權(quán)情況？
這事兒不敢說太細(xì)。
第三個(gè)問題，基于老版本的主流指令集，能否更容易形成自己的生態(tài)？
關(guān)于這個(gè)問題，就更具有現(xiàn)實(shí)意義了，華為目前拿到了 ARM 公司 ARM V8 芯片架構(gòu)的永久授權(quán)。但從目前的這個(gè)形勢(shì)看，不但有美國壓力，還有 ARM 公司內(nèi)部動(dòng)蕩，ARM 更新版的設(shè)計(jì)，估計(jì)授權(quán)給華為公司更加難上加難了。
所以，華為未來更要自力更生了。
有了老的架構(gòu)授權(quán)，就有了基礎(chǔ)，但未來，華為還是需要更加注重生態(tài)。
任重道遠(yuǎn)。
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