CPU的“庶民的勝利”

作者：史中

（一）堤壩上的裂縫

人們總說要“活在當下”。

但好多煩惱恰恰來自人們太活在“當下”了。

就拿芯片“卡脖子”這件事來說，很多人的第一反應(yīng)是——中國脖子已經(jīng)被卡了好久，都卡禿嚕皮了。

但看看以下時間點：

2022 年 10 月，美國宣布對中國先進計算芯片的出口管制。距今 1.5 年。

2020 年 3 月，美國宣布禁止臺積電為華為代工。距今 4 年。

2018 年 10 月，美國宣布對福建晉華實施制裁，這已是美國對華芯片壓制的起點，距今 5.5 年。

這段時間，實際上比很多人的感覺更短。也許只是痛苦才讓它顯得漫長，這就是“相對論”吧。。。

有人可能會想：“雖說開始沒多久，但不知道什么時候才能擺脫制裁啊！大的還沒來，豈不是更讓人灼菊？”

要我說，擺脫在芯片上的困局，絕不會難到“家祭無忘告乃翁”的程度！

“理解當下”的最好辦法是“活進歷史”。

你看，1971 年現(xiàn)代 CPU 才誕生，創(chuàng)造 CPU 的那一代人也還世。而在 50 多年的歷史中，CPU 江湖已經(jīng)改朝換代不知幾何。

君不見，每一代霸主都期待構(gòu)建起雄偉的大壩，把技術(shù)之水圍住，可誰又成功了呢？

正如中國古話所說：“千里之堤毀于蟻穴”。

小小的蟻穴都能潰壩，何況。。。這次鷹醬用政策構(gòu)建的堤壩上可不只是蟻穴，甚至可以說有不少裂縫，創(chuàng)可貼都貼不過來。

說到這兒，可能有淺友要吐槽：“中哥你這不就是‘遙遙領(lǐng)先黨’嗎？”

非也。情感畢竟虛幻，事實才能通向答案。

所以，今天的節(jié)目我?guī)Т蠹襾韰⒂^一下 CPU 歷史上的“潰壩事件”。大家看后，也許自有論斷。

我們就從大陸的另一端，煙雨蒙蒙的英國開始吧。

（二）小小的橡果&傲慢的巨頭

1978 年，那是一個春天。

那一年，Intel 公司搞出了一個芯片，叫做“8086”。

那一年，美國的鐵子們開始口耳相傳一個叫做“Apple II”的東西。一千多美元，就能擁有一個性能堪比“阿波羅登月計劃”、設(shè)計騷騷的、界面屌屌的電腦，感覺相當膨脹。

那一年，原本做計算器出身的倆老哥庫里和豪瑟也看到了“微型計算機”的機會，于是合伙在英國建立了一家芯片公司。

公司名字非常狠，叫：CPU，它的全稱是“劍橋處理器公司”。

此時，賭狗們開始展現(xiàn)硬核實力了。

一家專門做賭博機（水果機）的公司找到 CPU，問問他們能不能搞一個芯片，里面能跑程序的那種，幫助賭狗們更愉快地耍（shu）錢。

庫里他們砸吧嘴，賭博機。。。四舍五入也是微型計算機的一個分支吧。有錢不賺王八蛋。

就這樣，他們賺到了創(chuàng)業(yè)的第一桶金。

搞定之后一抬頭，這玩意兒也不難嘛。蘋果能生產(chǎn)個人電腦整機，我們?yōu)槊恍?？?/p>

于是 CPU 公司趕緊注冊了一個對標 Apple 的子公司，給新公司起名不靠風水大師，就靠自己硬凹，標準就是：在通訊錄里一定要TMD排在蘋果公司前面。

所以這個公司必須以 A 開頭，第二個字母還得在 p 之前。

想來想去，他們選定了“Acorn”，也就是橡果，看上去比蘋果命硬多了。

話說，蘋果當時已經(jīng)很流行了，橡果怎么阻擊呢？

沒錯，靠的就是：不是蘋果買不起，而是橡果更有性價比！

1980 年，橡果搞出了一款個人電腦，叫做原子（Atom）。

它用的 CPU 是 MOS 公司生產(chǎn)的 6502。

看到這你可能快出戲了，我只聽過 9527，沒聽過 6502 ?。?/p>

嘿嘿，如果你沒聽過 6502，那你絕對欠它一張票錢。因為大名鼎鼎的任天堂“紅白機”（FC），用的正是這個芯片。

話說這個芯片當時很流行，Apple II 用的也是它。那原子電腦怎么競爭呢？

好辦，顯卡簡配，擴展插槽減少，各種基礎(chǔ)功能都擠在一個電路板上。能省的地方全省了，再把價格直接定到蘋果的三分之一。你就說香不香吧？

風口來了，豬想不上天都難。

1980 年，英國 BBC 推出了一套教育節(jié)目，給大家科普一下計算機時代的浪潮要來了。結(jié)果這個節(jié)目太火了，觀眾們紛紛來電，請 BBC 推薦：我家娃想學電腦，該買啥？

BBC 一看，這么好的機會，我自己攢一臺電腦賣不就行了？

這個活兒最終轉(zhuǎn)包到了橡果電腦身上，廉價夠用的原子電腦把一排鍵帽換成紅色，就成了 BBC Micro 電腦，賣得相當火。

由此，橡果被英國人稱為“英國版蘋果”。

要我說，這路線哪是英國版蘋果，分明是英國版小米。。。

這不，很快橡果就遇到了和小米一樣的問題，界面過于樸實，價格過于親民，沖不了高端。賣 10 臺的利潤還趕不上蘋果、IBM 一臺的零頭。。。

傷害來自對比。當時蘋果剛推出 Apple Lisa，那叫一個美輪美奐，相比之下橡果的超級瑪麗風就不能看了。

于是他們下決心設(shè)計新機型。

搞來搞去，發(fā)現(xiàn)了問題的根源——紅白機的那顆 6502 CPU 給不上力了。

橡果找了一圈，覺得 Lisa 使用的摩托羅拉 68000 CPU 是又貴又難用，只有 Intel 的 x86 系列還勉強能打。

不過橡果沒打算直接買，而是想在 x86 CPU 的基礎(chǔ)架構(gòu)上自己做進一步的定制開發(fā)。

于是 1983 年，橡果找到了 intel，直接問：“你們能不能把 CPU 的架構(gòu)授權(quán)給我們用？”

Intel 說：“玩兒蛋去！”

其實。。。Intel 并沒說這話，而是完全把橡果當空氣。沉默是最大的蔑視。

話說回來，塞翁失馬焉知非福。如果 Intel 搭理了橡果，情況可能更糟。

因為當時 Intel 答應(yīng)了很多日本公司，授權(quán)他們用自己的 x86 架構(gòu)生產(chǎn)芯片。

結(jié)果。。。

1984 年，美國通過了《半導體保護法》。然后 1986 年，Intel 80386 芯片上市前夜，他們直接翻臉，對日本公司“斷供”，導致日本公司集體啞火，無法研制新處理器，只能購買 Intel 的。

看吧，過河拆橋，筑大壩，卡脖子，那都是傳統(tǒng)藝能了。

總之，橡果和 Intel 的梁子算是結(jié)下了。但別急，未來 Intel 有足夠的時間為當初的傲慢買單。

（三）恐龍和老鼠

橡果只好自力更生了。

不過此時，他們設(shè)計過 CPU 的最高水平是——賭博機芯片。

參與設(shè)計那款芯片的兩位工程師 Roger Wilson 和 Steve Furber 心里沒底，特意跑去 6502 的娘家，美國 MOS 公司參觀了一下，回來時他們臉上掛滿了自信的笑容。

MOS 公司的 CPU 部門，唯有破爛辦公室一間，攻城獅幾只。。。啥高級設(shè)備也沒有。

這條件，我們也有?。?/p>

橡果決定像素級對標 MOS：找了一間谷倉，塞進去幾個工程師開始了新 CPU 的研發(fā)。

老師傅們發(fā)現(xiàn)，要想設(shè)計 CPU，自己首先得搞清一個哲學問題：恐龍和老鼠，誰更有生命力？

Intel 芯片的設(shè)計理念就是“恐龍”，它的基因里刻著各種復雜指令，像恐龍一樣能打。但設(shè)計、制造成本更高，跑起來的能耗也高一些。

6502 芯片的設(shè)計理念就是“老鼠”，它的基因里刪掉了很多指令，只留下了比較簡單的。正如老鼠，單位戰(zhàn)斗力比較低，但設(shè)計、生產(chǎn)成本也低啊！

要這么說的話，結(jié)論不是明擺著么？小行星撞地球后，恐龍都變成石油了，“老鼠們”卻進化成了各種高級動物。

選老鼠！

老師傅們博覽當時的論文，找到了心儀的“老鼠原型”：來自伯克利大學的一個叫帕特森的老師主導的論文——精簡指令集，也叫 RISC（Reduced instruction set computer）。

于是，他們決定開發(fā)一款橡果 RISC 電腦芯片：Acorn RISC Machine，簡稱 ARM。

沒錯，剛才你看到的這段往事，正是如今大名鼎鼎的 ARM 的誕生歷史。

話說 ARM 芯片的研發(fā)非常成功。而你懂的，如果劇情一直這么順利，大事兒就要來了。

從 1983 到 1987，研發(fā)新的芯片用了四年時間。

這四年里，“氣候”發(fā)生了翻天覆地的變化——趁橡果埋頭自研的功夫，冒出了一堆“魅藍”之類的競爭對手，他們復制了低價路線，而且更加價格實惠、感動人心。。。

禍不單行，橡果電腦不僅價格優(yōu)勢蕩然無存，還遭遇了供應(yīng)鏈問題，有人買的時候供不上貨，等供上貨之后，人家早買了競爭對手的產(chǎn)品了。

1985 年，橡果的倉庫里積壓了 25 萬臺電腦，股價狂跌到了23便士。

有趣的是，這一年，同樣走高端路線的蘋果也遭遇了滑鐵盧，差點兒破產(chǎn)，喬布斯都給董事會開除了。曾經(jīng)風光無兩的哥倆，轉(zhuǎn)眼成了難兄難弟。

后來，橡果一蹶不振，蘋果慢慢緩過來。

當時蘋果覺得，既然電腦消費者不喜歡了，那來個“商務(wù)通”你們愛不愛？

于是 1990 年，蘋果準備攢個 PDA，名叫牛頓（Newton）。這玩意個頭小，電池也小，帶不起來大功耗的 CPU。

蘋果找來找去，發(fā)現(xiàn)只有 ARM CPU 比較符合要求，于是找到奄奄一息的橡果公司組建了合資公司，也就是 ARM 公司。

當然，“牛頓”最后沒賣出去多少，但 ARM 作為獨苗，好歹是活下來了。

從此，江湖再無橡果，只剩 ARM。

話說那一撥 IT 行業(yè)大洗牌，微軟占了大便宜，它用 Windows 綁定了 Intel，也把后者送進了鼎盛時期。

隨后，CPU 世界像極了侏羅紀時代：

Intel 這只恐龍制霸世界，而 ARM 只能躲在恐龍腳下抱頭鼠竄，靠支持一些小型或手持設(shè)備茍著。

ARM 的邊緣地位，決定了它搞不了 Intel 那種壟斷，只能選擇一種“開放”的生存方式——向各個 CPU 廠商出賣架構(gòu)的授權(quán)。

每一家都收一點兒錢，爭取鋪得廣一些，東方不亮西方亮嘛！

比如，當時德州儀器買了 ARM 授權(quán)，生產(chǎn)出芯片賣給諾基亞做手機；

還有三星，也買了 ARM 芯片放進自家生產(chǎn)的 DVD 里。

隱忍終有出頭日。

2007 年，回歸蘋果的喬布斯從兜里掏出 iPhone，ARM 憑借智能手機時代重返大眾視野；

2008 年，谷歌第一臺 Android 手機 G1 發(fā)布，同樣使用了高通基于 ARM 的處理器；

2011 年， ARM 推出了服務(wù)器芯片架構(gòu)，正式進軍 Intel 的老巢——高性能計算；

2020 年，蘋果倒戈，把 Mac 電腦的芯片從 Intel 全部換成基于 ARM 的 M 芯片。

至此，Intel 在所有戰(zhàn)線上腹背受敵。

如今 Intel 架構(gòu)能干的活兒，ARM 架構(gòu)全能干，而且眼瞅著干得更好。昔日在恐龍腳下躲藏的老鼠如今已經(jīng)有制霸世界的王者氣息。

只是很多人不會記得，ARM 的第一個字母 A，仍舊背負著昔日橡果 Acorn 的舊夢與榮光；

很多人也沒有嗅到，ARM 的第二個字母 R，藏著下一個時代的鋒利預言。

不過在這里，我們首先回答那個問題：ARM 的王子復仇，Intel 的潰壩，這其中到底有多少運氣，又有多少必然呢？

換句話說，如果把歷史倒轉(zhuǎn)，ARM 還有多大勝算逼退 Intel 呢？

我們不如把 CPU 的蓋子撬開，讓里面的“葫蘆娃”告訴我們答案。

（四）“指令集”——葫蘆娃的巴別塔

打個比方。CPU 的蓋子里，密密麻麻排著好多邏輯電路，他們就像不知疲倦的葫蘆娃。

他們的性格比較軸：

1、每種葫蘆娃只會一種技能，不能變通。

2、但只要交給他任務(wù)，他就使命必達，一定能完成。

根據(jù)每一款 CPU 的用途不同，包含的葫蘆娃種類也不同。

但是，總體上這些葫蘆娃可以分為“胖娃”和“瘦娃”兩種。

所謂胖娃，他們的技能是“組合拳”。

例如：A 胖娃每次接到命令，就炒一盤魚香肉絲；B 胖娃每次接到命令，就炒一盤宮保雞丁。

所謂瘦娃，他們的技能是“一拳超人”。

例如：A 瘦娃每次接到命令，就切一刀，B 瘦娃每次接到命令，就翻一下鏟子。

Intel CPU 里，既有瘦娃也有胖娃，所以叫做“復雜指令集”——CISC。

ARM CPU 里，只有瘦娃，沒有胖娃，所以叫做“精簡指令集”——RISC。

有人可能會疑惑：剛不是說 Intel 能干的事兒 ARM 全能干嗎？ARM 沒有胖娃怎么炒“魚香肉絲”？

很簡單，一個胖娃做的事情，總能拆成 N 個瘦娃來做。

這些瘦娃切墩，那些瘦娃顛勺，最后炒出來還是個“魚香肉絲”。（我覺得這一點和馮·諾依曼的“元胞自動機”所暗示的生物學原理有一種隱秘聯(lián)系）

你可能看出來了，使用精簡指令集，雖然葫蘆娃干起活來比較直白，但是寫程序的人類就費勁多了，還得把組合拳拆解成左手右手慢動作，工作量大大的。

那，要“精簡指令集”何用？

在“葫蘆娃”的世界里，有一個 BUG，那就是——“食材”沒地方放。

咱們假設(shè)，切一下肉需要 1 秒，但是從案板上拿起一塊肉就需要 3 秒。

這還沒完，案板才有多大啊，只能擺得下幾樣菜。如果要切的菜案板上沒有，就得去冰箱里取，這一來一回就需要 15 秒；

這還沒完，有些菜冰箱里也沒存，得下樓去小賣部買，這么跑來跑去，少說也得 5 分鐘；

這還沒完，有些菜小賣部也沒有，得去遠處的農(nóng)貿(mào)市場買，一來一回就得 1 天。

最夸張的是，我真的沒有在夸張：其實這些“食材”，就是 CPU 執(zhí)行計算時所需要的數(shù)據(jù)。

案板就是 CPU 的 L1 緩存，從這里取一次數(shù)據(jù)是執(zhí)行一次計算耗時的 3 倍；

冰箱就是 L2 緩存，取數(shù)據(jù)是計算耗時的 15 倍；

小賣部就是計算機的內(nèi)存，存取時間是計算耗時的 300 倍；

而農(nóng)貿(mào)市場，就是計算機的 SSD 硬盤，存取是計算速度的上萬倍。

哎，歸根結(jié)底還是人類技術(shù)太糙，搞出的存儲架構(gòu)比計算架構(gòu)運轉(zhuǎn)慢得多，而且?guī)资赀^去了，二者差距不僅沒有縮小，還越拉越大。

也就是說，CPU 在運行的時候，大部分時間不是在“做菜”，而是在“等人買菜”。

有這個 BUG 存在，CISC（復雜指令集）的麻煩就來了。

在 CISC 架構(gòu)下，胖葫蘆娃只能按部就班干活兒，先看到需要蘿卜就讓人去冰箱里拿蘿卜，切完一看下一步需要木耳而冰箱里沒有，才差人去超市買。

這么一來，該耽誤的時間全耽誤了，不該耽誤的時間也全耽誤了↓↓↓

而 RISC（精簡指令集）架構(gòu)下，因為瘦葫蘆娃是分工的，每個葫蘆娃只做一個動作，所以他們都知道自己需要什么原材料，這樣他們每個人都能配個案板+冰箱，提前備好食材。

就算臨時要去買食材，也能盡早差人去買，“不該耽誤的時間”就能不耽誤了↓↓↓

CISC 的計算過程更像壽司之神：“老師傅一人手搓”；

RISC 的計算過程更像富士康：“流水線萬人協(xié)作”！

結(jié)論來了：ARM 的勝利，本質(zhì)上是工業(yè)大生產(chǎn)的勝利，是技術(shù)的勝利。哪怕重來一百次，ARM 都大概率能戰(zhàn)勝 Intel。

指令集就像是 CPU 的語言。

語言是個雙刃劍，它讓同種同族之間的協(xié)作變得順暢，也在不同種族之間建起高墻。

如果一個程序是為 A 指令集的芯片開發(fā)的，哪怕 B 芯片的指令集哪怕只有微小的差異，程序運行過程中都可能遇到“缺娃”的狀態(tài)，導致崩潰。

所以，操著不同語言的芯片，沒辦法相互理解。

這也是芯片界“巴別塔”的故事。

正因為有“巴別塔”，芯片之間的大壩才能建立。

當年 Intel 豎起高墻，不讓 ARM 使用自己的指令集；

而后來 ARM 同樣豎起高墻，不讓別人“免費”使用自己的指令集。

只不過 ARM 比較地道。它的墻矮了很多：

為了在 Intel 這只恐龍的腳下生存， ARM 架構(gòu)“給錢就賣”，要價確實不貴。

當然這也造就了 ARM 市場占有率接近壟斷，但利潤常年不高，還被賣來賣去的可憐兮兮形象。。。

反過來，對于全球芯片制造商來說，這就非常劃算了，畢竟自己研發(fā)芯片架構(gòu)比購買授權(quán)要花費更多的人力物力。

于是買賣雙方都滿意，一切相安無事。

直到歷史的大河來了個180度大拐彎。

美國開始了騷操作，放出十八道金牌，不允許 ARM 向中國出售它的先進架構(gòu)設(shè)計。昔日的勇士，也（被逼）變成了惡龍。

當時已經(jīng)有很多中國芯片廠商正在基于 ARM 架構(gòu)研發(fā)芯片，最著名的當然就是華為的海思半導體。

這么一來，“指令集”從本來給點錢就解決的小事兒，成了用錢解決不了的大事兒。

那就只剩華山一條路了：讓歷史再輪回一遍，用 ARM 干掉 Intel 的姿勢，再把 ARM 干掉。

這個戰(zhàn)術(shù)翻譯過來就是：用一種新的指令集來代替 ARM，而且，這種指令集的圍墻要比 ARM 還低，最好低到——沒有圍墻，免費使用。

啊。。。這樣的指令集存在嗎？

太存在了。

（五）指令集想要自由

話分兩頭，咱們現(xiàn)在就撥轉(zhuǎn)地球，回到那個熱血奔流的黃金時代的美國。

大衛(wèi)·帕特森來自一個極為普通美國家庭，1960 年代，他成了全家第一個考上大學的人，可謂全村的希望。

所以他的理想樸實無華——財務(wù)自由。

為此，他報了加州大學洛杉磯分校的數(shù)學系，準備將來成為精算師，賺他個小目標先。

可是他在大學里湊學分的時候，偶然上了一學期計算機課，然后熱淚盈眶地頓悟：

財務(wù)自由算什么，搞機才是主要的！

他的人生走上了不歸路。

1979 年，帕特森已經(jīng)是加州大學伯克利分校的計算機教授。他被外派到 DEC 公司，改進他們 VAX 電腦的 VAX 處理器。

又出現(xiàn)了新詞，啥是 VAX 電腦？

這么說吧，當時在個人電腦領(lǐng)域，不是蘋果電腦風生水起嘛，在商用電腦領(lǐng)域，那 VAX 可謂呼風喚雨。

我們在另一篇文章《時代裂隙中的刺客》里，有提到 VAX 電腦的背景，大家可以去那兒了解。

總之，帕特森到那兒一上手，直接驚呆。

VAX 復雜指令集的“療效”，實際上遠沒有廣告里說的那么好。

本來“胖娃”（復雜指令）的出現(xiàn)就是要降低芯片使用的復雜性，可是“胖娃”太多了，要想用好它們，還得搞個“爺爺”來管理他們，也就是額外編寫一組調(diào)度程序，叫做“微代碼”。

帕特森吐槽：為了“省事兒”又做了好多“費事兒”的事兒，你這不是鬧么？

這么說的話，反正都要寫一堆代碼調(diào)度，那我干脆用最簡單的“瘦娃”來組成 CPU 的指令，會不會總體上更省事兒呢？

回去之后，他四處拉贊助，竟然搞來了美國國防部高級研究計劃局，也就是大名鼎鼎的 DARPA 的經(jīng)費，投入精簡指令集的研究。

1981 年，第一個研究性質(zhì)的 RISC 芯片被做出來了。

RISC 芯片僅僅用了 44420 個晶體管，32條指令，理論運行速度就超過了晶體管數(shù)量多一倍的 VAX。（當然實際速度沒這么快，主要原因是制造工藝比較粗糙。）

雖說這個芯片主要供研究，沒裝在任何商用計算機里，但它無疑做了一道證明題：

RISC 確實是可以比 CSIC 更快的。

這里故事就接上了，舞臺追光轉(zhuǎn)到了大西洋彼岸，橡果看到了 RISC 論文，迅速把它商業(yè)化，做出了 ARM。

但在追光之外的加州大學，RISC 的故事可沒有結(jié)束。

我們把進度條直接向后拖，人影如蟻進退，漫長的故事里，終于有第一個中國人出場了。

譚章熹是北京人，清華畢業(yè)后去加州大學做博士，成為了帕特森的關(guān)門弟子。

2009 年時，他負責帶著同學們研究第五代 RISC，也就是 RISC-V。

之所以要搞 RISC-V，是因為當時他們要做一個并行計算的研究，需要一款特殊的 CPU，市面上實在沒有現(xiàn)成的，只好自己做。

這就好像我想做個煎餅果子，但是買不到油條，我只好自己炸一根。。。

你看，RISC-V 最開始真沒啥野心，就是個“油條”。

譚章熹要畢業(yè)了，直接把做了一半的 RISC 項目倒給了實驗室的師弟安德魯·沃特曼和李允燮（他是韓國人）。

這哥倆一看，搓起了小手手，既然市面上流行的 CPU 都在吃“壟斷飯”，那不如來點兒狠的，跟時任實驗室的老師阿薩諾維奇一商量：

直接把 RISC-V 指令集免費開源出去，誰愛用誰用，腫么樣？

你看到了沒，在那一時刻，RISC-V 有意無意地復刻了 ARM 對 Intel 的方法，就是我們剛才提到的“把圍墻變矮戰(zhàn)術(shù)”。

他們把這招做絕了，直接拆了圍墻——都免費了，你還要啥自行車？

說到這兒，我突然想起了當年周鴻祎用免費殺毒干翻一票收費殺毒軟件的故事。“免費”這兩個字的殺傷力有多大，有時連當事人都無法預料。。。

在 2014 年，美國集成電路峰會上一個不起眼的角落，上演了科技史上經(jīng)典的一幕。

RISC-V 的主創(chuàng)班底列隊整齊，擺了幾張紙板，笑吟吟地給每個路人發(fā)他們的徽章，小小的徽章上卻寫著狂妄的口號：

指令集想要自由?。↖nstruction sets want to be free!）

是啊，從 1971 年“指令集”的概念伴隨著第一顆 CPU（Intel 4004）的出現(xiàn)，到 2014 年，已經(jīng)過去了 43 年。

漫長的浮沉，城頭雖然變幻大王旗，可指令集這個“天子”一直被關(guān)在監(jiān)牢里，以此要挾向每一個“諸侯”聽任調(diào)遣。

指令集想要自由。

多說一句，RISC-V 的自由，不是那種“既不要錢也不管你”的自由，而是那種“不要錢還給你服務(wù)”的自由。

比如，它的指令集是像“樂高”一樣的。

不同的指令被打包在不同的“子指令集”中：

有能計算加減乘除的“整數(shù)計算”；

有能計算小數(shù)的“浮點計算”；

也有能計算圖形的“向量計算”；

也有能保證即使出現(xiàn)錯誤程序還能繼續(xù)執(zhí)行的“原子化計算”。

每個“子指令集”就像一塊積木。

你可以用幾塊積木，也可以用幾十塊積木，豐儉由人。

你想要的 CPU 如果用不到某些指令，直接從芯片設(shè)計階段就能“尅掉了”，保證芯片出爐后能以最佳的效率燃燒，一個葫蘆娃都不浪費。

而且，這些積木還是不斷改進樣式的。例如，某種 AI 算法發(fā)展迅速，它用到的新指令也會被社區(qū)給“添油加醋”進去。

你看，這正是開源的精神所在。

如此說來，如果把 ARM 比作“老鼠”，那么 RISC-V 就更像“昆蟲”，它們細小，奇形怪狀，種類繁多，行動迅速，無孔不入。

本來的無心之舉，卻踩中了電門，全世界的程序員蜂擁而至。RISC-V 團隊這才開始認真起來。

2015 年，他們在美國成立了“RISC-V 基金會”，正經(jīng)八百地推廣這個“自由指令集”。

從那一刻起，歷史陡然加速。

雖然此時譚章熹已經(jīng)離開 RISC-V 隊伍去創(chuàng)業(yè)了，但我之所以特別強調(diào)他的貢獻，是想告訴淺友們：這個有可能解放全世界指令集的架構(gòu)，在一開始，就是有中國人的硬核智慧推動的。

從各種角度看，我們在使用它的過程中，不僅不用有“白吃白拿”的愧疚，反而可以”適度驕傲“。

說到這兒，我們終于能把地球儀轉(zhuǎn)回來，看看我們腳下的這片土地，中國人綿延幾十年的”CPU 焦慮“。

（六）“CPU 焦慮”和兩道裂縫

你看這張圖，右邊是帕特森，左邊這位老哥是約翰·軒尼詩。

1980 年他倆在一次學術(shù)會議上見面，馬上私定終身成了一輩子的好基友。

在當時的學界，翻遍各位大佬，只有他倆力挺精簡指令集理念，總在學術(shù)會議上舌戰(zhàn)群儒。

不過他倆不在一個學校，常年兩地分居，沒辦法合作同一個項目。

1981 年，軒尼詩在自己的斯坦福大學獨立創(chuàng)建了一個獨立的精簡指令集 MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages）。

MIPS 可能有的淺友不熟悉，但我告訴你，1994 年索尼推出的 PlayStation 用的正是 MIPS 的芯片。

好多美好的童年記憶可都是 MIPS 一幀一幀給你算出來的呀。是不是又欠一張票錢？

而且 MIPS 和我們中國的緣分不止于此。

在 2001 年時，有一群人把 MIPS 架構(gòu)作為“援軍”引入中國，他們就是中科院背景的龍芯。

在當時，龍芯肩負的使命是四個字：自主可控。

CPU 架構(gòu)一旦確定，極難轉(zhuǎn)向，所以龍芯創(chuàng)業(yè)時也面臨當年橡果一樣的煩惱，要非常謹慎地選擇指令集。

選誰呢？

以 Intel 的尿性，肯定不會給中國人自主可控的架構(gòu)授權(quán)。它歷史上就沒給過，而且還過河拆橋?qū)嵙舆^日本，不足與謀；

當時 ARM 還前途未卜，蝸居在恐龍腳下的“功能機世界”，沒有王者之氣；

只有 MIPS 最為優(yōu)美簡潔，人氣躥升也很快，四舍五入最符合中科院的要求。

你問為啥不用 RISC 指令集？因為那時候 RISC 早期版本都在學校的實驗室里呢，沒有開放給人用。。。

這么說的話，龍芯不是來晚了，而是來早了。

但命運不是電影，誰都沒有主角光環(huán)，沒人關(guān)心你的早晚。

由于之前提到的“葫蘆娃的巴別塔問題”，MIPS 和 x86 在操作系統(tǒng)和軟件生態(tài)上都無法適配，獨立發(fā)展生態(tài)困難重重。

他們做出的 CPU 并未廣泛商用，尤其沒有打入民用市場，所以完全沒有撼動 Intel 的地位。

而且不久后，連 MIPS 自己也開始式微。

“CPU 焦慮”仍在那里，不同的人開始紛紛求索，幾乎試遍了所有道路。

正如大家所知道的，這些團隊大多有高校、研究院等學術(shù)背景。例如海光和兆芯輾轉(zhuǎn)拿到了 x86 架構(gòu)的授權(quán)，嘗試生產(chǎn)兼容 x86 的芯片；例如飛騰，后來拿到了 ARM 的授權(quán)，生產(chǎn) ARM 芯片。

雖然這些 CPU 都存在缺點、妥協(xié)和短板，但“有”和“沒有”的區(qū)別是巨大的。

很大程度上，它們緩解了中國人的“CPU 焦慮”；而他們所培養(yǎng)出來的老師傅，也成為了日后中國高性能計算芯片設(shè)計的中堅力量。

就在大家埋頭探索，淚眼婆娑苦悶至極時，RISC-V 所代表的“自由指令集”思潮開始在中國萌動。

這種震撼，不亞于“十月革命的一聲炮響”。

2014 年，伴隨那次廣場上“指令集想要自由”的呼喊，RISC-V 研究團隊還放出了同名論文，那就是如今被奉為經(jīng)典的《Instruction Sets Should Be Free: The Case For RISC-V》（《指令集應(yīng)該自由：以 RISC-V 為例》）

加州大學的留學生錢學海馬上決定把大洋彼岸的吶喊介紹給中國人。

帕特森很重視，特地讓譚章熹抽出時間來把關(guān)，所以這篇文章的中文翻譯質(zhì)量極高。

錢學海把文章發(fā)給了中科院計算所的研究員包云崗。包云崗推薦到《中國計算機學會通訊》，在2015年2月發(fā)表。

當時，這個文章沒有引起什么轟動，但包云崗的內(nèi)心卻“轟動”了。他決心把生命奉獻給這個自由指令集，成為了中國 RISC-V 布道的先驅(qū)。

在他和很多中科院研究員的奔走呼號下，中國 CPU 的核心玩家都關(guān)注到了 RISC-V 的機會。

現(xiàn)在回望，這些研究員們就是“堤壩上的一條裂縫”。

與其說歷史選擇了他們，不如說他們選擇了歷史。中國人的 CPU 焦慮和 RISC-V 的開源優(yōu)勢客觀地擺在這里，強大的壓強必然會讓它向中國滲透。

他們只是在正確的時間站在了正確的位置。

2019年，帕特森來到上海開會，給大家介紹 RISC-V。

可很多人一聽他的基金會總部在美國，馬上皺眉：“謝謝，不敢用，算了吧?！?/p>

帕特森說：“行，你們等著?！?/p>

他可不是要報復誰，而是回家之后馬上把 RISC-V 基金會的總部遷出美國，移到瑞士。

而且，就在 ARM 被禁運一個月后，他“逆勢”宣布和清華-伯克利深圳學院（TBSI）合作，建立了一個 RISC-V 國際開源實驗室，也就是“RIOS 圖靈實驗室”。

在刺骨寒風中，中國對于 RISC-V 的技術(shù)使用和學術(shù)交流暢通無阻，如爝火不熄。

你看，帕特森雖然是美國人，但他沒有不加思考地就去“代表”美國的利益。作為一個科學家，他思考的是用什么方式可以推動全人類的進步。

帕特森和 RISC-V 核心團隊，成為了堤壩上的“又一個裂縫”。

同樣，與其說歷史選擇了帕特森，不如說他選擇了歷史。

“自由指令集”的思潮從2010年誕生，如果它沒有順應(yīng)現(xiàn)實世界的利益博弈，又怎能頑強地長大？怎會在無數(shù)“CPU Guy”的心里生根發(fā)芽？

正如和一位中國創(chuàng)業(yè)者交談時，帕特森說的那樣：

只要 RISC-V 生態(tài)能做起來，我們不在乎是誰做成這件事。

（七）舊時代的黃昏和“趕夜路的人”

當一個時代的基本幻想枯竭后，這個時代就被視為結(jié)束了。

2018，我愿稱之為“舊世界的最后一年”。

那一年是樂觀的。

有大批學者把“逆全球化”視為短期陣痛，忍忍就過去了，接著奏樂接著舞。

那一年是嘈雜的。

很多投資人像甩撲克一樣把鈔票甩在 AI、網(wǎng)絡(luò)安全、企業(yè)數(shù)字化等各個賽道；

互聯(lián)網(wǎng)大廠也判斷云計算、AI、大數(shù)據(jù)帶來的技術(shù)紅利會像一劑猛藥，把中國經(jīng)濟頂上新臺階。于是他們冒險殺入傳統(tǒng)行業(yè)，以至于選擇性地忽略成本控制。

歷史證明，沒有誰的野心能超過時代的承載，大多努力并不會被命運獎賞。

然而，有少數(shù)例外。

2018 年，阿里巴巴宣布進軍 IoT 賽道，同時收購中天微，重組為“平頭哥半導體”，開始 RISC-V 架構(gòu)芯片的研發(fā)。

第二年，他們拿出了一款性能非常高的，基于 RISC-V 的芯片設(shè)計，玄鐵 C910。

現(xiàn)在回望，這是 RISC-V 在中國的第一聲驚雷。

之后不久，世界隱隱的疼痛突然變成了公開的撕裂。

人們腦海中被陡然刻下鋼?。?/p>

中國人要想造自己的芯片，“自由指令集”哪怕不是唯一的出路，也是最有希望的一條出路。

你可以說是“先見之明”，也可以說是“歪打正著”。反正這時，在 RISC-V 上先走一步的阿里手里已經(jīng)有東西了。

不過當時 RISC-V 的 CPU 主要用在 IoT 設(shè)備里，人們普遍不覺得它能放在“高性能計算”場景（也就是通常所說的電腦或者服務(wù)器）里。

舉幾個栗子，玄鐵的用戶們，有人做工業(yè)控制芯片，有人做汽車控制器，有人做5G基帶，有人做存儲控制器，有人做網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。

普通人基本不想花精力去了解這些芯片。它們沒有華麗的故事，甚至長得灰頭土臉。

但這些芯片的總數(shù)極大，遍布賽博世界的每一個角落。日復一日，如昆蟲般通過簡單的工作換取簡單的生存。

這些芯片本來用的指令集五花八門，也沒人特別在意。

但美國禁令推出后，大家腦袋里的那根弦都被撥動了。很多廠家主動去詢問，能不能把下一代產(chǎn)品里的芯片替換為 RISC-V 架構(gòu)，不僅降低成本，也及早規(guī)避風險。

給你看個數(shù)據(jù)感受下：

到 2021 年底時，全球 RISC-V 指令集的芯片累積賣出了100億片。要知道，ARM 從 0 到 100 億用了 15 年，RISC-V 只用了 7 年。

而在 100 億片中，基于玄鐵的就有25億顆，占到了四分之一。

但是，如果蟲子一直是蟲子，即便數(shù)量再多，也一直會在生態(tài)的底部，和“性感”沒一毛錢關(guān)系。

要打破“CPU 焦慮”，RISC-V 終究要去承擔更重的“高性能計算”任務(wù)！

難度在哪呢？兩個字：生態(tài)。

大家普遍認同，如果 RISC-V 芯片想進入高端生態(tài)，就得摸著 ARM 過河：先進手機，再進服務(wù)器，再進桌面電腦（PC）。

這條路想走通，必須得到這些平臺的主流操作系統(tǒng)適配。

所以，第一步要突破的就是：讓原本只跟 ARM 玩兒的 Android 也能支持 RISC-V。

之前我和平頭哥的同事聊天，他們提到一段“單戀”往事：

2020 年，為了推動 Android 兼容 RISC-V，團隊追著谷歌屁股后面大獻殷勤，但對方表現(xiàn)冷淡。

谷歌高冷也是有原因的。畢竟，有姐妹受過“情傷”。

在 90 年代，微軟看 MIPS 勢頭正勁，于是主動花很大力氣讓 Windows 適配了 MIPS，然后，就沒有然后了。

谷歌可不想再當冤種。。。

有趣的是，時代不同了，Android 和 Windows 也不一樣——Android 的代碼本身就是開源的。

也就是說，理論上平頭哥的老師傅不需要本家許可，就可以根據(jù)它的代碼寫出”野生“的適配程序。

正所謂，我喜歡你，跟你有什么關(guān)系？

正所謂，山不過來，我就過去！

那兩年，無數(shù)頂尖程序員用巨大的熱情和心力，寫出累計十多萬行的代碼補丁，就這樣源源不斷地發(fā)布出來，不問收獲，無問西東。

在一個不被官方承認的地方下這么大的功夫是一種賭博。像極了癡情男子每天都送女孩一車花，連吃瓜群眾都覺得他腦袋秀逗。

但這樣的”癡情“，也只是因為三個字——不甘心！

大量的“野生補丁”持續(xù)放出來，谷歌終于看到了社區(qū)的誠意。

況且美國持續(xù)加碼芯片管控，RISC-V 熱度空前，谷歌心里也打鼓，要是再端著，后面別高攀不起，決定緊急投入重兵。

2022 年 12 月，在 Android 12 上開始原生適配 RISC-V。

歷史再次踩下了加速踏板，系統(tǒng)之王“Linux”開始跟進。

Debian、 Fedora 這種老牌社區(qū)的 Linux 系統(tǒng)開始支持 RISC-V，中國的開源云上操作系統(tǒng) openEuler 和 OpenAnolis 也陸續(xù)支持了 RISC-V，Ubuntu 和 openKylin 這樣傾向于個人場景的 Linux 版本也支持了 RISC-V。

2021 年，達摩院宣布把“玄鐵架構(gòu)”主要的 CPU 家族開源，所有人都可以做一個和玄鐵 C910 一樣的 CPU，而不用給阿里付費。

同樣是 2021 年，RISC-V 最早的布道者包云崗也宣布，帶領(lǐng)中科院大學的團隊推出開源的 RISC-V 處理器架構(gòu)“香山”，同樣可以免費使用。

與此同時，華為、騰訊、小米、百度等等大廠也分別宣布支持 RISC-V 生態(tài)，一眾創(chuàng)業(yè)公司也 All in 在 RISC-V 生態(tài)上。

2023 年 8 月，中國電子工業(yè)標準化技術(shù)協(xié)會牽頭組建了“RISC-V 工委會”，把大大小小各路玩家都集結(jié)起來，開始嚴肅地制定產(chǎn)業(yè)標準、保護知識產(chǎn)權(quán)保護，培養(yǎng)人才。

雖然 RISC-V 在中國的生態(tài)結(jié)構(gòu)剛剛成型，但是“RISC-V 大有希望”的信念卻在人們心中越烙越深。

人們沒時間等待瓜熟蒂落，必須盡快嘗試向高性能計算的兩座高峰——服務(wù)器和桌面電腦——發(fā)起沖鋒。

（八）庶民的勝利

時間終于來到了 2024，給你介紹一個新朋友：如意 Book。

看上去，這是一個平平無奇的筆記本，但顯然不是，它是一個“透明筆記本”。

它的芯片是阿里的玄鐵 C910，操作系統(tǒng)是華為的 OpenEuler，最上面能跑 LibreOffice 這種開源軟件。

也就是說，從下到上，關(guān)鍵部位的代碼都是可見的，這樣一臺完整開源的電腦，在人類科技史上是首次出現(xiàn)。

如意 BOOK 是中科院軟件所和達摩院合作造出來的，它可不僅僅是能點亮這么簡單，它還配備了 GPU、VPU、TEE 可信計算模塊等等，也就是說，現(xiàn)在頂尖電腦的能力它都俱全。

這臺電腦當然。。。不會有什么銷量，但它的意義并不在于銷量。

它標志著開源軟硬件的“全鏈路跑通”。

有了這個“鏈路”，七國八制的工具軟件、操作系統(tǒng)，還有千萬程序員就能附著在上面，尋找自己的位置，成為 RISC-V 指令集自由路上的一塊磚石。

2024 年，達摩院順勢推動成立了一個“無劍聯(lián)盟”。

看看聯(lián)盟的首批參加者，會發(fā)現(xiàn)不少玄機。

Arteris 做的是 SoC 芯片里的數(shù)據(jù)互聯(lián)技術(shù)；

Imagination 做的是 GPU 設(shè)計；

新思科技是頂尖的芯片設(shè)計仿真（EDA）軟件開發(fā)商；

芯昇科技是中國移動旗下的物聯(lián)網(wǎng)芯片生產(chǎn)商；

電信研究院是做通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)中心的。

注意，這里面 Arteris 和新思科技提供的都是芯片工業(yè)中有可能“卡脖子”的關(guān)鍵工具技術(shù)！

他們的全力支持，不僅意味著設(shè)計出一個 RISC-V 的 CPU 的成本和時間將大幅下降，也暗示著 RISC-V 芯片設(shè)計全鏈路目前是完全通暢的。

（這條路會不會一直通暢，會以什么方式“不通暢”，有什么辦法應(yīng)對，那是未來的問題，但重要的是，現(xiàn)在是完全通暢的?。?/p>

所以，在這個時間點上，已經(jīng)有很多先行者決定趁著晨光熹微趕緊出發(fā)。

例如比特大陸詹克團創(chuàng)辦的算能科技，字節(jié)跳動前 RISC 負責人盧山創(chuàng)辦的藍芯算力。

甚至還有個有趣的騷操作，平頭哥把自己玄鐵芯片的負責人孟建熠也給“推”了出去，獨立創(chuàng)辦了知合計算。

這些大佬的目標基本相同：把 RISC-V 架構(gòu)用在服務(wù)器里的高性能 CPU 上，嘗試有朝一日對 Intel 和 ARM 進行替代。

歷史再次快進，有些公司的芯片已經(jīng)開始交付。

比如算能科技，它的 RISC-V 服務(wù)器 CPU SG2042 已經(jīng)獲得了第一批客戶，這些客戶來自運營商和高校。

公開信息顯示，山東大學已采購了 1024 片算能 CPU 用于仿真計算。

雖然人們都知道 RISC-V 架構(gòu)的服務(wù)器 CPU早晚會出現(xiàn)，但當這枚芯片真實呈現(xiàn)在眼前時，仍讓人心潮澎湃。

它就像烏云縫隙里灑下的一道光芒。

在無數(shù) RISC-V CPU 被制造出來的同時，還有一個更閃耀的機會出現(xiàn)，那就是——RISC-V 可以做出“AI 芯片”。

你可能會說：AI 芯片和 CPU 的架構(gòu)不同啊！為啥 CPU 的指令集能做 AI 芯片？

不要忘了，RISC-V 指令集是“樂高積木”，它可以根據(jù)需要刪減指令集，如果要做 AI 芯片，只要把指令集限制在 AI 芯片所需的范圍內(nèi)就好了！

達摩院 RISC-V 團隊的技術(shù)專家李春強說，他們這幫老師傅們都認為 RISC-V 就是為 AI 而生的架構(gòu)，正在編寫一個名叫“Matrix”的指令集模塊，專門用來做 RISC-V 的 AI 計算。

你可能還不太能想象這是一種什么芯片，我給你舉兩個例子吧：

1、現(xiàn)在很多廠商都想把大模型裝進手機里，可是運轉(zhuǎn)一個大模型要耗費很大的算力。

它們需要一個非常高效的專用 AI 芯片來跑這個模型——RISC-V 就是絕佳的候選人。

2、在汽車的自動駕駛系統(tǒng)里，需要 AI 芯片來分析路況，做出駕駛決策。

現(xiàn)在這些芯片的主要玩家是英偉達和高通，但 RISC-V 同樣可以勝任，而且可能更適合。

這并非空談，已經(jīng)有先驅(qū)把這種 AI 芯片做出來了：

華米推出的“黃山 2S”芯片，就是放在手表里的 AI 芯片，可以加速 UI 動效，也可以精準識別“房顫”之類的身體指標異常；

嘉楠科技推出的“K230”芯片，可以放在機器人體內(nèi)，作為它的“視神經(jīng)”。

這昭示了某種兇猛的未來。

2017 年，帕特森和軒尼詩因為對 RISC 和計算機體系架構(gòu)的貢獻而獲得圖靈獎，共同成為計算機歷史上不可磨滅的一座紀念碑。

在他們的獲獎演講上，兩位年逾古稀的計算機老炮兒大聲疾呼：

未來的戰(zhàn)場根本不在“芯片”，而在“計算”。

他們的意思是：

1、現(xiàn)有的芯片、編譯器、編程語言和軟件組成的“計算框架”是在長期發(fā)展中演化出來的結(jié)果，各層雖然能協(xié)作，但最多算“湊合過日子”，主要表現(xiàn)就是——計算效率極其低下。

2、摩爾定律已經(jīng)失效，在現(xiàn)有框架下，做出再好的 RISC-V 芯片也只能把最終計算效率提升一點；

3、如果能做出從“芯片架構(gòu)”到“編譯器”到“編程語言”到“編程規(guī)范”的統(tǒng)一垂直架構(gòu)，則可以把現(xiàn)有計算效率提升幾萬倍。

而想象中的“新計算”，只有 RISC-V 這種“自由指令集”才能支持。

如此說來，你我正在見證的，也許不是指令集的“改朝換代+1”，而是人類歷史中一場前所未見的“計算黎明”。

回到我們的主題。

如果僅僅聚焦歷史局部，你會發(fā)現(xiàn)諸多“反差”：

帕特森和軒尼詩兩位大佬身為美國科學院院士，卻在不同時期幫助中國走過芯片進步的關(guān)鍵一跳；

RISC 架構(gòu)最初研究，靠的是美國國防部的預算，它如今卻成為了中國突破技術(shù)封鎖的有力武器。

為什么？

我再次提醒你：不要“活在當下”。

順歷史長河漂流下來，結(jié)論再明顯不過：技術(shù)的發(fā)展從來與國界無關(guān)。

如果有人非要在國境線上用精心建立起來的堤壩來阻擋技術(shù)的流動，那么可以想見，它的崩潰可能在一瞬間。

恐龍轟然倒下，身體漸漸冷去；但整個地球的生命，正在蓬勃。

指令集的自由，正如庶民的勝利。