內(nèi)容精要:為什么指令集在 CPU 設計中如此重要?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?既不能申請專利,又不是什么商業(yè)機密,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 可以說是整個信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心中的核心,特別是在服務器和 PC 市場,不光是中國,全球范圍看,PC 和服務器 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 中用來計算和控制計算機系統(tǒng)的一套指令的集合。指令集是決定 CPU 運行效率的重要因素之一。
每一種新型的 CPU 在設計時,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橋梁,聯(lián)通 CPU 與外圍軟硬件,對形成生態(tài)至關(guān)重要。
當然了,在所有電子設備 CPU 的指令集中,也不是 X86 獨霸天下,還有很多后起之秀,比如主打精簡指令集的 ARM 公司,在手機處理器、MCU 等領(lǐng)域高歌猛進;比如精簡指令集 RISC-V 更是憑借開源優(yōu)勢,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,形成了勢均力敵的兩大陣營,以 X86 為代表的復雜指令集(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)。
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關(guān)于復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”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。國產(chǎn) CPU 也在這樣的大環(huán)境中蓄勢待發(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,也在積極進軍服務器 CPU 領(lǐng)域。早在 2017 年,瀾起科技就偕同清華大學及英特爾公司,聯(lián)手發(fā)布面向數(shù)據(jù)中心應用的安全可控津逮 CPU。
從上圖中姍姍學步的國產(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,套上個自主知識產(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?既不能申請專利,又不是什么商業(yè)機密,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?搞自主知識產(chǎn)權(quán)標準的事情,我們可是十二分的拿手。
第一個問題,為什么指令集如此重要?
關(guān)于這個問題,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 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,就是形成這個生態(tài)的橋梁。生態(tài)對于一款 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
當然了,筆者之前也提到過,生態(tài)也不是銅墻鐵壁一個,并非完全不能實現(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),確實是一個長期的過程,而且不確定性很大。
但是,在新型舉國體制之下,形成生態(tài)相對就會容易很多。用的人多了,產(chǎn)品升級迭代加速,能夠更好地提升產(chǎn)品成熟度。這也是一個彎道超車的無奈之舉。
第二個問題,既然指令集沒有專利,沒有知識產(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)卻是實實在在存在的。
這事兒從知識產(chǎn)權(quán)角度不好解釋,可能從“標準”角度更容易理解。
這些主流的指令集,已經(jīng)形成了事實上的“行業(yè)標準”。
除了主流的指令集,還有各種千奇百怪的指令集,其實都充當了分母的角色,在行業(yè)內(nèi)主流標準面前日漸式微。
成了事實上的“行業(yè)標準”,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),因為“X86”,“ARM”這些都是獨有的商標。
二是,指令集雖然沒有辦法形成專利,但是實現(xiàn)這些指令的 IC 設計架構(gòu)和方法,最有效率的設計和架構(gòu),早就被申請專利了,你要用這套指令集,具體實現(xiàn)上的大部分專利還是繞不開的。
所有也就存在了一個問題,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。
第三個問題,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)于這個問題,就更具有現(xiàn)實意義了,華為目前拿到了 ARM 公司 ARM V8 芯片架構(gòu)的永久授權(quán)。但從目前的這個形勢看,不但有美國壓力,還有 ARM 公司內(nèi)部動蕩,ARM 更新版的設計,估計授權(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。