國產(chǎn)CPU：引進(jìn)技術(shù)起步，自主研發(fā)前行

國產(chǎn)大飛機(jī)C919的成功商飛，證明我國已經(jīng)擁有了設(shè)計制造大飛機(jī)的能力。繼高鐵、盾構(gòu)機(jī)等多個領(lǐng)域后，我國再次證明技術(shù)后來者，通過在起步階段引進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，吸收消化后，自主研發(fā)不斷發(fā)展前行，這條“引進(jìn)吸收再創(chuàng)新”道路的可行性。

而這一模式也在國產(chǎn)CPU領(lǐng)域充分應(yīng)用。目前國產(chǎn)CPU六大廠商中，其最關(guān)鍵的指令集技術(shù)均引進(jìn)自國外企業(yè)，在引進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上開始了自主研發(fā)，并取得了不同程度的進(jìn)展。這是利用后發(fā)優(yōu)勢的舉措，也可望帶動國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

國產(chǎn)CPU的“師夷長技”

計算機(jī)處理人類的指令，首先要把人的指令翻譯成計算機(jī)硬件能“聽懂“的二進(jìn)制語言，而指令集，就是由CPU執(zhí)行各項指令的集合，相當(dāng)于計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理時，需要用到的最底層的“詞典”。有了這本詞典，CPU才能最終理解人類的操作，并執(zhí)行人類的命令。因此指令集是CPU設(shè)計最底層的核心技術(shù)之一。

從零開始設(shè)計一門面向機(jī)器溝通的語言，其難度之大可想而知。而自研指令集的技術(shù)難度還在其次；最困難的在于，如何為自研指令集發(fā)育配套的生態(tài)。

因?yàn)橹噶罴粌H僅用于計算及操作者與CPU的”對話“，也決定了CPU與計算機(jī)其他軟硬件”對話“，要使用何種語言。也就是說，想讓計算機(jī)能運(yùn)行起來，不但需要CPU能運(yùn)行這種指令集，也需要所有硬件和軟件都能兼容支持這種指令集。

因此，如果自研指令集想存活下來，需最廣泛的軟硬件開發(fā)廠商共同支持，完成對自研指令集的兼容適配。而當(dāng)前市場上，服務(wù)器和個人電腦的主流指令集是x86，占到了90%以上的市場份額，移動設(shè)備則主要為ARM指令集壟斷。

要讓這么多設(shè)備都切換到另一種指令集上，就相當(dāng)于讓世界上說英語的人和說漢語的人都不能再說英語和漢語了，而要說一種新設(shè)計出來的語言，這顯然是難于登天的。

可以說，指令集不僅僅是一種技術(shù)，更是一種通用的規(guī)范。x86指令集形成于個人電腦從無到有快速發(fā)展的歷史環(huán)境，ARM指令集形成于移動設(shè)備從無到有快速發(fā)展的時代變遷。沒有這樣一個開創(chuàng)時代的歷史機(jī)遇，我們很難構(gòu)建屬于自己的且有市場生命力的指令集。

這意味著，國產(chǎn)CPU的發(fā)展，必然要建立在引進(jìn)技術(shù)上。只有在先期引進(jìn)已經(jīng)形成一定生態(tài)規(guī)模的指令集，在此基礎(chǔ)上積累經(jīng)驗(yàn)，逐步形成自主技術(shù)，我們才有可能保持住跟隨步伐，并在下一個歷史機(jī)遇到來時，尋求超越的機(jī)會。

目前，龍芯引進(jìn)MIPS指令集并在其基礎(chǔ)上開發(fā)LoongArch指令集，申威則是在Alpha指令集基礎(chǔ)上自研了SW-64指令集，海光從AMD獲得了x86指令集的永久授權(quán)，兆芯從臺灣Via也獲得x86指令集開發(fā)權(quán)，鯤鵬和飛騰拿到ARM v8授權(quán)。

所以，從本質(zhì)上講，所有國產(chǎn)CPU的底層核心技術(shù)均來自引進(jìn)?！皫熞拈L技”是當(dāng)前國產(chǎn)CPU發(fā)展階段的必然。這將顯著提高我國CPU發(fā)展的速度，也是逐漸形成國產(chǎn)CPU自主技術(shù)應(yīng)有的基礎(chǔ)。

把技術(shù)裝進(jìn)自己的口袋

一直以來，公眾對引進(jìn)技術(shù)的擔(dān)憂是陷入“造不如買”的境地，害怕技術(shù)沒吃透，市場也丟了，因而對國產(chǎn)CPU引進(jìn)技術(shù)存在較多質(zhì)疑。但國產(chǎn)CPU廠商也用實(shí)際行動證明了沒有止步于引進(jìn)。對核心技術(shù)的消化吸收，并形成自主技術(shù)路線，一直是國產(chǎn)CPU的目標(biāo)。

龍芯在引入MIPS指令集后，研發(fā)了LoongArch指令集。今年，龍芯基于LoongArch指令集，發(fā)布了新一代高性能CPU 3D5000。這是龍芯5000系列的最新成員，采用了芯粒（chiplet）技術(shù)，支持2路、4路CPU擴(kuò)展，最多做到單服務(wù)器128核，浮點(diǎn)性能超過1萬億次，主要面向高性能計算領(lǐng)域。這也是龍芯技術(shù)研發(fā)路上的又一關(guān)鍵突破。

通過與AMD的合作獲得x86指令集永久授權(quán)的海光，也在Zen架構(gòu)基礎(chǔ)上走出了自己的特色。在完成技術(shù)消化吸收的前提下，海光共獨(dú)立推出三代產(chǎn)品，海光三號在性能上比海光二號提升了40%左右，接近于Zen3產(chǎn)品水平。而且，海光還基于自己的市場策略走出了自己的技術(shù)路線。Zen架構(gòu)的升級方向主要通過采用更先進(jìn)的芯片工藝和提升單核性能，而海光處理器則是通過對微架構(gòu)的創(chuàng)新升級，提升單核與多核性能并重。

這些成績，均是在2019年AMD不再向海光授權(quán)Zen2架構(gòu)的前提下取得的。顯然，海光一開始就無意于跟隨AMD的腳步，而是基于自身對市場、用戶需求、數(shù)據(jù)安全應(yīng)用等因素的綜合考量開發(fā)自己的產(chǎn)品。

比如，在數(shù)據(jù)安全方面，海光的CPU對存在于Intel CPU上的熔斷漏洞免疫，并能快速修復(fù)幽靈漏洞。熔斷漏洞和幽靈漏洞是Intel的CPU爆出的兩大著名漏洞，Intel用了4年時間還沒有完全修復(fù)幽靈漏洞。這也說明海光的技術(shù)已經(jīng)走到了“基于x86，但不困于x86”的新階段。

而鯤鵬作為ARM指令集CPU的代表，在性能表現(xiàn)上也可圈可點(diǎn)。2019發(fā)布的鯤鵬920，作為業(yè)內(nèi)首款7nm數(shù)據(jù)中心ARM處理器，專為大數(shù)據(jù)處理以及分布式存儲等應(yīng)用而設(shè)計，最高集成64個物理核，主頻最高2.6GHz。

但與龍芯和海光在指令集層面的深入不同，鯤鵬的自主創(chuàng)新型，表現(xiàn)在性能提升以及圍繞華為生態(tài)的定制開發(fā)層面。在底層技術(shù)上，仍可能受到限制。目前，由于ARM公司已經(jīng)表示不會向中國企業(yè)授權(quán)ARM v9指令集，這可能使得鯤鵬未來的發(fā)展遭遇瓶頸。這也從另一側(cè)面證明，引進(jìn)技術(shù)之后，必須把技術(shù)裝進(jìn)自己的口袋才是國產(chǎn)CPU的正確方向。

國產(chǎn)CPU發(fā)展關(guān)鍵，在形成生態(tài)

在技術(shù)上完成消化吸收再創(chuàng)新之后，國產(chǎn)CPU仍面臨建設(shè)生態(tài)的難題。而培育起配套的生態(tài)，才是國產(chǎn)CPU發(fā)展的關(guān)鍵。

這類似于中國高鐵，不但高鐵的生產(chǎn)建造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，還要基于國產(chǎn)高鐵技術(shù)形成上下游供應(yīng)鏈、城市交通規(guī)劃，這才能說中國高鐵已經(jīng)崛起。應(yīng)該說，建設(shè)國產(chǎn)CPU自己的生態(tài)，是在完成技術(shù)消化吸收后，更為關(guān)鍵也更加困難的課題。

目前，龍芯正在為建設(shè)生態(tài)加大投入力度。由于LoongArch指令集與主流指令集不兼容，需要軟硬件廠商圍繞LoongArch指令集，編譯適配成龍芯能“聽懂”的產(chǎn)品。對此，龍芯獨(dú)立完成了從系統(tǒng)架構(gòu)到中間件到上層應(yīng)用的全部工作，以降低合作者的開發(fā)難度；并針對性地優(yōu)化必要的應(yīng)用，降低用戶的使用難度。同時，龍芯計劃推出LoongArch到x86和ARM指令集的轉(zhuǎn)譯器，從而兼容x86和ARM的生態(tài)。

使用x86指令集的海光，生態(tài)建設(shè)上則相對從容，走的最為順暢。海光可以利用x86 CPU多年來已經(jīng)形成的軟硬件生態(tài)，兼容已有的WinTel生態(tài)，從而極大地降低了國產(chǎn)化替代過程中的遷移成本，并獲得廣泛的軟硬件生態(tài)支持，為用戶帶來較為開放的選擇權(quán)。

在2020年，海光還成立了海光產(chǎn)業(yè)生態(tài)合作組織（簡稱光合組織），聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)、高校、科研院所、行業(yè)企業(yè)等相關(guān)組織，共同開發(fā)海光CPU產(chǎn)品的軟硬件配套和解決方案。

目前，光合組織已有3000余家成員單位，完成5000多款軟件優(yōu)化，還聯(lián)合伙伴推出10000多個聯(lián)合解決方案。這一開放的合作，將可望形成像WinTel聯(lián)盟一樣的技術(shù)生態(tài)，推動海光CPU商業(yè)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

國產(chǎn)CPU比國產(chǎn)大飛機(jī)更難的是，不僅要在技術(shù)上達(dá)到世界水準(zhǔn)，還要建立起屬于自己的生態(tài)體系。我們也要正視，在國產(chǎn)CPU領(lǐng)域與國外巨頭還存在差距。因而以引進(jìn)技術(shù)起步，既能直接抬高我們的起點(diǎn)，又避免了重新發(fā)明輪子的資源浪費(fèi)。把注意力集中在吸收技術(shù)，創(chuàng)新發(fā)展，建設(shè)生態(tài)上，這才是國產(chǎn)CPU以后來者追趕領(lǐng)導(dǎo)者應(yīng)有的務(wù)實(shí)姿態(tài)。