指令集架構(gòu)與開(kāi)源架構(gòu)

首先所有推崇RISC-V的文章都在說(shuō)RISC-V架構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗面積低，這其實(shí)跟以前夸MIPS沒(méi)什么不同。在CPU設(shè)計(jì)里，指令集是其中最簡(jiǎn)單最基礎(chǔ)的一部分，可以說(shuō)，采用RISC架構(gòu)的指令集都差不多，無(wú)非是在寄存器數(shù)目，分支跳轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)存取等指令方面做一些取舍，達(dá)到某種平衡，滿足某些特定需要。

在學(xué)院派那兒PK的功耗面積，在工程派眼中離實(shí)用還遠(yuǎn)的很。做出一個(gè)demo和做出真正工程上能用的產(chǎn)品還隔著十萬(wàn)八千里，而工程上能用距離商業(yè)成功又隔了十萬(wàn)八千里。因?yàn)橐粋€(gè)指令集就把某種架構(gòu)夸上天實(shí)在沒(méi)必要。

開(kāi)源架構(gòu)受到追捧隱含的另一個(gè)意思是Arm等IP廠商授權(quán)太貴，所以總有人揭竿而起要革商業(yè)公司的命，用免費(fèi)打敗收費(fèi)。

第一個(gè)誤會(huì)是指令集架構(gòu)授權(quán)和CPU。

核的授權(quán)被刻意模糊了。Arm的CPU核授權(quán)門(mén)檻其實(shí)很低，甚至有DesignStart你們可以了解一下，基本可以免費(fèi)獲取Cortex-M0和Cortex-M3，一些媒體文章動(dòng)輒說(shuō)Arm授權(quán)費(fèi)要千萬(wàn)美金，錢(qián)真有那么好賺嗎？Arm被孫正義收購(gòu)的時(shí)候營(yíng)收一年也就10多億美金，這生意絕對(duì)說(shuō)不上大。架構(gòu)授權(quán)的客戶都是財(cái)大氣粗玩的起的主兒，如我大蘋(píng)果、大高通、大三星等，初創(chuàng)公司完全有很多很便宜的選擇，干嘛一上手就搞架構(gòu)授權(quán)？刻意強(qiáng)調(diào)千萬(wàn)美金授權(quán)不能不說(shuō)是有意誤導(dǎo)。

第二個(gè)誤會(huì)則是來(lái)自開(kāi)源社區(qū)。

很多人說(shuō)開(kāi)源架構(gòu)免費(fèi)多好呀，但我要說(shuō)從架構(gòu)定義到CPU核實(shí)現(xiàn)這中間有很長(zhǎng)的路要走，這一部分并不免費(fèi)，像SiFive等公司都是要收錢(qián)的，與Arm的CPU核授權(quán)并無(wú)多少區(qū)別。把開(kāi)源解讀為免費(fèi)恐怕是一個(gè)中英文翻譯中的誤會(huì)。在開(kāi)源社區(qū)的概念剛剛被引入的時(shí)候就有人把Free Software翻譯為免費(fèi)軟件，但其實(shí)更準(zhǔn)確的翻譯是自由軟件或開(kāi)源軟件，開(kāi)源不等于免費(fèi)，免費(fèi)也不等于開(kāi)源。開(kāi)源指的是源代碼公開(kāi)，任何人可以免費(fèi)獲取自行編譯或重新開(kāi)發(fā)，只是要遵循相應(yīng)的版權(quán)協(xié)議，像Linux遵循的是GPL協(xié)議，用GPL開(kāi)源協(xié)議的代碼重新開(kāi)發(fā)的軟件也必須開(kāi)源。免費(fèi)指的是軟件不收錢(qián)，但是不一定開(kāi)源。大名鼎鼎的Redhat Linux是開(kāi)源的，但是也不影響Redhat公司靠服務(wù)費(fèi)收錢(qián)。在開(kāi)源架構(gòu)社區(qū)也是一樣，指令集是開(kāi)源的，遵循BSD協(xié)議，各家開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品不是必須要開(kāi)源回饋給社區(qū)。各家公司在這個(gè)指令集基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的自己的CPU核產(chǎn)品都是要收費(fèi)的，畢竟開(kāi)發(fā)CPU核產(chǎn)品也是要投入人力研發(fā)的啊。

以上這些都是老生常談。開(kāi)源架構(gòu)每過(guò)幾年就要來(lái)一輪，背后其實(shí)大家都懂，就是學(xué)院派總是要有點(diǎn)新的研究成果，“國(guó)外一開(kāi)源，我們就自主”的風(fēng)氣決定了，國(guó)外有什么新的指令集架構(gòu)開(kāi)源都會(huì)在國(guó)內(nèi)激起一陣躁動(dòng)。但學(xué)術(shù)不等于商業(yè)。CPU架構(gòu)從上世紀(jì)90年代的10多家到現(xiàn)在以X86和Arm為主，背后其實(shí)是更深刻的產(chǎn)業(yè)和商業(yè)規(guī)律在主導(dǎo)。在我看來(lái)，有幾下幾個(gè)要素：

1.指令集架構(gòu)創(chuàng)新不具有革命性

有多篇論文分析過(guò)指令集架構(gòu)和性能功耗的關(guān)系，結(jié)論是指令集的差別與性能和能耗沒(méi)有關(guān)系，兩者性能的差異是由于需求的不同在硬件設(shè)計(jì)上的反映，例如指令發(fā)射速度、分支預(yù)測(cè)、亂序執(zhí)行等方面，提升這些方面的性能需要使用到大量的硬件，使得硬件設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，并且?guī)?lái)了更多的能耗。正如吳軍在《浪潮之巔》中所說(shuō)，“數(shù)量級(jí)是判斷一項(xiàng)新技術(shù)是革命性還是革新性的關(guān)鍵”。Arm處理器功耗相比于x86有了數(shù)量級(jí)的提升，手機(jī)市場(chǎng)又比PC市場(chǎng)出貨量要大一個(gè)數(shù)量級(jí)，這才有了Arm在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)占據(jù)了端側(cè)的優(yōu)勢(shì)，取代了x86指令集，也讓架構(gòu)授權(quán)模式為更多玩家所認(rèn)可。在開(kāi)源架構(gòu)和Arm的PK中，沒(méi)有這種數(shù)量級(jí)上的差異。Arm和RISC-V都是RISC架構(gòu)的，只是指令集定義的不同，這就決定了不可能從指令集PK中獲得什么優(yōu)勢(shì)，還是看具體的硬件實(shí)現(xiàn)和功能取舍。

2.技術(shù)先進(jìn)性不等于商業(yè)成功

每次有人強(qiáng)調(diào)新的指令集比原有的指令集要高效的時(shí)候我就笑了，大家想想鍵盤(pán)布局的故事?，F(xiàn)在的QWERT鍵盤(pán)布局雖然奇怪，但延續(xù)了這么多年，已經(jīng)有了強(qiáng)大的慣性，即使有人發(fā)明了更高效的鍵盤(pán)布局也無(wú)法得到廣泛支持。指令集上的故事也是類(lèi)似。Intel的x86指令集是CISC架構(gòu)的，曾被人Diss架構(gòu)臃腫。歷史上也有多次“x86革命”想取代x86架構(gòu)，但都因?yàn)榈貌坏綇V泛的支持最終以失敗告終。巨大的商業(yè)利益和強(qiáng)勁的軟硬件的支持可以使得x86架構(gòu)難以撼動(dòng)，這些都不是一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)問(wèn)題。

3.指令集架構(gòu)是一個(gè)昂貴的公共品。

對(duì)學(xué)院派來(lái)說(shuō)，能運(yùn)行軟件跑成Demo發(fā)論文就是成功，對(duì)商業(yè)公司來(lái)說(shuō)則是要完成從指令集定義到CPU微架構(gòu)的設(shè)計(jì)，到整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)和相應(yīng)軟件，工具鏈的開(kāi)發(fā)和維護(hù)，以及在上面運(yùn)行的操作系統(tǒng)，豐富的函數(shù)庫(kù)以及應(yīng)用程序，還需要得到大量用戶認(rèn)可，這些都不是一朝一夕之功。設(shè)計(jì)指令集不難，讓一個(gè)指令集得到市場(chǎng)認(rèn)可很難，而一旦得到認(rèn)可，人們要遷移的成本也很高，這就是Intel能多年在PC和服務(wù)器市場(chǎng)稱(chēng)霸的原因。Intel也因?yàn)閤86指令集的成功獲得了巨大的商業(yè)利益。指令集架構(gòu)這一公共品是如此昂貴，無(wú)法通過(guò)社區(qū)自發(fā)成長(zhǎng)起來(lái)，而必須結(jié)合商業(yè)公司的力量。Linux也是在Android采用以后才得到了大發(fā)展。

Arm通過(guò)授權(quán)模式讓眾多CPU廠商可以共享一套指令集和編譯工具，極大的降低了眾多CPU廠商的開(kāi)發(fā)門(mén)檻，其實(shí)相當(dāng)于眾多CPU廠商眾籌了一個(gè)Arm指令集，節(jié)省的是各家自己開(kāi)發(fā)并維護(hù)一套指令集的開(kāi)銷(xiāo)。也正因?yàn)檫@個(gè)原因，市場(chǎng)對(duì)CPU架構(gòu)的人員需求減少了，對(duì)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者的需求增多了，Arm生態(tài)系統(tǒng)才有了今天的發(fā)展。

現(xiàn)在眾多廠商眾籌另一個(gè)指令集，然后呢？也一樣有巨大的生態(tài)開(kāi)發(fā)成本，從指令集定義到真正成熟得到廣泛應(yīng)用，沒(méi)有一二十年起不來(lái)。硬件不像軟件，有什么錯(cuò)誤可以發(fā)布新版本去修正，一旦流片了再修改就難了。一個(gè)IP要做好不是那么容易的事情，需要有客戶一起去趟早期開(kāi)發(fā)過(guò)程中的坑，稍有不慎出現(xiàn)一個(gè)Bug，前期投入就要打水漂。對(duì)商業(yè)公司來(lái)說(shuō)開(kāi)發(fā)成本損失還是小事，錯(cuò)失了市場(chǎng)機(jī)遇才是最大的損失。即使新指令集生態(tài)真能起來(lái)，大多數(shù)公司要么維護(hù)自己的CPU核開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，要么從IP授權(quán)公司購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，真的能省錢(qián)嗎？還是到時(shí)候再切換一次指令集，把這些坑再趟一遍？

另外，開(kāi)源架構(gòu)采用的指令集架構(gòu)開(kāi)源，各家可以自己設(shè)計(jì)自己的CPU核的方式從一開(kāi)始就埋下了碎片化的種子，各家IP公司自己設(shè)計(jì)自己的擴(kuò)展，并且不需要回饋社區(qū)，其結(jié)果就是各自有一套自己的開(kāi)發(fā)工具和軟件庫(kù)，重新走到了上世紀(jì)90年代有多家指令集架構(gòu)的局面，對(duì)芯片開(kāi)發(fā)公司來(lái)說(shuō)并沒(méi)有節(jié)省什么成本，反而因?yàn)楦髯晕⒓軜?gòu)的特殊性帶來(lái)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的不兼容，這是與商業(yè)世界成本盡量降低相矛盾的。

指令集是越多人使用價(jià)值越大，指令集架構(gòu)也就更貴，而CPU核只是部分公司使用，相對(duì)于指令集架構(gòu)就便宜一些，這是Arm的商業(yè)模式，是目前經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)的一種模式。當(dāng)年MIPS指令集架構(gòu)授權(quán)很便宜，CPU核賣(mài)的貴，是從成本而不是用戶需求定價(jià)，正好搞反了。結(jié)果就是各家都拿了指令集自己去設(shè)計(jì)MIPS核，造成碎片化和分裂?，F(xiàn)在開(kāi)源社區(qū)也是類(lèi)似的問(wèn)題。指令集開(kāi)源，準(zhǔn)入門(mén)檻很低，IP設(shè)計(jì)廠商各搞一攤。開(kāi)源社區(qū)沒(méi)有力量去維護(hù)各家實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各家也只能通過(guò)低價(jià)來(lái)?yè)屖袌?chǎng)，芯片設(shè)計(jì)廠商則需要面對(duì)不同IP廠商的CPU核實(shí)現(xiàn)，不能發(fā)揮統(tǒng)一架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)成惡性循環(huán)。