中国CPU研发路线如何?未来会怎样?

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3月3日,被ChatGPT热点带飞的浪潮信息,突然一字跌停。

压顶重石则是美国政府将浪潮集团列入了限制清单,对贸易等业务进行管制。虽然事后有报告称,美国限制的是浪潮集团,也就是浪潮信息的母公司,和浪潮信息无关,但还是引发了市场的担忧。毕竟浪潮服务器的芯片,仍有不少比例需要从英特尔、英伟达等海外公司采购。

这一次“黑天鹅”也再次把服务器以及核心的CPU芯片,带到了舆论焦点。那么,我国当前CPU研发路线如何?未来会怎样?

x86的授权与受限

第一条路线,是基于成熟的x86指令集。英特尔公司是x86指令集的发布者,也在1978年发布了第一代x86处理器,赢得了市场关注。

Intel最初是为IBM供货,而IBM也按照当时美国的商界习惯,要求同一类芯片必须有第二供应商,于是,Intel也就找到了AMD、Cyrix(后来被我国台湾企业威盛收购)等公司进行了指令架构的授权。虽然期间历经多次官司,但x86技术还是形成了Intel、AMD、威盛“一超一强一跟随”的局面。

而我国的x86体系,也和AMD、威盛有关。

AMD牵手的天津海光。虽然AMD有x86授权,但面对Intel激烈竞争,经营压力很大,现金流吃紧。而国内也在寻求x86授权,于是,双方有了合作,2016年,“天津海光”获得AMD的x86授权,而AMD则获得了2.9亿美元的资金注入。

威盛牵手的上海兆芯。2013年,威盛集团和上海联合合资成立上海兆芯,上海兆芯随后也以2亿多美金,收购了威盛电子的x86授权。

引进技术后的兆芯与海光,都实力大增。海光背靠上市公司中科曙光,借鉴AMD的作业,加上国产加密算法,在商用服务器起量很快。

但合作并非一帆风顺。

威盛获得的Intel x86授权是有期限的,2018年到期,后续难以升级;而AMD虽然有永久授权,但也在2019年表示,和海光的合作仅限于Zen一代,后续升级架构则不允许海光使用。

芯片不只是一个造出来的技术,而是要和伙伴共荣的生态商业。用旧的指令造出来的产品,自然没有竞争力。几亿美金的探索,技术引进的教训,换来了国产自主之路的小小一步。

ARM的联姻与结束

第二条路线,基于ARM架构。ARM的指令集更精简,功耗低,在手机等移动终端表现优异。靠着在移动终端赚够了利润后,ARM架构也将版图尝试扩大到电脑、甚至服务器领域。虽然ARM用精简指令,单核不如复杂指令的x86优秀,但架不住可以堆核啊。

2020年苹果首次推出了基于ARM架构的自研芯片M1,能效比、性能都被称为“吊打x86系”。2022年,谷歌云也宣布将采用基于ARM架构的运算芯片。ARM架构,还是能打的。

我国CPU公司也很早就和ARM有合作。从2001年ARM进入中国以来,给人的印象是“中国科技公司的老朋友”:靠谱、好用、能打。更为重要的是,ARM架构授权可以在指令集层面永久买断,一方面可控程度更高,另一方面研发程度更深。

2015年8月,一个名叫CharlesZhang(张承义)的中国人,在全球芯片界的顶会HotChips上,用中式英语介绍了飞腾服务器CPU“火星”,世界上第一款基于ARM架构研发的64核CPU,在业内带来了不小的轰动。

飞腾相继在入门级服务器、桌面应用、嵌入式等领域发布了产品。2019年,上市公司中国长城收购飞腾35%股权,成为大股东,加速飞腾发展。

而华为也和ARM深度合作。2019年初,华为发布了首款ARM架构服务器CPU“鲲鹏”,并与各省市建立了鲲鹏计算产业联盟,向各地输送行业标准和人才,并与各地代表性企业建立硬件生产基地。2020年5月,鲲鹏CPU进入中国电信采购名单。

ARM架构由于是从移动终端切入x86的战场,也需要中国企业的支持,因此双方配合还算不错。但随着美国制裁的加大,ARM也只好宣布,停止后续架构对华为的授权。

也就是说,华为只能在V8版本上进行芯片设计。虽然换了架构授权公司,但依然走回了x86时代的结局:买旧的可以,用新的不行。技术引进,只能在落后的位置折腾。

自主的曲线之路

第三条路线,是曲线自主研发,代表公司是龙芯。

2001年中科院计算所里成立了“龙芯课题组”,由胡伟武牵头进行国产CPU研发。龙芯最初也是在海外的基础上起步,购买了MIPS指令集,随后进行研发。

MIPS指令集也是海外于1980年代发布的精简指令集,在1990年代发展迅速,被称为教科书级的指令集。但由于MIPS授权方式的问题,导致产业生态比较破碎,商业上被Intel碾压,逐渐式微。因此,也有了和龙芯的合作。

这一点确实听起来有点“凄惨”,无论是ARM、还是MIPS,选择中国企业合作的一个很大原因,就是自身也困难重重。而如日中天的Intel就硬气多了。

虽然拿到了MIPS架构授权,但要研发出芯片,并不容易。课题组日夜扑在实验室,甚至每天一起读毛选来提升信心;而且,还给龙芯取了另一个名字:狗剩,承载着中国农村“取个贱命好养活”的寓意。2002年8月,龙芯CPU研制成功。

龙芯一方面依靠政府采购,另一方面依靠在工控领域的错位竞争,虽然艰苦但依然可以实现生存发展。

在发展期间国外各主流CPU企业也都找过龙芯,劝他们不用这么辛苦,可以拿技术授权、或合资。面对海外二流三流产品,都比龙芯一流产品好的状况,胡伟武也思考了很多。他事后回忆说,海外公司目的其实就四个字“交枪不杀”。

但肩负国家、院所、导师、团队、以及自己的期待,胡伟武还是坚定走自研之路。如果一直依靠MIPS也谈不上完全自主。因此,经过多年的积累,在2021年,龙芯发布了完全自主的指令集LoongArch,实现了一大步跨越。

而自主指令集的研发,也不是一蹴而就,除了经年累月的时间积累,团队也经常会做三件事来加速研发:在研发实践中找到规律,上升为标准和流程;在管理实践中找到规律,上升为管理制度;在市场实践中找到规律,上升为商业模式。找到之后,在实践中反复运用,持续改进,螺旋上升。

在自主信创的大潮中,龙芯在电子政务领域也取得了一定成绩。非常幸运的是,龙芯实现了“曲线救国”,但仍要担忧的是,芯片的成功,需要活跃的生态,龙芯要翻过的山峰依然很多很多。

RISC-V的开源机遇

第四条路线,是RISC-V开源架构。

RISC技术的奠基人是2018年拿到图灵奖的Patterson教授。据说2010年他带着4个学生就搞出来了第一代版本。果真是人才,不在于人数而在于才华。

更犀利的是,Patterson完美地演绎了极客主义。不同于英特尔的封闭、ARM的高授权费用,Patterson把RISC技术进行了大尺度的开源,任何人都可以使用、修改,而不需要费用。

IT界传奇人物Eric Raymond曾这样描述开源的理念:开源就像集市一样,人人都可以来摆个摊,大家共同将集市建设得更大。

V代表的是第五代版本。RISC-V基金会会员已有高通、NVIDIA和Google等超过3000名成员。很多人认为,RISC-V有望创造继x86、ARM之后的第三波芯片浪潮。美国、欧洲、印度,都在加大相关研发力度。

而RISC的开源,既避免了从零起步的巨大艰辛,也保障了自主可控的需求。因此,也被当做我国芯片发展的新路线,平头哥、中科院香山团队等多家企业、院所都在推动国内RISC-V的建设。在RISC-V国际基金会的22个高级会员中,中国会员就高达12个。

RISC-V的灵活性,对定制化、碎片化场景的支撑力度良好;因此目前主要应用于物联网等终端领域,但在电脑、服务器等领域也已经有了一些尝试。从物联网实现“农村包围城市”,也未必不可。至少,从底层逻辑而言,这是一个可以实现“众人拾柴火焰高”的路径。

生态和博弈

英特尔在桌面电脑、服务器领域一家独大,离不开和微软操作系统的联盟;ARM在移动处理器领域如日中天,离不开和安卓系统的绑定,以及从一开始苹果就在大力支持。

所以,CPU的未来,也不单是靠芯片公司,更要有操作系统、终端品牌的支持,才能形成一个人越来越多的生态,也才能提高抗风险能力。

对于我国自主CPU而言,除了要解决商业问题之外,还要面对“制造”的难题。高制程工艺被卡脖子,就不得不发展先进封装等技术。这就像ARM芯片一样,单核比不过,多核来比拼。

世界在变局中,商业也不免被影响。如果说芯片发展,依靠商业生态,但如果不关乎发展发展,而是关乎生存的话,那依靠的是什么?全球化的浪潮,走什么路线;割裂加速的趋势,走什么路线?

无论我国古代的《孙子兵法》还是美国冯诺依曼、纳什等人,都把博弈论在人类社会中的应用进行了演绎。而从博弈的不同角度看芯片,也会得出不一样的结论。

编辑:黄飞

 

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