国产CPU：引进技术起步，自主研发前行

国产大飞机C919的成功商飞，证明我国已经拥有了设计制造大飞机的能力。继高铁、盾构机等多个领域后，我国再次证明技术后来者，通过在起步阶段引进关键技术，吸收消化后，自主研发不断发展前行，这条“引进吸收再创新”道路的可行性。

而这一模式也在国产CPU领域充分应用。目前国产CPU六大厂商中，其最关键的指令集技术均引进自国外企业，在引进技术基础上开始了自主研发，并取得了不同程度的进展。这是利用后发优势的举措，也可望带动国产CPU产业的快速发展。

国产CPU的“师夷长技”

计算机处理人类的指令，首先要把人的指令翻译成计算机硬件能“听懂“的二进制语言，而指令集，就是由CPU执行各项指令的集合，相当于计算机进行运算处理时，需要用到的最底层的“词典”。有了这本词典，CPU才能最终理解人类的操作，并执行人类的命令。因此指令集是CPU设计最底层的核心技术之一。

从零开始设计一门面向机器沟通的语言，其难度之大可想而知。而自研指令集的技术难度还在其次；最困难的在于，如何为自研指令集发育配套的生态。

因为指令集不仅仅用于计算及操作者与CPU的”对话“，也决定了CPU与计算机其他软硬件”对话“，要使用何种语言。也就是说，想让计算机能运行起来，不但需要CPU能运行这种指令集，也需要所有硬件和软件都能兼容支持这种指令集。

因此，如果自研指令集想存活下来，需最广泛的软硬件开发厂商共同支持，完成对自研指令集的兼容适配。而当前市场上，服务器和个人电脑的主流指令集是x86，占到了90%以上的市场份额，移动设备则主要为ARM指令集垄断。

要让这么多设备都切换到另一种指令集上，就相当于让世界上说英语的人和说汉语的人都不能再说英语和汉语了，而要说一种新设计出来的语言，这显然是难于登天的。

可以说，指令集不仅仅是一种技术，更是一种通用的规范。x86指令集形成于个人电脑从无到有快速发展的历史环境，ARM指令集形成于移动设备从无到有快速发展的时代变迁。没有这样一个开创时代的历史机遇，我们很难构建属于自己的且有市场生命力的指令集。

这意味着，国产CPU的发展，必然要建立在引进技术上。只有在先期引进已经形成一定生态规模的指令集，在此基础上积累经验，逐步形成自主技术，我们才有可能保持住跟随步伐，并在下一个历史机遇到来时，寻求超越的机会。

目前，龙芯引进MIPS指令集并在其基础上开发LoongArch指令集，申威则是在Alpha指令集基础上自研了SW-64指令集，海光从AMD获得了x86指令集的永久授权，兆芯从台湾Via也获得x86指令集开发权，鲲鹏和飞腾拿到ARM v8授权。

所以，从本质上讲，所有国产CPU的底层核心技术均来自引进。“师夷长技”是当前国产CPU发展阶段的必然。这将显著提高我国CPU发展的速度，也是逐渐形成国产CPU自主技术应有的基础。

 

把技术装进自己的口袋

一直以来，公众对引进技术的担忧是陷入“造不如买”的境地，害怕技术没吃透，市场也丢了，因而对国产CPU引进技术存在较多质疑。但国产CPU厂商也用实际行动证明了没有止步于引进。对核心技术的消化吸收，并形成自主技术路线，一直是国产CPU的目标。

龙芯在引入MIPS指令集后，研发了LoongArch指令集。今年，龙芯基于LoongArch指令集，发布了新一代高性能CPU 3D5000。这是龙芯5000系列的最新成员，采用了芯粒（chiplet）技术，支持2路、4路CPU扩展，最多做到单服务器128核，浮点性能超过1万亿次，主要面向高性能计算领域。这也是龙芯技术研发路上的又一关键突破。

通过与AMD的合作获得x86指令集永久授权的海光，也在Zen架构基础上走出了自己的特色。在完成技术消化吸收的前提下，海光共独立推出三代产品，海光三号在性能上比海光二号提升了40%左右，接近于Zen3产品水平。而且，海光还基于自己的市场策略走出了自己的技术路线。Zen架构的升级方向主要通过采用更先进的芯片工艺和提升单核性能，而海光处理器则是通过对微架构的创新升级，提升单核与多核性能并重。

这些成绩，均是在2019年AMD不再向海光授权Zen2架构的前提下取得的。显然，海光一开始就无意于跟随AMD的脚步，而是基于自身对市场、用户需求、数据安全应用等因素的综合考量开发自己的产品。

比如，在数据安全方面，海光的CPU对存在于Intel CPU上的熔断漏洞免疫，并能快速修复幽灵漏洞。熔断漏洞和幽灵漏洞是Intel的CPU爆出的两大著名漏洞，Intel用了4年时间还没有完全修复幽灵漏洞。这也说明海光的技术已经走到了“基于x86，但不困于x86”的新阶段。

而鲲鹏作为ARM指令集CPU的代表，在性能表现上也可圈可点。2019发布的鲲鹏920，作为业内首款7nm数据中心ARM处理器，专为大数据处理以及分布式存储等应用而设计，最高集成64个物理核，主频最高2.6GHz。

但与龙芯和海光在指令集层面的深入不同，鲲鹏的自主创新型，表现在性能提升以及围绕华为生态的定制开发层面。在底层技术上，仍可能受到限制。目前，由于ARM公司已经表示不会向中国企业授权ARM v9指令集，这可能使得鲲鹏未来的发展遭遇瓶颈。这也从另一侧面证明，引进技术之后，必须把技术装进自己的口袋才是国产CPU的正确方向。

 

国产CPU发展关键，在形成生态

在技术上完成消化吸收再创新之后，国产CPU仍面临建设生态的难题。而培育起配套的生态，才是国产CPU发展的关键。

这类似于中国高铁，不但高铁的生产建造技术已经达到世界先进水平，还要基于国产高铁技术形成上下游供应链、城市交通规划，这才能说中国高铁已经崛起。应该说，建设国产CPU自己的生态，是在完成技术消化吸收后，更为关键也更加困难的课题。

目前，龙芯正在为建设生态加大投入力度。由于LoongArch指令集与主流指令集不兼容，需要软硬件厂商围绕LoongArch指令集，编译适配成龙芯能“听懂”的产品。对此，龙芯独立完成了从系统架构到中间件到上层应用的全部工作，以降低合作者的开发难度；并针对性地优化必要的应用，降低用户的使用难度。同时，龙芯计划推出LoongArch到x86和ARM指令集的转译器，从而兼容x86和ARM的生态。

使用x86指令集的海光，生态建设上则相对从容，走的最为顺畅。海光可以利用x86 CPU多年来已经形成的软硬件生态，兼容已有的WinTel生态，从而极大地降低了国产化替代过程中的迁移成本，并获得广泛的软硬件生态支持，为用户带来较为开放的选择权。

在2020年，海光还成立了海光产业生态合作组织（简称光合组织），联合产业链上下游企业、高校、科研院所、行业企业等相关组织，共同开发海光CPU产品的软硬件配套和解决方案。

目前，光合组织已有3000余家成员单位，完成5000多款软件优化，还联合伙伴推出10000多个联合解决方案。这一开放的合作，将可望形成像WinTel联盟一样的技术生态，推动海光CPU商业生态的可持续发展。

国产CPU比国产大飞机更难的是，不仅要在技术上达到世界水准，还要建立起属于自己的生态体系。我们也要正视，在国产CPU领域与国外巨头还存在差距。因而以引进技术起步，既能直接抬高我们的起点，又避免了重新发明轮子的资源浪费。把注意力集中在吸收技术，创新发展，建设生态上，这才是国产CPU以后来者追赶领导者应有的务实姿态。