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要做到真正的芯片自主,我们如何甩掉ARM?

2016/04/12
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近年来,在国家大力扶持集成电路产业的背景下,国内从事高性能 CPU 设计的单位或公司数量不断壮大。

但美中不足的是,几乎所有单位都认为自己的产品和技术路线符合自主可控标准。

比如飞腾在和中国电子合作后,将购买自 ARM 的 Cortex A57 产品打上自主可控标签进军信息安全市场;展讯把购买自 ARM 的 Cortex A53 和 Mali 的 T720MP2 集成得到的椒图芯片打上了自主可控、安全可信的标签,搭载椒图芯片的“安全手机”与央企单位达成供货意向,后续还将面向国家众多涉及安全的行业领域、政企市场全面推广。

而这些芯片技术架构的来源,都是 ARM。

ARM 是谁?ARM 是英国的芯片知识产权(IP)提供商。全世界超过 95%的智能手机平板电脑,都采用 ARM 的芯片技术结构。

虽然国内一些芯片公司,以自主可控旗号获得国家项目和经费,并打进党政军市场,但实际上这些基于 ARM 技术授权的自主可控芯片,距离真正的自主可控,仍有差距。

检验是否自主可控,有一条基本的标准——信息安全不受制于人,产业发展不受制于人。这就必须做到知识产权自主可控、能力水平自主可控、发展自主可控、供应链自主可控、具备“国产”资质、利润不受制于人。

而这 6 个方面,恰恰是 ARM 阵营 IC(集成电路)设计公司需要奋力弥补的。

1. 知识产权受制于人

国内 ARM 阵营的 IC 设计公司购买的 IP 核授权并非永久性授权,其授权具有诸多限制性和期限性。

目前,ARM 在国内不开放 ARM 32 位的指令集授权(事实上,基于 ARM 32 位指令系统的 CPU 芯片在移动互联网世界占据了 90%以上的份额,因此 ARM 为了获得更多利益,也不会将 32 位指令集授权客户了)。

而在服务器领域,由于迫切需要攻打竞争对手英特尔的地盘,ARM 目前对国内少数厂商开放了 64 位 ARM V8 服务器授权,且存在有效期。

可以想象,未来 ARM 一旦在服务器市场站稳脚跟,对国内厂商的服务器授权态度恐怕也将是另一番情景。

知识产权受制于人隐含着巨大的技术风险——英特尔于 2006 年取消对威盛 VIA 的前端总线授权,就对威盛公司造成了几乎毁灭性的打击;而最近制裁中兴的事件中,一旦制裁被认真执行,美国和美国控制的 ARM 企业不再授权(ARM 虽然是英国公司,但主要的研发中心在美国),那就会对国内 ARM 阵营的 IC 设计公司造成巨大的冲击。

 

2. 能力水平受制于人

CPU 和操作系统一样,都是一项非常复杂的工程,即便获得国外公司提供的全部源代码,但如果没有设计文档和吸收消化能力,也是很难吃透的。

如同操作系统一样,微软早就号称把所有 Windows 源代码交给了中国政府审查备案,但即便如此,中国还尚未掌握对 Windows 全部代码的解读吸收能力,更何况 ARM。

熟悉 IC 设计的开发者应该都知道,一个 IP 设计公司在对第三方提供其设计好的 IP 时,即便是较开放的软核授权,也不会做到所有代码可读可修改,而是包装了好多模块,其中有些可以配置、有些可以修改,而在大部分模块内部都不可能进行随意修改。

除非能够完全不依赖于 ARM 提供的公版核心,从零开始就自己设计研发,这方面比如国内几家老牌 CPU 厂商龙芯、申威等,从头开始就采用自主开发微结构的做法,虽然在性能和兼容性方面走了一些弯路,但不存在能力水平不可控的问题。

如果长期购买 ARM IP 核授权,而不自主设计微结构,就会导致缺乏工程实践能力。毕竟实践出真知,没有独立完成微结构的设计,必然导致不具备独立开发微结构的能力。

而这也是中国近年来 ARM 芯片的年出货量超过 10 亿片,但没有一片芯片的微结构是国内自主设计的根源!

3. 安全受制于人

由于 ARM 微结构不被国内企业掌握,因此在安全和后门问题上,必然得不到根本保障。

微结构决定了 CPU 的性能、功耗、安全性等要素,而日常我们所说的双核、四核、八核 CPU 芯片,其实是将 2、4、8 个微结构(CPU 核)的接口互联并集成到一片硅片上。

正因此,由于都是购买 ARM 设计的微结构,所以基于 ARM 结构的国产芯片的性能、功耗、安全性都由 ARM 决定,中国 ARM 阵营 IC 设计公司在性能、功耗、安全性根本不具备话语权,能够做主的,仅仅是把这些 ARM 微结构组合成双核、四核、还是八核的 CPU 芯片,以及在后端设计方面,在 ARM 留有的冗余范围内,将主频定得高一点还是第一点。

4. 发展权受制于人

指令集是存在于 CPU 内的程序,它用一些代码表达读、写等操作,让计算机做各种运算的一套命令标准,是芯片的重要组成部分。

在技术上,重新设计一套指令集的难度近乎于零。美国也一度禁止将单独的指令集申请为专利,只有当指令集与实现方法相结合的时候才被允许申请专利。

但是指令集对 IC 设计的影响是不可忽视的。比如,当年 ARM“半残疾式”的指令集就根本不可能设计出高性能芯片,随着近年来 ARM 更新指令集,以及购买了 MIPS 498 条指令集授权后,才使其能在高性能芯片领域一展拳脚。

单纯的指令集本身价值非常有限,真正有价值的是围绕指令集构建的软件生态、指令集的实现方法和自由扩展指令集的权力。

举例来说,华为购买 ARM 指令集授权,但是不具备自主扩展指令集的权力,只能局限在 ARM 所构建的生态以及游戏规则里生存。

这种做法的好处是,能够获得 ARM 产业生态长期的支持,但问题也很明显,无法进行更大程度的自主生态的建设。

与之形成鲜明对比的是中国的龙芯。龙芯在获得了 MIPS 公司的永久授权后开始自主扩展指令集——loongISA 有 1907 条,源自 MIPS 的有 527 条,其余指令都是龙芯自主扩展的。

由于自建生态,龙芯在软件层面就需要自行投入更多的力量进行优化支持。但长远来看,好处很明显——能够真正引领自身产业生态的发展,甚至主导开源社区的发展权。

而购买 ARM 指令集授权只能是 ARM 卖什么,你用什么。

 

5. 利润受制于人

由于在 ARM 体系中,“每个环节做什么”、“有多少利润”在 AA(ARM 芯片+安卓系统)体系中已经形成潜规则,国内 ARM 阵营厂商基本沦为 AA 体系的“马仔”。

如果是购买 ARM 指令集授权,不仅价格成本昂贵,而且授权期限仅仅 5 年,还被限定使用范围。最关键的是“买无止境”——指令集到期接着买,指令集更新还得买;每次以什么价格授权,ARM 说了算;如果是购买 IP 核授权,除了一笔不菲的授权费外,每生产一片芯片还需缴纳专利费。

这也是为什么中国 ARM 芯片年出货量超过 10 亿片,但产业依旧不赚钱的原因。

反观在 ARM 阵营里真正混得好的,诸如高通、苹果、三星、华为等公司,很多都不是或不完全依赖于在市场上直接出售芯片赚钱。

高通在 2014 年凭借专利业务获得利润 66 亿美元,芯片业务赚取利润 38 亿美元,近 60%营业利益来自于技术授权费,总利润将近一半源自中国市场。

高通芯片业务 38 亿美元的利润更多的是依赖于市场份额巨大的因素,但利润的主要来源是高通税、专利授权费等方面的盈利。而 2015 年被中国国家发改委反垄断后,新版专利授权协议给了大陆手机厂商更大的自由度,谈判难度大幅提升,直接导致至今依然有不少大陆手机厂商尚未与高通签约,专利费悬空未缴,高通 2015 年 3 季度净利润锐减 44%。

苹果、华为都采用垂直整合模式,自家的手机芯片不外卖,自产自销过日子,芯片价格内部定价,依靠自家手机的高溢价获得利润为芯片业务留足利润空间。

三星也是如此,除了出售给某国产手机少量芯片外,基本上都是依靠垂直整合模式自产自销,依靠自家手机的高溢价为芯片部门预留利润,而非在市场上直接出售芯片。

6. 供应链受制于人

国内 ARM 阵营 IC 设计公司在供应链上严重依赖境外公司。比如,华为海思麒麟 910 等相关芯片全部依赖台积电工艺;华为 16 纳米制程 16 核 ARM 公版微结构服务器芯片也依赖台积电工艺;飞腾 1500A 也依赖境外工艺。

与此形成鲜明对比的是,龙芯 3A2000 和 3B2000 虽可以采用境内工艺流片。但龙芯目前在国内消费市场的现状也有目共睹。

ARM 获得“自主可控”身份意味着什么?

随着国内网络安全和自主可控等规划和战略的出台,国内的 IT 自主厂商也终于迎来了蓬勃发展的春天。

而在中国希望重新制定 IT 产业游戏规则的时候,国外的 IT 企业开始模仿类似 ARM 所采取的“开放授权”的障眼法,纷纷通过技术授权及合资策略成立本土化公司,企图穿上国产“自主可控”的合法化马甲。

比如,目前 IBM 通过 OpenPower 联盟授权在国内成立了中晟宏芯 CPU 企业;微软推出中国政府专用版本的 windows10,并在中国成立合资公司进行销售;IBM 的 informix 数据库也已通过开放授权方式代理给了国内几家数据库厂商。

乱花渐入迷人眼。CPU、操作系统、数据库等产品作为信息产业的基础性产品,其自主可控的重要性不言而喻。

但从目前情况看,如采用 ARM 技术授权的厂商在国内俨然已被贴上了自主可控的标签,堂而皇之地进军党政军市场。

如果国家没有对自主可控身份的清晰认定,那么接下来,ARM 芯片就可能变身国产自主 CPU、微软 Windows10 就可能变身国产自主操作系统、IBM informix 就可能变身国产自主数据库。

Arm

Arm

ARM公司是一家知识产权(IP)供应商,主要为国际上其他的电子公司提供高性能RISC处理器、外设和系统芯片技术授权。目前,ARM公司的处理器内核已经成为便携通讯、手持计算设备、多媒体数字消费品等方案的RISC标准。公司1990年11月由Acorn、Apple和VLSI合并而成。

ARM公司是一家知识产权(IP)供应商,主要为国际上其他的电子公司提供高性能RISC处理器、外设和系统芯片技术授权。目前,ARM公司的处理器内核已经成为便携通讯、手持计算设备、多媒体数字消费品等方案的RISC标准。公司1990年11月由Acorn、Apple和VLSI合并而成。收起

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