内容精要:为什么指令集在 CPU 设计中如此重要?为什么所有国产 CPU 都需要指令集授权?指令集不就是一系列控制命令的规则合集么?既不能申请专利,又不是什么商业机密,为什么指令集还需要授权?华为公司如果被 ARM 断供最新的 CPU 架构授权,未来的路该如何走?
无芯之痛的阴影,萦绕在中国科技和产业界几十年了。
“缺芯少魂”,描述的就是中国没有真正自主可控 CPU 的痛。
CPU 可以说是整个信息技术产业的核心中的核心,特别是在服务器和 PC 市场,不光是中国,全球范围看,PC 和服务器 CPU 也是以 X86 架构为主,基本 Intel 和 AMD 两家公司垄断。
这里的 X86 架构,指的就是 Intel 和 AMD 公司 CPU 使用的指令集。
所谓指令集,是 CPU 中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合。指令集是决定 CPU 运行效率的重要因素之一。
每一种新型的 CPU 在设计时,就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。
“与其他硬件电路相配合”,决定的是这一款 CPU 的生态系统。
因此,指令集搭建的是一个桥梁,联通 CPU 与外围软硬件,对形成生态至关重要。
当然了,在所有电子设备 CPU 的指令集中,也不是 X86 独霸天下,还有很多后起之秀,比如主打精简指令集的 ARM 公司,在手机处理器、MCU 等领域高歌猛进;比如精简指令集 RISC-V 更是凭借开源优势,汇集了大部分创业公司的力量;除此之外,还有 MIPS 技术公司主推的 MIPS 架构的精简指令集(国产 CPU 龙芯,用的就是 MIPS 指令集架构授权)。
所以,目前 CPU 指令集,形成了势均力敌的两大阵营,以 X86 为代表的复杂指令集(CISC,Complex Instruction Set Computing)和以 ARM、RISC-V、MIPS 为代表的精简指令集(RISC,Reduced Instruction Set Computing RISC)。
关于复杂指令集和精简指令集的区别,本文不再赘述,感兴趣的读者可以参考公众号”科创之道“往期文章《RISC-V 能否重构芯片产业格局》。
在这几年信创大潮的推动下,叠加中美贸易摩擦,都大大提升了中国高科技自主创新意识。国产 CPU 也在这样的大环境中蓄势待发。
目前我国国产处理器芯片的主要参与者有:龙芯、兆芯、飞腾 、海光、申威和华为等。
图片来源:华泰证券
当然,除此之外,科创板千亿市值的上市公司,澜起科技,也在积极进军服务器 CPU 领域。早在 2017 年,澜起科技就偕同清华大学及英特尔公司,联手发布面向数据中心应用的安全可控津逮 CPU。
从上图中姗姗学步的国产 CPU 来看,要么是指令集授权,要么是 IP 授权,要么干脆是中外合资技术引进,套上个自主知识产权的外壳……
毫无例外的,指令集都是来自国外的授权,要么是 X86,要么是 ARM,要么是 MIPS……
为什么指令集如此重要?按照常规的理解,指令集不就是一系列控制命令的规则合集么?既不能申请专利,又不是什么商业机密,为什么指令集还需要授权?
要说搞一套国产指令集,那还不是分分钟的事情?搞自主知识产权标准的事情,我们可是十二分的拿手。
第一个问题,为什么指令集如此重要?
关于这个问题,还是要回到前文所提到的“生态”。
任何一款 CPU 都是不孤立的存在,正是基于其处于整个 IT 系统核心位置,在生态形成的问题上至关重要。
而指令集,就是形成这个生态的桥梁。生态对于一款 CPU 的成败起到了至关重要的作用,产业不支持,性能再高的 CPU 都没有用武之地。
这也是为什么华为的鲲鹏,将产品和生态放在同等地位的原因。
鲲鹏生态,图片来源:东吴证券
当然了,笔者之前也提到过,生态也不是铜墙铁壁一个,并非完全不能实现突破。在常规模式之下,靠着产业潜移默化来形成生态,确实是一个长期的过程,而且不确定性很大。
但是,在新型举国体制之下,形成生态相对就会容易很多。用的人多了,产品升级迭代加速,能够更好地提升产品成熟度。这也是一个弯道超车的无奈之举。
第二个问题,既然指令集没有专利,没有知识产权,为什么还需要授权?
的确,指令集作为一套 CPU 控制指令的集合,本身是没有办法形成专利的。但是指令集授权却是实实在在存在的。
这事儿从知识产权角度不好解释,可能从“标准”角度更容易理解。
这些主流的指令集,已经形成了事实上的“行业标准”。
除了主流的指令集,还有各种千奇百怪的指令集,其实都充当了分母的角色,在行业内主流标准面前日渐式微。
成了事实上的“行业标准”,就意味着形成了生态,你要用这套指令集规则,也不是不可以,但要回避两方面:
一是,你不能宣称兼容“X86”,“ARM”等,用来吸引产业界,来形成自己的生态,因为“X86”,“ARM”这些都是独有的商标。
二是,指令集虽然没有办法形成专利,但是实现这些指令的 IC 设计架构和方法,最有效率的设计和架构,早就被申请专利了,你要用这套指令集,具体实现上的大部分专利还是绕不开的。
所有也就存在了一个问题,如果是指令集架构授权,背后的专利是不是也存在授权情况?
这事儿不敢说太细。
第三个问题,基于老版本的主流指令集,能否更容易形成自己的生态?
关于这个问题,就更具有现实意义了,华为目前拿到了 ARM 公司 ARM V8 芯片架构的永久授权。但从目前的这个形势看,不但有美国压力,还有 ARM 公司内部动荡,ARM 更新版的设计,估计授权给华为公司更加难上加难了。
所以,华为未来更要自力更生了。
有了老的架构授权,就有了基础,但未来,华为还是需要更加注重生态。
任重道远。