中國(guó)自研CPU的發(fā)展道路如何

龍芯、飛騰、華為、兆芯和阿里巴巴等中國(guó)公司已經(jīng)開發(fā)了自己的CPU和核心IP

CPU 架構(gòu)及指令集

讓我們快速描述一下CPU。CPU在設(shè)備上運(yùn)行OS和各種應(yīng)用程序，處理數(shù)據(jù)并提供輸出?，F(xiàn)在的CPU通常包含多個(gè)處理器（內(nèi)核）。比如雙核，四核，八核等。

要制造一個(gè)CPU，設(shè)計(jì)公司首先要決定的是CPU使用的內(nèi)核，因此還要選擇指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）。

ISA有兩種基本類型：更快的CISC（復(fù)雜指令集）體系結(jié)構(gòu)和更節(jié)能的RISC（精簡(jiǎn)指令集）體系結(jié)構(gòu)。CISC ISA可以在一條指令中執(zhí)行多項(xiàng)操作，而RISC ISA可能需要多個(gè)不同的指令才能完成同一任務(wù)。Arm，MIPS和RISC-V是RISC體系結(jié)構(gòu)，而x86是CISC。

傳統(tǒng)上，如果要構(gòu)建服務(wù)器，則需要更高的性能，一般會(huì)選擇CISC。如果要構(gòu)建移動(dòng)設(shè)備，則選擇RISC。

一旦選定了CISC或RISC，就必須選擇一個(gè)特定的處理器內(nèi)核作為您的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此也要選擇ISA。選擇內(nèi)核會(huì)將您的CPU投入其兼容工具，應(yīng)用程序，中間件等的生態(tài)系統(tǒng)中，因此，如果您的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)習(xí)慣于某種生態(tài)系統(tǒng)，則很難進(jìn)行切換。

Arm

智能手機(jī)行業(yè)隨著Arm及其生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展，今天基本上所有手機(jī)都使用基于Arm架構(gòu)的應(yīng)用處理器。

盡管高通公司連同其中國(guó)合資企業(yè)華新通公司一起退出了Arm服務(wù)器市場(chǎng)，而且關(guān)于Arm是否可以在服務(wù)器領(lǐng)域取代x86的爭(zhēng)論一直沒有停下來，但仍存在許多西方公司，例如Marvell、Amazon和Ampere 的Arm服務(wù)器芯片，而對(duì)于中國(guó)來說，開發(fā)Arm服務(wù)器芯片變得更加重要。

在Arm陣營(yíng)里，擁有華為和飛騰。對(duì)于華為，由于美國(guó)政府無時(shí)不在找華為的麻煩，所以在高性能計(jì)算存儲(chǔ)上對(duì)英特爾CPU依賴都面臨著被禁用的可能。這加大了華為用其自己的基于Arm的服務(wù)器級(jí)CPU取代Intel的努力。迄今為止，這些努力的成果是令人印象深刻的鯤鵬920。這個(gè)時(shí)市場(chǎng)上功能最強(qiáng)大的Arm CPU之一，鯤鵬采用7nm工藝，擁有64個(gè)內(nèi)核，運(yùn)行于2.6Ghz。該芯片將主要針對(duì)華為泰山服服務(wù)器系列中的云服務(wù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用。盡管我相信它以及該芯片的未來幾代人都可以在這個(gè)領(lǐng)域取得成功，但它并不能解決華為在高性能計(jì)算乃至超級(jí)計(jì)算等前沿領(lǐng)域所擔(dān)心的問題。

另一個(gè)基于Arm CPU的是飛騰。該公司與銀河麒麟OS團(tuán)隊(duì)有著良好的關(guān)系。飛騰具有一系列臺(tái)式PC和服務(wù)器CPU，但更多地關(guān)注HPC。其最新的Arm芯片也是64核，運(yùn)行在2.2Ghz左右，并使用16nm工藝。飛騰最出名的當(dāng)然是它在天河2號(hào)這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用，但實(shí)際上這里的大部分處理是由Intel Xeon和Intel Phi CPU完成的，而飛騰主要處理前端任務(wù)。盡管由于奧巴馬的禁令導(dǎo)致英特爾Phi禁用，國(guó)防科大用其自行開發(fā)的128核Matrix-2000處理器代替了它。它當(dāng)時(shí)的性能雖然不如英特爾最新產(chǎn)品強(qiáng)大，但仍比它們要替換的舊版英特爾Phi處理器強(qiáng)大。國(guó)防科大和飛騰雖然無法立即替代HPC工作負(fù)載，但正朝著這個(gè)方向大力發(fā)展。

MIPS

MIPS和Arm一樣，都是基于RISC ISA的，由于多種原因及生態(tài)問題，沒有在移動(dòng)電話領(lǐng)域使用，但在中國(guó)已有悠久的歷史。

龍芯的CPU指令集就是基于MIPS的，最新的Longsoon CPU運(yùn)行于2Ghz，并在28nm FD-SOI工藝，具有四個(gè)內(nèi)核，非常適合政府公務(wù)員臺(tái)式機(jī)使用。龍芯的后續(xù)計(jì)劃是推出16核2.5Ghz 16nm CPU。

除了龍芯，君正也使用MIPS，但用于低功耗專用處理器。

X86

英特爾的x86是CISC的唯一主要選擇，因此主導(dǎo)了筆記本電腦和PC CPU，并在服務(wù)器中處于領(lǐng)先地位。

兆芯目前也在使用x86指令集，來自于威盛電子的x86授權(quán)。目前兆芯與英特爾和AMD一起可以使用x86 ISA。雖然我看不到該公司在高端市場(chǎng)上與同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，但兆芯在低端服務(wù)器，臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦領(lǐng)域顯示出了進(jìn)步。其最新的KX-6000 16納米、8核、3Ghz CPU 已經(jīng)與2017年的Intel i5相當(dāng)，足以讓中國(guó)在低端市場(chǎng)保持獨(dú)立。兆芯也計(jì)劃在2020年推出7nm CPU。

RISC-V

筆者看來基于開放指令集的RISC-V是中國(guó)在CPU方面相對(duì)自力更生的最佳選擇。雖然目前生態(tài)系統(tǒng)還不是太健全，但是隨著中國(guó)努力減少對(duì)美國(guó)出口法規(guī)的依賴，其生態(tài)系統(tǒng)將不斷發(fā)展，并在越來越多的應(yīng)用中得到證明。

盡管有許多公司致力于基于RISC-V的SoC、MCU和CPU，但阿里巴巴在2019年占據(jù)了頭條新聞，當(dāng)時(shí)其新子公司平頭哥宣布了基于RISC-V的C910處理器和基于RISC-V的含光800 AI處理器。C910 CPU和含光NPU幫助阿里巴巴改善其云服務(wù)中的AI功能，從而使其不再依賴Nvidia等外國(guó)芯片供應(yīng)商，并通過潛在地出售其CPU或?qū)⒑诵腎P許可給第三方來為其提供新的收入來源。

結(jié)論

中國(guó)正處于低端和中端CPU獨(dú)立性的道路上，但是要在高性能計(jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立自主還需要幾年的時(shí)間，但我們相信這是可以實(shí)現(xiàn)的。