时间: 2024-08-03 10:55:56 | 作者: 电机
很难在指令集层面上自研开发，只可以通过授权引进再开发的方式，研发自己的CPU。
于是，授权引进哪一种指令集，就成了国产CPU不同的发展趋势。目前，海光和兆芯采用主流的x86指令集，华为鲲鹏和飞腾基于ARM指令集开发，龙芯和申威则是走“授权+自研”指令集的路线。
底层技术的差异，决定了各厂商不同的发展趋势，也形成了不同的商业版图和创新路线。盘点三条不同的指令集路线，就是在预见国产CPU发展上潜力和挑战。
计算机硬件只能识别和处理由一串二进制数码组成的机器语言，而人操作计算机使用的是人类语言，这就需要经过计算机软件和操作系统的“翻译”，形成由计算机能理解的指令，并由CPU和其他硬件处理这些指令。
指令集，就是由CPU执行各项指令的集合。指令集相当于计算机进行运算处理时，要使用到的最底层的“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。
然而，尽管计算机的结构都是一样的，最终都要运行二进制代码，但指令集却并非只有一种。这就如同人类世界中有多种不同语言。也正如不同人类语言会造成沟通效率上的差异一样，不同的指令集也会影响计算机的工作速度、功耗等性能表现。
而且，不同的指令集意味着最底层的“词典”不一样，对应的软硬件系统就要使用不相同的“语言”。这就像一个团队中所有人都说英语，那么不能听说英语的人就无法沟通一样。所以，围绕不同的指令集，必须有说同一种”语言”的硬件和软件系统，才能操作计算机，也就是说，不同的指令集必将衍生出不同的软硬件配套。
语言是有垄断性的，一种语言越流行，则说这种语言的人也就越多。指令集是相同，一种指令集越流行，围绕这种指令集进行配套开发的计算机软硬件企业就越多，进而使这种指令集应用更广泛。目前全球CPU市场上，x86指令集占据领头羊，市场占有率超过90%，就是因为x86指令集软硬件生态早已建立，其他指令集已经非常困难取代x86指令集的统治地位。
指令集不单单是一项独立的技术，更是一种技术生态和商业生态。这是国产CPU不得不引进指令，而无法完全独立开发指令集的关键原因之一。目前，x86指令集在PC与服务器CPU上占据垄断地位，ARM指令集在移动电子设备上有优势。这就等于，目前最大的两个市场上的参与者，都不说汉语，那么不管我们有多么不情愿，都只能去学习对方的语言，才有机会进入这个市场。
所以，目前国产CPU厂商这本质上都是在学习应用别人的语言。海光和兆芯采用主流的x86指令集，华为鲲鹏和飞腾基于ARM指令集开发，龙芯则是先引进了MIPS，通过借鉴，自研创新出了LoongArch指令集，申威也一样，在引进Alpha指令集后，开发SW-64指令集。也因此，六家厂商将基于四条指令集，走出不同的发展之路。
无论在服务器市场还是PC市场，x86处理器是绝对的主流。Counterpoint Research的调研多个方面数据显示，2022年全球服务器市场上，x86指令集仍然是服务器CPU市场的主导，占到了91%左右。而根据IDC数据，2021年，国内x86服务器出货量为382.0万台，在国内服务器市场中的占比高达 97.7%。
因此，x86指令集已经完全建立起了其软硬件生态，应用广泛，有较强的兼容性，商业回报也最为丰厚，从而能够投入更多的研发资源，逐步提升CPU的性能，进而带动商业生态继续扩大。
这种基于性能形成的商业生态，是CPU厂商真正的市场壁垒。目前，x86指令集的知识产权掌握在IntelAMD手中，而国产CPU厂商中，海光通过与AMD的交叉许可授权，获得基于x86指令集做自主开发的权力，兆芯则通过台湾威盛也获得x86指令集开发权。但因为威盛拿到的授权已经于2018年到期，因此，目前国内CPU厂商中，只有海光能够不受相关专利限制，自由开发x86指令集CPU。
能够基于x86指令集开发CPU产品，意味着海光兼容度更高，这能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，从而打开规模庞大的市场空间。
而真正把机会变成现实的是海光在研发上的投入。2019年度至2021年度，海光累计研发投入为35.39亿元，占据营业收入比例高达到95.35%。这让海光能够在消化AMD的Zen架构之后，形成自己对技术的认知，并进而三年推出三代产品。据评测对比，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，海光二号之后的迭代，主要是通过对微架构的设计创新和芯片架构升级，提升单核与多核性能并重，这表明海光已经与AMD走上不同的技术路线。
目前，海光的CPU大范围的应用于电信、金融、互联网、教育、交通等重要行业。根据海光2022年财报显示，2022年营业收入增长121.83%，净利润增长145.65%。显然，海光已形成了市场回报促进技术升级，技术升级保障产品的优点，产品的优点又赢得市场回报的飞轮效应，未来，只要海光能在研发上保持高投入，持续提升产品性能，就有机会像Intel和AMD一样，在市场上建立起自己的生态壁垒。
与x86指令集掌握在两家企业手中不同，ARM指令集是一种可以开放授权给任何一家CPU厂商的指令集。这是因为ARM指令集的创造者，英国AdvancedRISCMachines（缩写为ARM）公司是一家CPU架构设计公司。ARM公司将设计好的指令集和架构授权给CPU开发企业收取授权费用，但自身不直接参与CPU的开发和生产。
ARM指令集像手机Android操作系统一样开放，获得授权的CPU厂商都可以基于ARM指令集设计个人需要的CPU。而且，ARM指令集CPU功耗低、能效比优秀，在移动端设备和消费电子类产品中广泛应用。
因此，ARM指令集就成了国产CPU厂商一条新的选择，华为鲲鹏和飞腾均获得ARM v8指令集永久授权，可以研发设计自己的CPU产品，并都取得了不错成绩。
目前，最有代表性的是2019发布的鲲鹏920，作为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，在非x86指令集产品中算力有明显优势。而飞腾则建立了KPS体系，用飞腾CPU（Phytium）和麒麟操作系统（Kylin）和S-Security”的立体防护安全链，安全性较有保障。
但是，ARM公司已宣布不再向国内厂商提供ARM v9指令集的授权。ARM v9被视作自Armv8以来的重大变革，在AI与安全性能上均有大幅度升级，这使得鲲鹏和飞腾都将面临技术迭代断档的风险，而且，基于ARM公司的授权协议，即便鲲鹏和飞腾在ARM v8基础上自行研发出了与ARM v9相同的功能，也同样构成侵权。鲲鹏背后的华为，飞腾背后的中国电子，有实现迭代开发的技术能力，却受困于知识产权限制而难以发挥自身实力。
这种”断供”违背了ARM公司走开放、中立路线的承诺，也会使其失去规模巨大的中国市场，但也截断了鲲鹏、飞腾等国产厂商的迭代努力。这一令人扼腕的局面，只能再次说明核心技术只能靠自身的研发投入，才能掌握在自己手中。
与ARM指令集面临“断供”局面不同，龙芯和申威走的“授权+自研”指令集路线，确实将底层技术牢牢地掌握在了自己手中，但这也代表着，龙芯和申威都要补足生态上的短板，这可能是一条比自主研发指令集更难的道路。
龙芯在获得MIPS指令集授权后，借鉴创新出LoongArch指令集，申威则是在Alpha指令集基础上自研SW-64指令集。这可以简单理解为指令集技术的“逆向工程”，先买别人的来研究仿制，再独立开发，并一步步迭代。
这条路走的艰难，在没有前人领路，只能“自学”的情况下，龙芯完成研究到独立开发迭代。目前，在性能方面，龙芯制程工艺达到12nm节点，性能逐步达到七八年前主流水平。这表明授权+自研指令集路线的CPU，虽然还没有追上主流CPU的性能，已经取得了不小的进步。
而更大的困难在于，“授权+自研”指令集路线较难形成软件应用齐全、硬件适配广泛的生态。无论是LoongArch指令集还是SW-64指令集，本质上都是只有特定领域的极少数人使用的“方言”。就像出门在外必须说汉语普通话，走向世界必须能说英语一样，只会说“方言”是无法参与主流生态中的，也就没办法形成真正的市场竞争力。因此，目前龙芯和申威，都只能在军工、航天、超算等特种领域中应用。
目前看，海光代表的x86指令集路线，有机会形成自己独立的技术和生态上双轮驱动，要更广阔的商业前景。鲲鹏和飞腾代表的ARM路线如果能解决版本迭代问题，可望必将迎来新一轮迅速增加，而龙芯代表的授权+自研路线，则在自立更生道路上试探前行。
CPU行业的规律是强者恒强，因此指令集不单单是技术问题，更决定了商业版图。我们只可以在别人已经确定市场格局中，寻找自己创新发展的空间。这是必须面对的挑战，是后来者的必经之路，但绝不会让国产CPU产业停下脚步。
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