CPU路线：盘点三条不同的指令集路线

CPU路线：盘点三条不同的指令集路线指令集是计算机运行指令的集合，是一本计算机运行的“词典”，也是CPU底层的核心技术之一。国外指令集技术的先发优势和技术沉淀，使国产CPU厂商很难在指令集层面上自研开发，只能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不同的发展方向。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方向，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。01.指令集的背后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，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。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运行速度、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。指令集也是一样，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加广泛。目前全球CPU市场上，x86指令集占据领先地位，市场份额超过90%，就是因为x86指令集软硬件生态早已建立，其他指令集已经很难取代x86指令集的统治地位。指令集不仅仅是一项独立的技术，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和服务器CPU上占据垄断地位，ARM指令集在移动设备上有优势。这就相当于，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。02.x86指令集：形成性能和商业生态的双轮驱动无论在服务器市场还是PC市场，x86处理器是绝对的主流。CounterpointResearch的调研数据显示，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，进一步提升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Intel和AMD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广泛应用于电信、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，海光已经形成了市场回报促进技术升级，技术升级保障产品优势，产品优势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。03.ARM指令集：高歌猛进与壮士扼腕与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指令集像手机的Android操作系统一样开放，获得授权的CPU厂商都可以基于ARM指令集设计自己需要的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ARMv8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公司已经宣布不再向国内厂商提供ARMv9指令集的授权。ARMv9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ARMv8基础上自行研发出了与ARMv9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。04.授权+自研指令集：自主研发前路可期与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，但这也意味着，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，也就无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