跑贏Intel/AMD？國內(nèi)處理器的指令集體系及技術(shù)來源解析

　　6月底公布的最新一期TOP500超算排行榜中，中國的神威·太湖之光低調(diào)地擠下了六連霸的同胞兄弟天河2號，成為首款理論性能達(dá)到10億億次的超算，將天河2號之前保持的性能往前推進(jìn)了一個量級，晉級新的世界第一超算。伴隨著太湖之光的其實不僅僅是第一名的榮譽，這次TOP500上中國上榜的超算數(shù)量首次超過了以往的霸主美國，超算應(yīng)用也實現(xiàn)了三十年來的突破，更重要的是太湖之光計算機使用的是國產(chǎn)處理器，不再是Intel的Xeon處理器。

　　國產(chǎn)處理器“取代”Intel、AMD等國際公司的處理器一直是國家的戰(zhàn)略和夢想，如今在太湖之光計算機上算是真正圓夢了，不過當(dāng)初的新聞報道中筆者也看到了評論中很多人對國產(chǎn)處理器的批評(雖然大部分否定太湖之光的人只是宣泄情緒、負(fù)能量而已)，這個問題也是影響國產(chǎn)處理器發(fā)展的一個重要因素，因為生態(tài)體系的缺乏，中國發(fā)展自己的處理器也只能是“摸著石頭過河”，這個石頭就是國外已經(jīng)發(fā)展的處理器指令集，但這種路線又很容易被不明真相的圍觀者嘲諷——都用了別人的指令集了，怎么還敢叫自主產(chǎn)權(quán)?

　　對于這個問題，多年前龍芯處理器的架構(gòu)師胡偉武博士也解釋過：“我們CPU也是可以做世界第一的，而且有，關(guān)鍵就是沒法用，用戶不用你。”軟件生態(tài)的現(xiàn)實決定了國產(chǎn)處理器不可能從0開始研發(fā)，在這方面日本80-90年代通過TRON計劃研制通用OS、CPU但最終失敗的例子可以說是前車之鑒，反而C919大飛機這種國際化分工合作的模式容易獲得成功。

　　在研發(fā)處理器方面，既然我們的目標(biāo)是“過河”，為了穩(wěn)妥、安全，摸著石頭小心探索也是可行的，而中國在處理器研發(fā)上可以說把河里的石頭都摸了個遍，從X86到ARM再到MIPS還有小眾的SPARC、Alpha甚至安騰架構(gòu)，國內(nèi)幾乎都嘗試了。

　　今天，我們就來簡單了解下國內(nèi)處理器的指令集體系及技術(shù)來源。根據(jù)公開來源，筆者能找到的有代表性的國產(chǎn)處理器方案主要有龍芯、申威、兆芯、飛騰、宏芯以及智能手機/平板領(lǐng)域發(fā)展最好的海思、展訊、全志等，他們所用的架構(gòu)涉及X86、ARM、MIPS、Power及SPARC、Alpha等，如下圖所示：

　　常見國產(chǎn)處理器指令集體系及來源

　　龍芯：血統(tǒng)純正的中國芯，商業(yè)化不盡如人意

　　龍芯并非最早的國產(chǎn)處理器，也不是最成功的國產(chǎn)處理器，但提到國產(chǎn)處理器，大家第一個想到的恐怕就是龍芯了，它是曝光率最高的國產(chǎn)處理器，而且考慮到它是中科院計算機所研發(fā)的，其血統(tǒng)的純正性更容易成為國產(chǎn)處理器的代表。

　　龍芯課題組于2001年成立，不過龍芯處理器的正式誕生之日是2002年8月10日，在計算所長李國杰院士的領(lǐng)導(dǎo)下，龍芯之父胡偉武博士及其團(tuán)隊拿出了龍芯1號處理器，當(dāng)年他還寫過《我們的龍芯1號》一文介紹龍芯的研發(fā)歷程，小編當(dāng)年也看過這篇文章，記憶猶新的是龍芯的中文代號是“狗剩”，源于中國人“賴名好養(yǎng)活”的習(xí)俗，不過也可以看出團(tuán)隊對龍芯處理器的未來雖然有期待，但當(dāng)時應(yīng)該是挺擔(dān)心這個項目的未來發(fā)展的，只是龍芯的英文名就非常高大上了——Godson，上帝之子!

　　龍芯一出世就頂著自主研發(fā)的美名，但是沒多久就被爆出龍芯的指令集實際上是源于MIPS，也就是說是買來的，這讓龍芯瞬間被千夫所指，研發(fā)團(tuán)隊也背負(fù)了罵名和壓力，胡偉武博士也解釋過為何選擇MIPS指令集，前面說的“用戶不用你”就是根本原因，自建一套軟件生態(tài)系統(tǒng)對中科院這樣的學(xué)術(shù)單位來說是不可能的任務(wù)。

　　對龍芯的第二個質(zhì)疑在于他們選擇了MIPS指令集而非現(xiàn)在大紅大紫的ARM指令集，不過時間回溯到2000年代(龍芯立項研發(fā)的時代可能更早一些)，當(dāng)時的ARM可沒有如今這般強勢，而MIPS在大學(xué)、科研單位有良好的基礎(chǔ)，龍芯團(tuán)隊選擇MIPS也是情有可原。

　　不管怎樣，龍芯這個項目算是活下來了，從最初的龍芯1到目前的龍芯3已經(jīng)發(fā)展了三代了，每一代其實又衍生出了多個版本，從單核、雙核到四核、八核，從180nm工藝到28nm工藝，從雙發(fā)射到四發(fā)射，龍芯處理器的架構(gòu)、規(guī)格、頻率、性能都在不斷進(jìn)步，龍芯3B2000甚至號稱性能達(dá)到了Intel Ivy Bridge處理器的水平，其指令集其實已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了MIPS范疇，加入了很多龍芯團(tuán)隊自己開發(fā)的指令，比之前的產(chǎn)品增加了500多條自定義龍芯擴(kuò)展指令，可用于實現(xiàn)對其他主流指令系統(tǒng)的二進(jìn)制翻譯兼容，另外存儲訪問和I/O效率也有大幅的提高，還有一點就是軟硬件將保持向前兼容。

　　但是龍芯也不是沒有槽點，大多數(shù)龍芯處理器其實活在了中科院給外界展示成果的展臺上，盡管多年來大家對龍芯抱以期待，中科院甚至讓旗下的江蘇夢蘭集團(tuán)參與成立中科龍夢公司加速商業(yè)化，也推出了靈瓏/福瓏/逸瓏臺式機、筆記本等產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品大都曇花一現(xiàn)，性能無法達(dá)到主流水平，很快就被人給忘記了。

　　·申威/飛騰：最成功的國產(chǎn)處理器，軍方的秘密武器

　　申威和飛騰盡管選擇的處理器路線不同，不過這兩家要放在一起說了，因為這兩家背后有軍方背景，申威處理器是無錫江南計算技術(shù)研究所研發(fā)的，后者也是總參謀部第五十六研究所，它有個名字是上海高性能集成電路設(shè)計中心，而天津飛騰是國防科大旗下的。此外，早前我們還報道過一家名為Phytium公司在去年的Hotchips 2015會議上推出了代號為Mars(火星)的多核處理器，這家公司是廣州飛騰，據(jù)說也是國防科大下屬的，但跟研發(fā)飛騰FT處理器的天津飛騰又不是一家單位。

　　回到正題，江南所在計算機技術(shù)研究上也是老資歷了，不過在處理器指令集上他們的選擇看起來有點非主流——DEC公司的Alpha 21264指令集，在技術(shù)上Alpha有獨特之處，DEC當(dāng)年在處理器市場也曾叱咤風(fēng)云，AMD的K7架構(gòu)就有部分技術(shù)源于Alpha架構(gòu)，AMD上上上任CEO德克·梅爾(Dirk Meyer)就來自DEC公司，去年辭職走人的Zen架構(gòu)之父Jim Keller也曾在DEC公司研發(fā)Alpha架構(gòu)。

　　如今DEC公司早就煙消云散，公司幾經(jīng)轉(zhuǎn)賣，微軟在Win2000之后也放棄了對Alpha架構(gòu)的支持，Alpha架構(gòu)也早就不再更新了，專利也過期了，這可能是江南所選擇Alpha架構(gòu)的原因之一。2011年濟(jì)南的超算中心部署了神威藍(lán)光，它所用的處理器就是神威SW1600，16核心，現(xiàn)在的資料都認(rèn)為它是基于專利已經(jīng)過期的DEC ALPHA 21164A EV-56架構(gòu)。

　　申威SW26010處理器是260核心

　　這次的太湖之光的神威SW26010處理器也是江南所研發(fā)的，雖然大家猜測它還是Alpha指令集，但跟龍芯后續(xù)架構(gòu)類似，申威SW26010的架構(gòu)、指令集已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了之前的范疇，加入了很多新指令。這次的SW26010就是260核心眾核架構(gòu)，亂序執(zhí)行架構(gòu)，頻率1.45GHz，整個處理器包括4個MPE(Management Processing Element)管理單元、4個CPE(Computing Processing Element)計算單元及4個MC內(nèi)存控制器單元組成，其中CPE單元又由8x8陣列的64核心組成，所以總計是260個核心(4x64+4=260)。

　　與其他國產(chǎn)處理器相比，申威系在性能上完全走在了前列，在世界范圍內(nèi)都是靠前的，SW26010的理論浮點性能高達(dá)3TFLOPS，其性能完全可與Inel最新的Xeon Phi加速卡一拼。不過申威處理器的不足之處在于內(nèi)存系統(tǒng)，太湖之光性能達(dá)到天河2號三倍的同時總內(nèi)存反而從1.4PB降低到了1.31PB，每個節(jié)點使用了四路128bit DDR3-2133內(nèi)存，帶寬為136GB/s，這一點上不如Intel的Xeon Phi加速卡，后者自身集成了16GB eDRAM緩存，帶寬超過500GB/s，而且早就支持DDR4內(nèi)存了。

　　再來說下飛騰，天津飛騰研發(fā)的FT系列處理器也在HPC領(lǐng)域有過應(yīng)用，不過飛騰FT處理器用的架構(gòu)更雜亂，從公開資料來看第一代FT處理器兼容于Intel安騰2指令集，第二代FT-64處理器在銀河計算機中有過使用，第三代產(chǎn)品FT-1000則是基于開源的UltraSPARC架構(gòu)，8核64線程，在天河1號計算機的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)上有使用。

　　之后的FT-1500還是基于SPARC架構(gòu)，制程工藝從65nm升級到了40nm，16核心128線程，在天河2號超算中使用了4096顆FT-1500處理器作為節(jié)點前端處理器。

　　最新的FT-1500A雖然名字跟上面的類似，但實際上沒什么關(guān)系了，因為它的架構(gòu)變成了ARM 64位，使用的是28nm工藝。據(jù)天津飛騰總經(jīng)理谷虹介紹，F(xiàn)T-1500A系列處理器是64位通用CPU，兼容ARM V8指令集，采用國際先進(jìn)的28nm工藝流片，具有高性能、低功耗等特點，關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，可實現(xiàn)對Intel中高端“至強”服務(wù)器芯片的替代，并廣泛應(yīng)用于政府辦公和金融、稅務(wù)等各行業(yè)信息化系統(tǒng)之中。

　　不論是申威還是飛騰，這兩家軍方背景的國產(chǎn)處理器單位因為目標(biāo)明確，可以說是國產(chǎn)處理器中做的最成功的——不論性能還是架構(gòu)設(shè)計都有獨特之處，申威處理器不僅有硬件研發(fā)，還在編譯器及Linux操作系統(tǒng)(神威睿思)上做了創(chuàng)新，太湖之光這次有三項應(yīng)用入圍戈登貝爾獎，這也得歸功于江南所在超算應(yīng)用上的努力。

　　·中晟宏芯：借力藍(lán)色巨人IBM，Power架構(gòu)能撐起一片天?

　　通用處理器架構(gòu)也曾百花齊放，Intel當(dāng)年面對的對手比現(xiàn)在多得多，但X86現(xiàn)在差不多一統(tǒng)天下了，能跟Intel競爭的公司就更少了，強大如IBM這樣擁有Power架構(gòu)的公司也不行了，他們索性于2013年聯(lián)合NVIDIA、泰安電腦等公司成立OpenPower開放聯(lián)盟，其他公司也可以獲得Power架構(gòu)授權(quán)。此后在2014年還推動成立中國POWER技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟，IBM與多家中國公司簽署了授權(quán)協(xié)議，中晟宏芯就是其中的一家。

　　IBM的Power架構(gòu)一度成為國產(chǎn)處理器的希望

　　中晟宏芯成立于2013年，發(fā)起人是江蘇夢蘭集團(tuán)、江蘇中晟智源、蘇州高新創(chuàng)業(yè)投資集團(tuán)，夢蘭集團(tuán)之前我們說過是中科院旗下的公司，而后兩者可以說是江蘇政府代表，因此中晟宏芯獲得Power架構(gòu)技術(shù)得到了工信部及江蘇政府、中科院計算所的支持，計算所甚至派了一個技術(shù)團(tuán)隊，如果一切都能按照預(yù)定的引進(jìn)、消化、吸收，中晟宏芯應(yīng)該在2019年推出國產(chǎn)化的Power處理器。

　　但是事與愿違，中晟宏芯雖然很快就推出了CP1處理器，但這只是IBM Power 8處理器的馬甲而已，還沒等這家公司消化Power技術(shù)，他們就鬧出了欠薪風(fēng)波，中科院派出的技術(shù)人員發(fā)不出工資，此后公司也不斷動蕩，股東發(fā)生變化，人員也波動頻繁，指望中晟宏芯推動Power架構(gòu)國產(chǎn)化是沒希望了。

　　此外，IBM的Power架構(gòu)在國內(nèi)銀行等關(guān)鍵行業(yè)有重要應(yīng)用，而且Power處理器性能強勁，是個好東西，但真要引進(jìn)消化也沒這么容易，以Power 8架構(gòu)為例，它是12核心96線程，核心面積達(dá)到了650mm2，復(fù)雜度遠(yuǎn)高于普通處理器，再加上原本使用的是IBM自己的22nm SOI工藝，而SOI工藝已經(jīng)沒多少代工廠搞了(GlobalFoundries用過，28nm節(jié)點放棄，后來又繼承了IBM的衣缽)，這無疑增加了Power處理器的國產(chǎn)化難度。

　　·兆芯/海光：中國能用X86技術(shù)打敗Intel、AMD?

　　前面提到的國產(chǎn)處理器中，除了軍方背景的申威、飛騰之外，基于MIPS、SPARC以及Power架構(gòu)的處理器發(fā)展過程都是一波三折，他們面臨的核心問題也是一樣的——軟件生態(tài)遠(yuǎn)不如X86。既然大家都能注意到這個問題，那中國為什么不直接選擇X86體系呢?這是個好問題，你還別說，國內(nèi)還真有搞X86架構(gòu)的。

　　國內(nèi)較早跟X86架構(gòu)授權(quán)有關(guān)的是北大微電子中心，2005年AMD跟中國政府達(dá)成了協(xié)議，科技部指定北大微電子中心接收AMD Geode-2處理器技術(shù)授權(quán)，北大微電子中心還把這事作為重點宣傳，表示“這是美國歷史上，第一次向在美國境外授權(quán)開發(fā)X86兼容的微處理器及系統(tǒng)芯片。此次合作也是迄今為止中美半導(dǎo)體領(lǐng)域最具影響力的技術(shù)合作。”

　　AMD給的這個處理器是X86架構(gòu)的，中國因此獲得了X86技術(shù)，不過Geode處理器大部分人是沒聽說過的吧，因為這是AMD嵌入式處理器，其最初起源于Cyrix公司的MeidaGX平臺，后來Cyrix這部分業(yè)務(wù)被國家半導(dǎo)體(NS)收購，2003年AMD又把國家半導(dǎo)體的Geode業(yè)務(wù)收了。

　　AMD授權(quán)給北大的X86技術(shù)顯然不可能是最頂級的，所以選了嵌入式架構(gòu)給中國，不過這點“施舍”已經(jīng)可以讓北大好好裝一下了，很多人恐怕不記得還有北大眾志處理器吧，原先也是做MIPS架構(gòu)，得到AMD授權(quán)之后，他們的PKUnity86-3就是X86兼容處理器，但最后也是不了了之，也只活在了展臺上，現(xiàn)在都沒什么消息了。

　　說得有點遠(yuǎn)了，回到正題上來。由于X86架構(gòu)是AMD、Intel吃飯的家伙，他們通常是沒可能把技術(shù)授權(quán)給別人的，AMD之前那個例子更多地是拿買來的技術(shù)迎合中國市場而已，中國公司從這兩家獲得X86技術(shù)的可能性幾乎沒了。不過我們別忘了X86技術(shù)實際上并非只有AMD和Intel，VIA威盛公司也有X86授權(quán)的，他們的技術(shù)來源于Cyrix，后者又是Intel當(dāng)年對外授權(quán)X86技術(shù)的幾家公司之一。

　　在當(dāng)年的Intel反壟斷案和解之后，VIA的X86技術(shù)也算是正當(dāng)化了，但是VIA自己是個小公司，沒法玩轉(zhuǎn)高性能X86架構(gòu)的，他們出的Nano、Nehemiah(尼希米)、Esther(以斯帖)、Isaiah(以賽亞，VIA總經(jīng)理陳文琦、王雪紅夫婦是基督徒，產(chǎn)品代號也很有宗教特色)等處理器雖然不乏特色，但因為制造工藝不能跟Intel相比，架構(gòu)和性能也是不能相提并論的。既然沒有市場了，那VIA索性把X86技術(shù)賣給了大陸的上海兆芯公司。

　　兆芯這家公司也是很有背景的，2013年由上海國資委旗下的聯(lián)和投資與VIA成立的，注冊資本2億美元，上海出資80%，VIA占股20%。這次的合作顯然是大陸出錢，VIA出技術(shù)，因為兆芯的業(yè)務(wù)范圍包括X86 CPU、ARM CPU、GPU及芯片組研發(fā)都是VIA現(xiàn)有的，上海國資委下面的投資公司可沒這技術(shù)。

　　憑借雄厚的背景，兆芯如愿拿下了國家的核高基項目，根據(jù)公開報道兆芯拿到的核高基補貼高達(dá)56億，后續(xù)還在申請，總額高達(dá)70億。至于回報，兆芯號稱自主研發(fā)的ZX-C處理器于2015年4月量產(chǎn)，28nm工藝，四核處理器，主頻可達(dá)2.0GHz，TDP功耗僅為18W，并且支持國密算法加密，但兆芯的CPU基本上都是VIA處理器的馬甲，畢竟從成立到拿出產(chǎn)品只有2年左右的時間，這么快就生產(chǎn)出四核X86處理器并不容易。

　　除了上海兆芯，國內(nèi)另一家獲得X86技術(shù)授權(quán)的是天津海光，這事還得從AMD說起，今年Q2季度財報公布之后，AMD宣布他們跟中國天津海光投資公司達(dá)成了協(xié)議，將X86技術(shù)授權(quán)給海光公司，獲得2.93億美元的授權(quán)費，雙方還會成立合資公司。

　　目前有關(guān)AMD、海光的X86授權(quán)協(xié)議還不明確，但AMD這次授權(quán)給中國公司的X86很可能不再是低端的，因為AMD要打開中國高性能服務(wù)器市場，授權(quán)的架構(gòu)很可能是高性能的Zen技術(shù)，換句話說AMD有可能給了中國公司最尖端的X86技術(shù)，如果真是如此，AMD這一次可真的是拼了。

　　海思：商用市場的成功才是真成功

　　這里雖然選擇了華為的海思，不過筆者要說的其實是海思、展訊、全志、瑞芯微等一幫民營公司開發(fā)的處理器，選擇海思作為代表，是因為海思是其中的佼佼者。這些公司雖然沒多少背景(海思背后的華為算是大公司，是個例外)，但他們恰恰是商業(yè)化最成功的國產(chǎn)處理器，這點跟前面介紹的其他處理器不同。

　　商業(yè)公司以市場為導(dǎo)向，不必背負(fù)什么國產(chǎn)、自主產(chǎn)權(quán)的壓力，他們無一例外選擇了最熱門的ARM體系，架構(gòu)也多是購買的ARM公司的Cortex-A系列授權(quán)，GPU也是花錢授權(quán)的，海思還可以研發(fā)自己的基帶及ISP、DSP等芯片，目前的麒麟950處理器是首款Cortex-A72核心、Mali-T880 GPU及TSMC 16nm Plus工藝處理器，已經(jīng)具備國際先進(jìn)水平。

　　總結(jié)：

　　以上介紹的國產(chǎn)處理器中，他們大體可以寫分為學(xué)院派、軍方派、國資派及民營派，其中商業(yè)化最好的顯然是民營派，國內(nèi)廠商在手機/平板SoC處理器上已經(jīng)闖出一片天，軍方派的飛騰、申威因為目標(biāo)明確，實際上發(fā)展的也相當(dāng)成功，申威SW26010在眾核架構(gòu)上也具備世界水準(zhǔn)了。

　　不能讓人滿意的要屬學(xué)院派及國資派了，龍芯被寄予厚望，但市場化舉步維艱，考慮到MIPS指令集的應(yīng)用場合，龍芯進(jìn)入主流市場是沒可能了。一些國有資本參與的國產(chǎn)處理器更讓人失望，其所推出的處理器經(jīng)常號稱國產(chǎn)自主產(chǎn)權(quán)或者自主研發(fā)，但背后多是馬甲，很多項目都是為了爭取國家的核高基巨額補貼。

　　當(dāng)然，在套取國家補貼這點上，不僅是國資派，所有公司其實都對這個蛋糕垂涎三尺。華為海思雖然在商用市場發(fā)展的不錯了，這點值得表揚，但他們也沒忘記核高基補貼。我們曾報道過華為的泰山服務(wù)器，此前資料說它使用的是華為自主研發(fā)的CPU架構(gòu)，但之后華為公關(guān)找我們澄清過——該處理器不是16核而是32核的，基于公版Cortex-A57架構(gòu)，華為表示該項目是國家核高基計劃，不會量產(chǎn)。

　　筆者并不是反對國家補貼高科技發(fā)展，以當(dāng)前國內(nèi)相對弱勢的情況來看，國家的支持和補助對處理器研發(fā)以及存儲芯片研發(fā)、半導(dǎo)體工藝等重大技術(shù)都是非常必要的，問題是如何避免有些公司渾水摸魚、騙取納稅人資金。

　　盡管有這樣那樣的問題，國產(chǎn)處理器無論如何都是一個要大力發(fā)展的行業(yè)，我們希望不久的將來能看到中國公司也能制造出世界級水準(zhǔn)的高性能處理器，與Intel、AMD、高通等公司同臺競爭，盡管不是每一個人都會選擇國產(chǎn)處理器。