國產(chǎn)大飛機C919的成功商飛，證明我國已經(jīng)擁有了設(shè)計制造大飛機的能力。繼高鐵、盾構(gòu)機等多個領(lǐng)域后，我國再次證明技術(shù)后來者，通過在起步階段引進關(guān)鍵技術(shù)，吸收消化后，自主研發(fā)不斷發(fā)展前行，這條“引進吸收再創(chuàng)新”道路的可行性。
而這一模式也在國產(chǎn)CPU領(lǐng)域充分應(yīng)用。目前在龍芯、申威、海光、兆芯、鯤鵬、飛騰這國產(chǎn)CPU六大廠商中，其最關(guān)鍵的指令集技術(shù)均引進自國外企業(yè)，在引進技術(shù)基礎(chǔ)上開始了自主研發(fā)，并取得了不同程度的進展。這是利用后發(fā)優(yōu)勢的舉措，也可望帶動國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
國產(chǎn)CPU的“師夷長技”
計算機處理人類的指令，首先要把人的指令翻譯成計算機硬件能“聽懂“的二進制語言，而指令集，就是由CPU執(zhí)行各項指令的集合，相當于計算機進行運算處理時，需要用到的最底層的“詞典”。有了這本詞典，CPU才能最終理解人類的操作，并執(zhí)行人類的命令。因此指令集是CPU設(shè)計最底層的核心技術(shù)之一。
從零開始設(shè)計一門面向機器溝通的語言，其難度之大可想而知。而自研指令集的技術(shù)難度還在其次；最困難的在于，如何為自研指令集發(fā)育配套的生態(tài)。
因為指令集不僅僅用于計算及操作者與CPU的”對話“，也決定了CPU與計算機其他軟硬件”對話“，要使用何種語言。也就是說，想讓計算機能運行起來，不但需要CPU能運行這種指令集，也需要所有硬件和軟件都能兼容支持這種指令集。
因此，如果自研指令集想存活下來，需最廣泛的軟硬件開發(fā)廠商共同支持，完成對自研指令集的兼容適配。而當前市場上，服務(wù)器和個人電腦的主流指令集是x86，占到了90%以上的市場份額，移動設(shè)備則主要為ARM指令集壟斷。
要讓這么多設(shè)備都切換到另一種指令集上，就相當于讓世界上說英語的人和說漢語的人都不能再說英語和漢語了，而要說一種新設(shè)計出來的語言，這顯然是難于登天的。
可以說，指令集不僅僅是一種技術(shù)，更是一種通用的規(guī)范。x86指令集形成于個人電腦從無到有快速發(fā)展的歷史環(huán)境，ARM指令集形成于移動設(shè)備從無到有快速發(fā)展的時代變遷。沒有這樣一個開創(chuàng)時代的歷史機遇，我們很難構(gòu)建屬于自己的且有市場生命力的指令集。
這意味著，龍芯、海光、鯤鵬等國產(chǎn)CPU的發(fā)展，必然要建立在引進技術(shù)上。只有在先期引進已經(jīng)形成一定生態(tài)規(guī)模的指令集，在此基礎(chǔ)上積累經(jīng)驗，逐步形成自主技術(shù)，我們才有可能保持住跟隨步伐，并在下一個歷史機遇到來時，尋求超越的機會。
目前，龍芯引進MIPS指令集并在其基礎(chǔ)上開發(fā)LoongArch指令集，申威則是在Alpha指令集基礎(chǔ)上自研了SW-64指令集，海光從AMD獲得了x86指令集的永久授權(quán)，兆芯從臺灣Via也獲得x86指令集開發(fā)權(quán)，鯤鵬和飛騰拿到ARM v8授權(quán)。
所以，從本質(zhì)上講，龍芯、海光、鯤鵬等所有國產(chǎn)CPU的底層核心技術(shù)均來自引進。“師夷長技”是當前國產(chǎn)CPU發(fā)展階段的必然。這將顯著提高我國CPU發(fā)展的速度，也是逐漸形成國產(chǎn)CPU自主技術(shù)應(yīng)有的基礎(chǔ)。
把技術(shù)裝進自己的口袋
一直以來，公眾對引進技術(shù)的擔憂是陷入“造不如買”的境地，害怕技術(shù)沒吃透，市場也丟了，因而對國產(chǎn)CPU引進技術(shù)存在較多質(zhì)疑。但龍芯、海光、鯤鵬等國產(chǎn)CPU廠商也用實際行動證明了沒有止步于引進。對核心技術(shù)的消化吸收，并形成自主技術(shù)路線，一直是龍芯、海光、鯤鵬等國產(chǎn)CPU的目標。
龍芯在引入MIPS指令集后，研發(fā)了LoongArch指令集。今年，龍芯基于LoongArch指令集，發(fā)布了新一代高性能CPU 3D5000。這是龍芯5000系列的最新成員，采用了芯粒（chiplet）技術(shù)，支持2路、4路CPU擴展，最多做到單服務(wù)器128核，浮點性能超過1萬億次，主要面向高性能計算領(lǐng)域。這也是龍芯技術(shù)研發(fā)路上的又一關(guān)鍵突破。
通過與AMD的合作獲得x86指令集永久授權(quán)的海光，也在Zen架構(gòu)基礎(chǔ)上走出了自己的特色。在完成技術(shù)消化吸收的前提下，海光共獨立推出三代產(chǎn)品，海光三號在性能上比海光二號提升了40%左右，接近于Zen3產(chǎn)品水平。而且，海光還基于自己的市場策略走出了自己的技術(shù)路線。Zen架構(gòu)的升級方向主要通過采用更先進的芯片工藝和提升單核性能，而海光處理器則是通過對微架構(gòu)的創(chuàng)新升級，提升單核與多核性能并重。
這些成績，均是在2019年AMD不再向海光授權(quán)Zen2架構(gòu)的前提下取得的。顯然，海光一開始就無意于跟隨AMD的腳步，而是基于自身對市場、用戶需求、數(shù)據(jù)安全應(yīng)用等因素的綜合考量開發(fā)自己的產(chǎn)品。
比如，在數(shù)據(jù)安全方面，海光的CPU對存在于Intel CPU上的熔斷漏洞免疫，并能快速修復(fù)幽靈漏洞。熔斷漏洞和幽靈漏洞是Intel的CPU爆出的兩大著名漏洞，Intel用了4年時間還沒有完全修復(fù)幽靈漏洞。這也說明海光的技術(shù)已經(jīng)走到了“基于x86，但不困于x86”的新階段。
而鯤鵬作為ARM指令集CPU的代表，在性能表現(xiàn)上也可圈可點。2019發(fā)布的鯤鵬920，專為大數(shù)據(jù)處理以及分布式存儲等應(yīng)用而設(shè)計，最高集成64個物理核，主頻最高2.6GHz。
但與龍芯和海光在指令集層面的深入不同，鯤鵬的自主創(chuàng)新型，表現(xiàn)在性能提升以及圍繞華為生態(tài)的定制開發(fā)層面。在底層技術(shù)上，仍可能受到限制。目前，由于ARM公司已經(jīng)表示不會向中國企業(yè)授權(quán)ARM v9指令集，這可能使得鯤鵬未來的發(fā)展陷入瓶頸。這也從另一側(cè)面證明，引進技術(shù)之后，必須把技術(shù)裝進自己的口袋才是國產(chǎn)CPU的正確方向。
國產(chǎn)CPU發(fā)展關(guān)鍵，在形成生態(tài)
在技術(shù)上完成消化吸收再創(chuàng)新之后，龍芯、海光、鯤鵬等國產(chǎn)CPU仍面臨建設(shè)生態(tài)的難題。而培育起配套的生態(tài)，才是國產(chǎn)CPU發(fā)展的關(guān)鍵。
這類似于中國高鐵，不但高鐵的生產(chǎn)建造技術(shù)要達到世界先進水平，還要基于國產(chǎn)高鐵技術(shù)形成上下游供應(yīng)鏈、城市交通規(guī)劃，這才能說中國高鐵已經(jīng)崛起。應(yīng)該說，建設(shè)國產(chǎn)CPU自己的生態(tài)，是在完成技術(shù)消化吸收后，更為關(guān)鍵也更加困難的課題。
目前，龍芯正在為建設(shè)生態(tài)加大投入力度。由于LoongArch指令集與主流指令集不兼容，需要軟硬件廠商圍繞LoongArch指令集，編譯適配成龍芯能“聽懂”的產(chǎn)品。對此，龍芯獨立完成了從系統(tǒng)架構(gòu)到中間件到上層應(yīng)用的全部工作，以降低合作者的開發(fā)難度；并針對性地優(yōu)化必要的應(yīng)用，降低用戶的使用難度。同時，龍芯計劃推出LoongArch到x86和ARM指令集的轉(zhuǎn)譯器，從而兼容x86和ARM的生態(tài)。
使用x86指令集的海光，生態(tài)建設(shè)上則相對從容，走得最為順暢。海光可以利用x86 CPU多年來已經(jīng)形成的軟硬件生態(tài)，兼容已有的WinTel生態(tài)，從而極大地降低了國產(chǎn)化替代過程中的遷移成本，并獲得廣泛的軟硬件生態(tài)支持，為用戶帶來較為開放的選擇權(quán)。
在2020年，海光還成立了海光產(chǎn)業(yè)生態(tài)合作組織（簡稱光合組織），聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)、高校、科研院所、行業(yè)企業(yè)等相關(guān)組織，共同開發(fā)海光CPU產(chǎn)品的軟硬件配套和解決方案。
目前，光合組織已有3000余家成員單位，完成5000多款軟件優(yōu)化，還聯(lián)合伙伴推出10000多個聯(lián)合解決方案。這一開放的合作，將可望形成像WinTel聯(lián)盟一樣的技術(shù)生態(tài)，推動海光CPU商業(yè)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。
國產(chǎn)CPU比國產(chǎn)大飛機更難的是，不僅要在技術(shù)上達到世界水準，還要建立起屬于自己的生態(tài)體系。我們也要正視，在國產(chǎn)CPU領(lǐng)域與國外巨頭還存在差距。因而以引進技術(shù)起步，既能直接抬高我們的起點，又避免了重新發(fā)明輪子的資源浪費。把注意力集中在吸收技術(shù)，創(chuàng)新發(fā)展，建設(shè)生態(tài)上，這才是龍芯、海光、鯤鵬等國產(chǎn)CPU以后來者追趕領(lǐng)導(dǎo)者應(yīng)有的務(wù)實姿態(tài)。
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