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中国 CPU 暗潮汹涌,龙芯、飞腾他们都在走什幺样的路?

2020-06-15

中国 CPU 暗潮汹涌,龙芯、飞腾他们都在走什幺样的路?

近年来,在核心电子零件项目补贴和国家级积体电路产业投资基金的扶持下,中国从事高性能 CPU 设计的单位或公司数量也不断壮大,这当中有像龙芯、飞腾、申威这样拥有深厚技术底蕴的老牌 IC 设计单位,也有像巨集芯、兆芯这样的新秀;既有展讯这样的国有控股公司,也有海思这样的非国有制企业。

有人评价这是「百家争鸣、百花齐放」,也有人评价这是「重複建设、互相倾轧」。

事实上,在眼花缭乱的设计单位和公司中,根据自主可控程度高低和市场化经营的难易,可以分为 3 种难度模式:

下面,我们就从 3 种难度模式的发展路线盘点中国 CPU 的技术路线和市场前景。

 一、Hard 模式发展路线

独立自主发展路线顾名思义在智慧财产权、发展路线选择权方面是完全由自己说了算,走自主路线有以下几个特点:

一是拥有自主发展权。

拥有自己的指令集,可以自主扩展指令集,在发展方向上可以自主选择。例如龙芯就在获得 Mips 永久授权的同时,自行扩展了 148 条 loongEXT、5 条 loongVM 指令、213 条 loongBT、1,014 条 loongSIMD,将 Mips 原本的 527 条指令,扩展为 1,907 条,发展成为龙芯自己的 loongISA,申威对 Alpha 的指令集也进行了很大程度的扩展。

二是安全可控。

自主构建技术体系,可以实现从软体和硬体上同时实现安全可控。例如,龙芯正在以「loongISA+LCC+GS464E 等自主研发的微结构 + 社区作业系统 loongnix + 软体生态 + 产业联盟」为基础,力争打造自己的体系,由于软体和硬体皆自己搭建,因而安全性较高。申威也在积极构建自己的软硬体体系,开发了自己的神威睿智编译器,研发了基于 Linux 的神威睿思作业系统,加上超算领域不像 PC 领域那样存在软体生态的掣肘,申威构建自主技术体系的道路可说是一片坦途——于 2012 年 9 月投入使用的神威蓝光超算使用了 8,704 片申威 1600,搭载神威睿思作业系统,实现了软体和硬体全部国产化。

中国 CPU 暗潮汹涌,龙芯、飞腾他们都在走什幺样的路? 龙芯 GS464E 处理器示意图。

三是利润全部在中国。

举例来说,龙芯构建了一个涵盖 2 、300 家企业,上万名技术人员的产业联盟。因为拥有自主智慧财产权,可以实现所有利润都留在龙芯构建的产业联盟内,中国外厂商除非加入龙芯的产业联盟,给龙芯当马仔,否则无法分走一分一毫利润。申威因专注超算领域,产业联盟比较封闭,目前除神威超算的液冷系统从国外採购外,其余大多实现国产化。

Hard 模式之下也有两个不利因素:

一是技术门槛高,产业化难度大。

设计单位要独立完成指令集扩展、微结构设计、编译器研发、软体生态搭建等工作,还要吸引足够多、足够强的合作伙伴加盟,建立产业联盟。

二是不利于市场化经营。

目前,PC 领域是 Wintel 体系的天下,而行动晶片是 AA 体系的天下,伺服器方面中低阶市场基本被 X86 晶片佔领,而高阶伺服器则是 IBM 的传统市场。构建自己的体系必然无法相容国外 Wintel 体系和 AA 体系,不利于市场化经营。

二、Normal 模式发展路线

Normal 模式发展路线是指设计单位购买国外指令集授权,自主设计微结构,但依附于 Wintel 或 AA 体系,相容其软体生态的发展路线。典型代表:飞腾(ARM)、君正、众志。

Normal 模式有以下两个特点:

一是购买国外指令集授权。

举例来说,飞腾购买了 ARM V8 指令集授权,君正购买了 MIPS 授权,北大众志则获得了 X86 授权(龙芯课题组成立后,AMD 主动找上门给的。至于其中的原因,你懂的)。

中国 CPU 暗潮汹涌,龙芯、飞腾他们都在走什幺样的路? 国防科大设计的相容 ARM V8 指令的「小米」。

二是自主设计微结构和 CPU,从硬体上来保障硬体安全可控。

举例来说,飞腾设计了「小米」,并有「火星」和「地球」两款产品;君正设计了 XBurst0、XBurst1 、XBurst2,并有 Z 系列、X 系列、M 系列三条产品线;北大众志自主设计了 UniCore-1、UniCore-2,以及众志-805、PKUnity-3-130 、PKUnity-3(65)、 PKUnity86-2、PKUnity86-3 等 CPU 或 SOC,其中 PKUnity86-3 具有非常高的集成度,实现将 CPU、GPU、DSP,北桥与南桥晶片组集成为单一晶片,最大程度地规避了大批量整机生产中的国外配套晶片断货和停产风险。

中国 CPU 暗潮汹涌,龙芯、飞腾他们都在走什幺样的路?

三是能相容国外 Wintel 体系、AA 体系的软体生态。

举例来说,「火星」和「地球」能流畅运行 Android 及其应用程式;君正则是因为大量应用软体都是针对 ARM 写的,导致君正无法运行这些应用软体,针对这个问题,君正正在开发的 MC 转码,能在部份程度上改善相容性的问题。另外,君正的智慧手錶 inWatch T 搭载了 TencentOS;北大众志则是能完全相容 Window98、WindowXP、Window 7 等作业系统。

中国 CPU 暗潮汹涌,龙芯、飞腾他们都在走什幺样的路? 君正用于智慧手錶 inWatch T 的 Ingenic Newton2──可穿戴装置开源开发平台。

虽然 Normal 模式下,设计单位无法自主扩展指令集,技术发展只能按照外商划定的路线图亦步亦趋,无法自主选择发展方向。而且无论是授权到期还是指令集更新,都要再次购买指令集授权,始终是受制于人,沦为高级打工仔。

但在没有自己的体系可以依託或没有资本和技术自建体系的情况下,依附于国外体系,是独立自主发展向市场化运营妥协的无奈选择。

利弊相伴、祸福相依。Normal 模式也能带来以下优势:

一是研发的技术门槛、时间成本和资金成本大幅降低。

例如飞腾和君正就不需要自己扩展指令集,不需要开发自己的编译器,更不需要构建软体生态和产业联盟,只需要设计「小米」、XBurst 和 UniCore-2 等微结构以及「火星」、M150、M200、X1000、PKUnity86-3 即可。

中国 CPU 暗潮汹涌,龙芯、飞腾他们都在走什幺样的路? 君正用于物联网的 M150。

二是有利于市场化经营。

在依附于国外体系后,可以相容其已经发展得很成熟且丰富的软体生态,不会遭遇 Hard 模式下的软体生态瓶颈。这对于飞腾、君正和众志市场化经营来说是一大利多。

 三、Simple 模式发展路线

Simple 模式有两种情况:

前者的代表是兆芯、宏芯,后者的代表是海思、展讯。

对于像兆芯、宏芯这样和国外厂商合资或者合作的企业来说,优势是显而易见的,大树底下好乘凉——兆芯可以得到 Wintel 体系的庇护,而宏芯能够得到 IBM 的技术支持。当然,代价同样巨大。从此往后,兆芯沦为 Wintel 体系的马仔,宏芯也被 IBM 绑在了 OPENPOWER 的战车上,永远的失去了像龙芯、申威那样自主发展的可能性。

而且,在引进技术中,往往有这样一个过程,先贴牌,后仿製,再修改原始设计,最后在将引进的技术融会贯通后自主创新。因此,宏芯今年发表的 CP1,其实就是 IBM 的 Power 8 的马甲,兆芯目前唯一一款桌面晶片 ZX-A 就是 VIA Nano 的马甲。

中国 CPU 暗潮汹涌,龙芯、飞腾他们都在走什幺样的路?

按照兆芯和宏芯公布的 PPT,要走完贴牌、仿製、修改、自主创新这个过程基本要到 2018 年左右的 ZX-E 和 CP3。在此之前的产品,基本上谈不上自主智慧财产权,就更谈不上安全可控。

另外,对兆芯和宏芯来说,还存在另一些风险:

对于巨集芯而言,IBM 对宏芯的技术扶持是受限制的!POWER 8 最有价值的浮点运算方面的技术是不对宏芯开放的。另外,IBM 将技术转让给宏芯的意图是扶持一个打工仔,做四核或八核处理器去和 Intel 抢市场。

对于兆芯而言,风险就更大。

台湾 VIA 的 x86 专利来自收购的 Cyrix 公司,虽然获得了部份 x86 专利的使用权,但 VIA 在技术积累方面缺乏底蕴,在遭受 Intel 专利大棒的袭击下,VIA 的 x86 晶片销声匿迹。

虽然在英特尔与美国联邦贸易委员会(FTC)达成协议后,英特尔需向威盛提供 x86 授权协议延长至 2018 年 4 月——在 2018 年 4 月前,VIA 与 Intel 将可相互使用对方的专利,但 2018 年 4 月之后,VIA 就不能再使用 Intel 的新专利(旧专利能继续使用)。

那幺,到了 2018 年后,兆芯若不用 Intel 的新专利技术,那幺很有可能在性能方面被 Intel 越拉越远,若是使用 Intel 的新专利,那幺就很有可能被 Intel 专利大棒打的半身不遂,重蹈 VIA 当年的悲剧。

另外,兆芯技术起点很低。Cyrix 公司早在 2000 年就有大批技术骨干人才流失,VIA 的 x86 晶片在 2009 年左右技术发展就基本停滞了,VIA 官网上更是万年不更新,目前最好的产品是 VIA Nano,但其性能实在是惨目忍睹,不要说和 Intel 的 haswel 比较,就是和龙芯 GS464E 相比都有很大的差距。

中国 CPU 暗潮汹涌,龙芯、飞腾他们都在走什幺样的路? 图为 1G 主频下 SPEC2000 测试分数,各款 CPU 的编译环境未说明,仅供参考。

不过 VIA 最新的 QuadCore E C4650 有一定进步,在製程和主频方面比 Nano 有一定提升,但根据官网资料,微结构依旧是以赛亚的小改版本,单执行绪能力还是相对较弱。

另外,不知道 VIA 是否将 QuadCore E C4650 转移给兆芯, QuadCore E C4650 是否就是兆芯的 ZX-C。

对于像海思、展讯这样的公司来说

依附于 AA 体系下,有利于商业营运,能赚快钱,但在购买 ARM 微结构,集成自己的 SoC 的过程中,ARM 微结构授权费和每生产一枚晶片的专利费犹如 ARM 税在吸血,榨取了 IC 设计公司的利润。

海思和展讯的日子过得蛮滋润,原因在于海思是华为子公司,麒麟晶片自产自销不愁卖,定价上不受市场影响,华为内部说了算,而且华为产品的高溢价可以为海思留出充足的利润空间。

展讯在被紫光收购后,Intel 又以 15 亿美元入股展讯获得 2 成股权,另外,国家积体电路大基金给予紫光 400 亿资金。在紫光和 Intel 的输血下,展讯自然是能够纵横捭阖。而那些不能「拼爹」,或者虽然有个爹,但爹不是李刚的 ARM 阵营厂商,比如联芯、炬力、新岸线、全志、瑞芯微等就没这幺幸运了。

另外,因为大家都是购买 ARM 的微结构,带来了产品高度同质化、缺乏核心技术、利润普遍偏低、市场竞争激烈、生存压力大、产品存在安全风险等问题。

四、选择一个发展方向,集中攻坚是否可行?

目前,如果算上被飞腾终止开发的 SPARC,在中国可谓集齐了 x86、ARM、MIPS、Alhpa、POWER、SPARC 六大阵营,而且还各搞一套软体生态和产业联盟,说是重複建设、互相倾轧也不无道理。

那幺,国家是否能够出面协调,选择 1-2 个主攻方向,实现集中力量,重点攻坚吗?

难!

除了部门利益难以调和外,彼此之间发展路线的不认同也是重要因素——在龙芯、申威看来,选择 Normal 模式、Simple 模式,永远受制于人,无法形成自己的软体生态,也无法自主选择发展方向,永远不能实现独立自主。

对于龙芯和申威来说,一个拥有中国最强微结构,另一个拥有中国最好的高性能众核 CPU,经过十多年的技术积累,龙芯和申威已经有了自己的指令集、编译器,和颇具雏形的软体生态与产业联盟,要他们放弃现有的技术积累,转投 x86、ARM 阵营显然是不可能的。

而在兆芯、海思等看来,选择 Hard 模式不仅技术门槛高,市场化经营更是难上青天。在可以依附于 Wintel 体系和 AA 体系的大树下乘凉之时,根本不可能选择 Hard 模式。

另外,Hard 模式成功了固然好,无论是资讯安全方面还是商业利益上都是无与伦比的,但风险异常巨大,失败了就是血本无归。而 Normal 模式、Simple 模式虽然在资讯安全还是商业利益方面的收益不能和 Hard 模式比,但风险较低,是在中国半导体产业总体落后西方的情况下,向现实妥协后的无奈选择。

因此,国家决策层想必也是难以抉择,于是来个「八仙过海各显神通」,把能走的路都走一遍,总有个把能成。但以中国在 IC 设计方面的人才积累和资金投入,真的有这个资本和时间去挥霍吗?

五、为什幺国家对各家 IC 设计公司扶持差异巨大

盘点各家公司获得国家资金扶持情况:

在中国的国情下,获得国家补助并不依靠各家的技术水準、技术成果、技术路线(技术水準最好,也是技术成果最丰富的龙芯、申威、飞腾,显然不如兆芯、展讯受国家重视),而是取决于各家单位的公关能力和国际巨头的在华影响力。

六、结语

五大阵营互相倾轧,一方面是重複建设、资源浪费,同时也带来了激烈的竞争。

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