國產CPU，指令集之殤
2020-6-27 17:54:32??????點擊：
內容精要：為什么指令集在 CPU 設計中如此重要？為什么所有國產 CPU 都需要指令集授權？指令集不就是一系列控制命令的規則合集么？既不能申請專利，又不是什么商業機密，為什么指令集還需要授權？華為公司如果被 ARM 斷供最新的 CPU 架構授權，未來的路該如何走？
無芯之痛的陰影，縈繞在中國科技和產業界幾十年了。
“缺芯少魂”，描述的就是中國沒有真正自主可控 CPU 的痛。
CPU 可以說是整個信息技術產業的核心中的核心，特別是在服務器和 PC 市場，不光是中國，全球范圍看，PC 和服務器 CPU 也是以 X86 架構為主，基本 Intel 和 AMD 兩家公司壟斷。
這里的 X86 架構，指的就是 Intel 和 AMD 公司 CPU 使用的指令集。
所謂指令集，是 CPU 中用來計算和控制計算機系統的一套指令的集合。指令集是決定 CPU 運行效率的重要因素之一。
每一種新型的 CPU 在設計時，就規定了一系列與其他硬件電路相配合的指令系統。
“與其他硬件電路相配合”，決定的是這一款 CPU 的生態系統。
因此，指令集搭建的是一個橋梁，聯通 CPU 與外圍軟硬件，對形成生態至關重要。
當然了，在所有電子設備 CPU 的指令集中，也不是 X86 獨霸天下，還有很多后起之秀，比如主打精簡指令集的 ARM 公司，在手機處理器、MCU 等領域高歌猛進；比如精簡指令集 RISC-V 更是憑借開源優勢，匯集了大部分創業公司的力量；除此之外，還有 MIPS 技術公司主推的 MIPS 架構的精簡指令集（國產 CPU 龍芯，用的就是 MIPS 指令集架構授權）。
所以，目前 CPU 指令集，形成了勢均力敵的兩大陣營，以 X86 為代表的復雜指令集（CISC，Complex Instruction Set Computing）和以 ARM、RISC-V、MIPS 為代表的精簡指令集（RISC，Reduced Instruction Set Computing RISC）。
關于復雜指令集和精簡指令集的區別，本文不再贅述，感興趣的讀者可以參考公眾號”科創之道“往期文章《RISC-V 能否重構芯片產業格局》。
在這幾年信創大潮的推動下，疊加中美貿易摩擦，都大大提升了中國高科技自主創新意識。國產 CPU 也在這樣的大環境中蓄勢待發。
目前我國國產處理器芯片的主要參與者有：龍芯、兆芯、飛騰 、海光、申威和華為等。
圖片來源：華泰證券
當然，除此之外，科創板千億市值的上市公司，瀾起科技，也在積極進軍服務器 CPU 領域。早在 2017 年，瀾起科技就偕同清華大學及英特爾公司，聯手發布面向數據中心應用的安全可控津逮 CPU。
從上圖中姍姍學步的國產 CPU 來看，要么是指令集授權，要么是 IP 授權，要么干脆是中外合資技術引進，套上個自主知識產權的外殼……
毫無例外的，指令集都是來自國外的授權，要么是 X86，要么是 ARM，要么是 MIPS……
為什么指令集如此重要？按照常規的理解，指令集不就是一系列控制命令的規則合集么？既不能申請專利，又不是什么商業機密，為什么指令集還需要授權？
要說搞一套國產指令集，那還不是分分鐘的事情？搞自主知識產權標準的事情，我們可是十二分的拿手。
第一個問題，為什么指令集如此重要？
關于這個問題，還是要回到前文所提到的“生態”。
任何一款 CPU 都是不孤立的存在，正是基于其處于整個 IT 系統核心位置，在生態形成的問題上至關重要。
而指令集，就是形成這個生態的橋梁。生態對于一款 CPU 的成敗起到了至關重要的作用，產業不支持，性能再高的 CPU 都沒有用武之地。
這也是為什么華為的鯤鵬，將產品和生態放在同等地位的原因。
鯤鵬生態，圖片來源：東吳證券
當然了，筆者之前也提到過，生態也不是銅墻鐵壁一個，并非完全不能實現突破。在常規模式之下，靠著產業潛移默化來形成生態，確實是一個長期的過程，而且不確定性很大。
但是，在新型舉國體制之下，形成生態相對就會容易很多。用的人多了，產品升級迭代加速，能夠更好地提升產品成熟度。這也是一個彎道超車的無奈之舉。
第二個問題，既然指令集沒有專利，沒有知識產權，為什么還需要授權？
的確，指令集作為一套 CPU 控制指令的集合，本身是沒有辦法形成專利的。但是指令集授權卻是實實在在存在的。
這事兒從知識產權角度不好解釋，可能從“標準”角度更容易理解。
這些主流的指令集，已經形成了事實上的“行業標準”。
除了主流的指令集，還有各種千奇百怪的指令集，其實都充當了分母的角色，在行業內主流標準面前日漸式微。
成了事實上的“行業標準”，就意味著形成了生態，你要用這套指令集規則，也不是不可以，但要回避兩方面：
一是，你不能宣稱兼容“X86”，“ARM”等，用來吸引產業界，來形成自己的生態，因為“X86”，“ARM”這些都是獨有的商標。
二是，指令集雖然沒有辦法形成專利，但是實現這些指令的 IC 設計架構和方法，最有效率的設計和架構，早就被申請專利了，你要用這套指令集，具體實現上的大部分專利還是繞不開的。
所有也就存在了一個問題，如果是指令集架構授權，背后的專利是不是也存在授權情況？
這事兒不敢說太細。
第三個問題，基于老版本的主流指令集，能否更容易形成自己的生態？
關于這個問題，就更具有現實意義了，華為目前拿到了 ARM 公司 ARM V8 芯片架構的永久授權。但從目前的這個形勢看，不但有美國壓力，還有 ARM 公司內部動蕩，ARM 更新版的設計，估計授權給華為公司更加難上加難了。
所以，華為未來更要自力更生了。
有了老的架構授權，就有了基礎，但未來，華為還是需要更加注重生態。
任重道遠。
無芯之痛的陰影，縈繞在中國科技和產業界幾十年了。
“缺芯少魂”，描述的就是中國沒有真正自主可控 CPU 的痛。
CPU 可以說是整個信息技術產業的核心中的核心，特別是在服務器和 PC 市場，不光是中國，全球范圍看，PC 和服務器 CPU 也是以 X86 架構為主，基本 Intel 和 AMD 兩家公司壟斷。
這里的 X86 架構，指的就是 Intel 和 AMD 公司 CPU 使用的指令集。
所謂指令集，是 CPU 中用來計算和控制計算機系統的一套指令的集合。指令集是決定 CPU 運行效率的重要因素之一。
每一種新型的 CPU 在設計時，就規定了一系列與其他硬件電路相配合的指令系統。
“與其他硬件電路相配合”，決定的是這一款 CPU 的生態系統。
因此，指令集搭建的是一個橋梁，聯通 CPU 與外圍軟硬件，對形成生態至關重要。
當然了，在所有電子設備 CPU 的指令集中，也不是 X86 獨霸天下，還有很多后起之秀，比如主打精簡指令集的 ARM 公司，在手機處理器、MCU 等領域高歌猛進；比如精簡指令集 RISC-V 更是憑借開源優勢，匯集了大部分創業公司的力量；除此之外，還有 MIPS 技術公司主推的 MIPS 架構的精簡指令集（國產 CPU 龍芯，用的就是 MIPS 指令集架構授權）。
所以，目前 CPU 指令集，形成了勢均力敵的兩大陣營，以 X86 為代表的復雜指令集（CISC，Complex Instruction Set Computing）和以 ARM、RISC-V、MIPS 為代表的精簡指令集（RISC，Reduced Instruction Set Computing RISC）。
關于復雜指令集和精簡指令集的區別，本文不再贅述，感興趣的讀者可以參考公眾號”科創之道“往期文章《RISC-V 能否重構芯片產業格局》。
在這幾年信創大潮的推動下，疊加中美貿易摩擦，都大大提升了中國高科技自主創新意識。國產 CPU 也在這樣的大環境中蓄勢待發。
目前我國國產處理器芯片的主要參與者有：龍芯、兆芯、飛騰 、海光、申威和華為等。
圖片來源：華泰證券
當然，除此之外，科創板千億市值的上市公司，瀾起科技，也在積極進軍服務器 CPU 領域。早在 2017 年，瀾起科技就偕同清華大學及英特爾公司，聯手發布面向數據中心應用的安全可控津逮 CPU。
從上圖中姍姍學步的國產 CPU 來看，要么是指令集授權，要么是 IP 授權，要么干脆是中外合資技術引進，套上個自主知識產權的外殼……
毫無例外的，指令集都是來自國外的授權，要么是 X86，要么是 ARM，要么是 MIPS……
為什么指令集如此重要？按照常規的理解，指令集不就是一系列控制命令的規則合集么？既不能申請專利，又不是什么商業機密，為什么指令集還需要授權？
要說搞一套國產指令集，那還不是分分鐘的事情？搞自主知識產權標準的事情，我們可是十二分的拿手。
第一個問題，為什么指令集如此重要？
關于這個問題，還是要回到前文所提到的“生態”。
任何一款 CPU 都是不孤立的存在，正是基于其處于整個 IT 系統核心位置，在生態形成的問題上至關重要。
而指令集，就是形成這個生態的橋梁。生態對于一款 CPU 的成敗起到了至關重要的作用，產業不支持，性能再高的 CPU 都沒有用武之地。
這也是為什么華為的鯤鵬，將產品和生態放在同等地位的原因。
鯤鵬生態，圖片來源：東吳證券
當然了，筆者之前也提到過，生態也不是銅墻鐵壁一個，并非完全不能實現突破。在常規模式之下，靠著產業潛移默化來形成生態，確實是一個長期的過程，而且不確定性很大。
但是，在新型舉國體制之下，形成生態相對就會容易很多。用的人多了，產品升級迭代加速，能夠更好地提升產品成熟度。這也是一個彎道超車的無奈之舉。
第二個問題，既然指令集沒有專利，沒有知識產權，為什么還需要授權？
的確，指令集作為一套 CPU 控制指令的集合，本身是沒有辦法形成專利的。但是指令集授權卻是實實在在存在的。
這事兒從知識產權角度不好解釋，可能從“標準”角度更容易理解。
這些主流的指令集，已經形成了事實上的“行業標準”。
除了主流的指令集，還有各種千奇百怪的指令集，其實都充當了分母的角色，在行業內主流標準面前日漸式微。
成了事實上的“行業標準”，就意味著形成了生態，你要用這套指令集規則，也不是不可以，但要回避兩方面：
一是，你不能宣稱兼容“X86”，“ARM”等，用來吸引產業界，來形成自己的生態，因為“X86”，“ARM”這些都是獨有的商標。
二是，指令集雖然沒有辦法形成專利，但是實現這些指令的 IC 設計架構和方法，最有效率的設計和架構，早就被申請專利了，你要用這套指令集，具體實現上的大部分專利還是繞不開的。
所有也就存在了一個問題，如果是指令集架構授權，背后的專利是不是也存在授權情況？
這事兒不敢說太細。
第三個問題，基于老版本的主流指令集，能否更容易形成自己的生態？
關于這個問題，就更具有現實意義了，華為目前拿到了 ARM 公司 ARM V8 芯片架構的永久授權。但從目前的這個形勢看，不但有美國壓力，還有 ARM 公司內部動蕩，ARM 更新版的設計，估計授權給華為公司更加難上加難了。
所以，華為未來更要自力更生了。
有了老的架構授權，就有了基礎，但未來，華為還是需要更加注重生態。
任重道遠。
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