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自主CPU芯片在生態和博弈之下,可以選擇哪些路線進行突破?

2023-03-13 來源:中關村在線
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關鍵詞: ARM 芯片 龍芯

3月3日,被ChatGPT熱點帶飛的浪潮信息,突然一字跌停。


壓頂重石則是美國政府將浪潮集團列入了限制清單,對貿易等業務進行管制。雖然事后有報告稱,美國限制的是浪潮集團,也就是浪潮信息的母公司,和浪潮信息無關,但還是引發了市場的擔憂。畢竟浪潮服務器的芯片,仍有不少比例需要從英特爾、英偉達等海外公司采購。

這一次“黑天鵝”也再次把服務器以及核心的CPU芯片,帶到了輿論焦點。那么,我國當前CPU研發路線如何?未來會怎樣?




國產新CPU發布:多達16路共256核心

2月中旬,國產芯片廠發布了純國產的新一代CPU,這顆處理器采用全新的自主指令系統(LoongArch),無需國外授權,真正的實現了100%純國產,這課CPU已經交付給服務器大廠,集成了16個高性能LA464處理器核,支持128/256位向量指令,雙精度浮點峰值達到560GFlops,SPEC功耗為150W@2.2GHz。



在產品形態上,具有“高性能、安全可靠、算力強”等特點,可滿足各個不同行業應用需求。


x86的授權與受限

第一條路線,是基于成熟的x86指令集。英特爾公司是x86指令集的發布者,也在1978年發布了第一代x86處理器,贏得了市場關注。

Intel最初是為IBM供貨,而IBM也按照當時美國的商界習慣,要求同一類芯片必須有第二供應商,于是,Intel也就找到了AMD、Cyrix(后來被我國臺灣企業威盛收購)等公司進行了指令架構的授權。雖然期間歷經多次官司,但x86技術還是形成了Intel、AMD、威盛“一超一強一跟隨”的局面。

而我國的x86體系,也和AMD、威盛有關。

AMD牽手的天津海光。雖然AMD有x86授權,但面對Intel激烈競爭,經營壓力很大,現金流吃緊。而國內也在尋求x86授權,于是,雙方有了合作,2016年,“天津海光”獲得AMD的x86授權,而AMD則獲得了2.9億美元的資金注入。

威盛牽手的上海兆芯。2013年,威盛集團和上海聯合合資成立上海兆芯,上海兆芯隨后也以2億多美金,收購了威盛電子的x86授權。

引進技術后的兆芯與海光,都實力大增。海光背靠上市公司中科曙光,借鑒AMD的作業,加上國產加密算法,在商用服務器起量很快。

但合作并非一帆風順。

威盛獲得的Intel x86授權是有期限的,2018年到期,后續難以升級;而AMD雖然有永久授權,但也在2019年表示,和海光的合作僅限于Zen一代,后續升級架構則不允許海光使用。

芯片不只是一個造出來的技術,而是要和伙伴共榮的生態商業。用舊的指令造出來的產品,自然沒有競爭力。幾億美金的探索,技術引進的教訓,換來了國產自主之路的小小一步。


ARM的聯姻與結束

第二條路線,基于ARM架構。ARM的指令集更精簡,功耗低,在手機等移動終端表現優異。靠著在移動終端賺夠了利潤后,ARM架構也將版圖嘗試擴大到電腦、甚至服務器領域。雖然ARM用精簡指令,單核不如復雜指令的x86優秀,但架不住可以堆核啊。

2020年蘋果首次推出了基于ARM架構的自研芯片M1,能效比、性能都被稱為“吊打x86系”。2022年,谷歌云也宣布將采用基于ARM架構的運算芯片。ARM架構,還是能打的。

我國CPU公司也很早就和ARM有合作。從2001年ARM進入中國以來,給人的印象是“中國科技公司的老朋友”:靠譜、好用、能打。更為重要的是,ARM架構授權可以在指令集層面永久買斷,一方面可控程度更高,另一方面研發程度更深。

2015年8月,一個名叫CharlesZhang(張承義)的中國人,在全球芯片界的頂會HotChips上,用中式英語介紹了飛騰服務器CPU“火星”,世界上第一款基于ARM架構研發的64核CPU,在業內帶來了不小的轟動。

飛騰相繼在入門級服務器、桌面應用、嵌入式等領域發布了產品。2019年,上市公司中國長城收購飛騰35%股權,成為大股東,加速飛騰發展。

而華為也和ARM深度合作。2019年初,華為發布了首款ARM架構服務器CPU“鯤鵬”,并與各省市建立了鯤鵬計算產業聯盟,向各地輸送行業標準和人才,并與各地代表性企業建立硬件生產基地。2020年5月,鯤鵬CPU進入中國電信采購名單。

ARM架構由于是從移動終端切入x86的戰場,也需要中國企業的支持,因此雙方配合還算不錯。但隨著美國制裁的加大,ARM也只好宣布,停止后續架構對華為的授權。

也就是說,華為只能在V8版本上進行芯片設計。雖然換了架構授權公司,但依然走回了x86時代的結局:買舊的可以,用新的不行。技術引進,只能在落后的位置折騰。


自主的曲線之路

第三條路線,是曲線自主研發,代表公司是龍芯。

2001年中科院計算所里成立了“龍芯課題組”,由胡偉武牽頭進行國產CPU研發。龍芯最初也是在海外的基礎上起步,購買了MIPS指令集,隨后進行研發。

MIPS指令集也是海外于1980年代發布的精簡指令集,在1990年代發展迅速,被稱為教科書級的指令集。但由于MIPS授權方式的問題,導致產業生態比較破碎,商業上被Intel碾壓,逐漸式微。因此,也有了和龍芯的合作。

這一點確實聽起來有點“凄慘”,無論是ARM、還是MIPS,選擇中國企業合作的一個很大原因,就是自身也困難重重。而如日中天的Intel就硬氣多了。

雖然拿到了MIPS架構授權,但要研發出芯片,并不容易。課題組日夜撲在實驗室,甚至每天一起讀毛選來提升信心;而且,還給龍芯取了另一個名字:狗剩,承載著中國農村“取個賤命好養活”的寓意。2002年8月,龍芯CPU研制成功。

2002年8月10日凌晨,中科院計算所北樓105房間掌聲雷動,安裝了“龍芯1號”CPU芯片的計算機順利啟動,“龍芯1號”成為我國首款自主研發的CPU芯片,一定程度上打破了中國只能依賴進口CPU芯片的僵局。

龍芯一方面依靠政府采購,另一方面依靠在工控領域的錯位競爭,雖然艱苦但依然可以實現生存發展。

在發展期間國外各主流CPU企業也都找過龍芯,勸他們不用這么辛苦,可以拿技術授權、或合資。面對海外二流三流產品,都比龍芯一流產品好的狀況,胡偉武也思考了很多。他事后回憶說,海外公司目的其實就四個字“交槍不殺”。

但肩負國家、院所、導師、團隊、以及自己的期待,胡偉武還是堅定走自研之路。如果一直依靠MIPS也談不上完全自主。因此,經過多年的積累,在2021年,龍芯發布了完全自主的指令集LoongArch,實現了一大步跨越。

而自主指令集的研發,也不是一蹴而就,除了經年累月的時間積累,團隊也經常會做三件事來加速研發:在研發實踐中找到規律,上升為標準和流程;在管理實踐中找到規律,上升為管理制度;在市場實踐中找到規律,上升為商業模式。找到之后,在實踐中反復運用,持續改進,螺旋上升。

在自主信創的大潮中,龍芯在電子政務領域也取得了一定成績。非常幸運的是,龍芯實現了“曲線救國”,但仍要擔憂的是,芯片的成功,需要活躍的生態,龍芯要翻過的山峰依然很多很多。



超算路線

第四條路線,是超算的自主研發路線,代表公司是申威。

申威專攻超算市場,2016年6月20日,法蘭克福世界超算大會上,搭載40960塊“申威26010”高性能處理器的“神威·太湖之光”超級計算機登頂,成為世界上首臺運算速度超過十億億次的超級計算機。目前,申威處理器具有完全知識產權的全自主指令集。整機從處理器到操作系統、BIOS固件、應用軟件,全部采用國產化產品,自主可控度高。可充分滿足日常辦公、數據通信、軌道交通、云終端等各類自主可控場景的使用需求。



外媒曾經報道,中國已經擁有三臺E級超算:“神威海洋之光”,“天河”-3和“曙光”E,但沒有發布。其中,海洋之光算力是世界冠軍日本“富岳”的3倍。國內有論文透露,海洋之光采用107,250個申威SW26010-Pro處理器,峰值理論性能為1.51 exaflops。


RISC-V的開源機遇

第五條路線,是RISC-V開源架構。

RISC技術的奠基人是2018年拿到圖靈獎的Patterson教授。據說2010年他帶著4個學生就搞出來了第一代版本。果真是人才,不在于人數而在于才華。

更犀利的是,Patterson完美地演繹了極客主義。不同于英特爾的封閉、ARM的高授權費用,Patterson把RISC技術進行了大尺度的開源,任何人都可以使用、修改,而不需要費用。

IT界傳奇人物Eric Raymond曾這樣描述開源的理念:開源就像集市一樣,人人都可以來擺個攤,大家共同將集市建設得更大。

V代表的是第五代版本。RISC-V基金會會員已有高通、NVIDIA和Google等超過3000名成員。很多人認為,RISC-V有望創造繼x86、ARM之后的第三波芯片浪潮。美國、歐洲、印度,都在加大相關研發力度。

而RISC的開源,既避免了從零起步的巨大艱辛,也保障了自主可控的需求。因此,也被當做我國芯片發展的新路線,平頭哥、中科院香山團隊等多家企業、院所都在推動國內RISC-V的建設。在RISC-V國際基金會的22個高級會員中,中國會員就高達12個。

RISC-V的靈活性,對定制化、碎片化場景的支撐力度良好;因此目前主要應用于物聯網等終端領域,但在電腦、服務器等領域也已經有了一些嘗試。從物聯網實現“農村包圍城市”,也未必不可。至少,從底層邏輯而言,這是一個可以實現“眾人拾柴火焰高”的路徑。


生態和博弈

英特爾在桌面電腦、服務器領域一家獨大,離不開和微軟操作系統的聯盟;ARM在移動處理器領域如日中天,離不開和安卓系統的綁定,以及從一開始蘋果就在大力支持。

所以,CPU的未來,也不單是靠芯片公司,更要有操作系統、終端品牌的支持,才能形成一個人越來越多的生態,也才能提高抗風險能力。

對于我國自主CPU而言,除了要解決商業問題之外,還要面對“制造”的難題。高制程工藝被卡脖子,就不得不發展先進封裝等技術。這就像ARM芯片一樣,單核比不過,多核來比拼。

世界在變局中,商業也不免被影響。如果說芯片發展,依靠商業生態,但如果不關乎發展發展,而是關乎生存的話,那依靠的是什么?全球化的浪潮,走什么路線;割裂加速的趨勢,走什么路線?

無論我國古代的《孫子兵法》還是美國馮諾依曼、納什等人,都把博弈論在人類社會中的應用進行了演繹。而從博弈的不同角度看芯片,也會得出不一樣的結論。



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