論國(guó)產(chǎn)CPU指令集“江湖”：“門派”那么多，卻只有一家純自研

別一說起CPU，大家就只想起intel、AMD。其實(shí)國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)有N種CPU了，除了最典型的6家廠商（兆芯、海光、鯤鵬、飛騰、龍芯、申威）之外，還有阿里、中興，以及眾多的創(chuàng)業(yè)企業(yè)。

不過，雖然有N多家企業(yè)，但研發(fā)的所有國(guó)產(chǎn)CPU，其采用的都是6種指令集，今天給大家說一說，這6種指令集的情況，看看誰才能真正的自主可控。


什么是指令集？

首先要給大家普及一點(diǎn)知識(shí)，何為指令集、何為架構(gòu)，何為IP。

CPU運(yùn)行的指令是0、1這種二進(jìn)制數(shù)，而所謂的指令集則是規(guī)定指令格式的東西，是軟件和硬件之間的接口“語言“，是交互的一種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。我們用寫英文來形容的話，指令集是26個(gè)字母，芯片架構(gòu)則是由這些字母組成的單詞，而IP則是由單詞組成的文章提綱。

如果獲得了永久的指令集授權(quán)，那么自己可以根據(jù)這26個(gè)字母，隨便組成單詞，再隨便寫成文章，自由度非常高。

如果只獲得架構(gòu)授權(quán)，那么只能用固定好的單詞，來寫文章，不能自己組裝出新的單詞。

如果獲得了架構(gòu)和IP，那么就只能按照對(duì)方給的提綱，在提綱的規(guī)定范圍內(nèi)，用對(duì)方提供的單詞寫文章。

接下來我們說說國(guó)內(nèi)CPU情況，看看哪些CPU是獲得的指令集授權(quán)，哪些是架構(gòu)授權(quán)，哪里是IP授權(quán)，基本上就明白了。


國(guó)內(nèi)CPU開發(fā)常用的指令集

如上圖所示，復(fù)雜指令集下有兆芯和海光，Z芯收購(gòu)了VIA(威盛)，而威盛曾獲得X86指令集授權(quán)，屬于繼承。而AMD將X86指令集，以及Zen1架構(gòu)授權(quán)給了海光，海光可以基于X86自由研發(fā)芯片，就像拿到了26個(gè)字母一樣，隨便組單詞，寫文章。

再看簡(jiǎn)單指令集中，則有4種，分別是ARM、MIPS、alpha、RISC-V。

ARM對(duì)國(guó)內(nèi)沒有指令集授權(quán)，均是架構(gòu)授權(quán)，比如V8架構(gòu)授權(quán)給了華為鯤鵬、飛騰，鯤鵬、飛騰只能基于V8架構(gòu)開發(fā)芯片，另外這兩家也擁有一些CPU、GPU核的IP授權(quán)。

V9架構(gòu)，以及一些IP，則授權(quán)給了阿里、中興以及一些其它芯片創(chuàng)業(yè)企業(yè)，大家可以基于V9架構(gòu)研發(fā)芯片，但自由發(fā)揮空間不是特別大，畢竟只能使用規(guī)定的單詞。

龍芯早期用的是MIPS指令集，后來自己拓展了LoongISA指令集，去年龍芯干脆干了一票大的，拋棄掉MIPS，100%自研出了一個(gè)LoongArch指令集，相當(dāng)于自己創(chuàng)造了一套26個(gè)字母出來，以后組單詞，寫文章，隨便自己玩。

申威早期用alpha指令集，后面自己拓展了SW64，但還是離不開alpha指令集，不過alpha很早就沒“媽”了（無實(shí)體公司運(yùn)營(yíng)），其實(shí)也是自由的。

最后說說RISC-V指令集，這是完全免費(fèi)開源的，相當(dāng)于26個(gè)字母對(duì)外公開，大家都可以拿這26個(gè)字母去組單詞，寫文章。

可見，真要說自主可控，龍芯應(yīng)該是排第一的，另外RISC-V、申威、海光自由度都是非常高的。相對(duì)而言，自由度不那么高的，還是在ARM芯片這一塊，畢竟ARM只授權(quán)架構(gòu)，還分V8、V9版本等，會(huì)不斷的升級(jí)，芯片廠商要持續(xù)使用ARM，得不斷的購(gòu)買，隨時(shí)面臨斷供風(fēng)險(xiǎn)，且授權(quán)價(jià)格昂貴。


從MIPS到完全自主可控LoongArch

作為芯片產(chǎn)業(yè)最重要的芯片之一，CPU實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主可控對(duì)支撐國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和保證信息安全都至關(guān)重要。2021年4月15日，堅(jiān)持了20年自主研發(fā)的龍芯中科技術(shù)股份有限公司正式推出龍芯自主指令系統(tǒng)架構(gòu)LoongArch，實(shí)現(xiàn)了歷史性的突破，讓中國(guó)的芯片從必然王國(guó)走到自由王國(guó)。

龍芯中科2010年脫胎于中科院計(jì)算所，很長(zhǎng)一段時(shí)間，龍芯都是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多堅(jiān)持CPU自研，走芯片自主可控路線的少數(shù)派。

公司創(chuàng)立的前五年，龍芯主攻工控市場(chǎng)，2015年龍芯CPU出貨幾萬顆，從無到萬顆用了五年。這并沒有動(dòng)搖龍芯堅(jiān)持自主可控的決心?！笆濉逼陂g，龍芯一方面繼續(xù)深耕工控市場(chǎng)，一方面開始進(jìn)軍電子政務(wù)市場(chǎng)，出貨量不斷增加，2019年出貨幾十萬顆，從幾萬顆到幾十萬顆的出貨量用了四年。

2020年，龍芯自主CPU的出貨量又提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了百萬級(jí)。龍芯中科董事長(zhǎng)兼龍芯CPU首席科學(xué)家胡偉武告訴雷鋒網(wǎng)：“龍芯經(jīng)過過去20年完成了技術(shù)補(bǔ)課，CPU不斷迭代，我覺得2022年我們的CPU能夠穩(wěn)定在每年幾百萬片的出貨量，我們也將逐步走向開放市場(chǎng)。”

完成技術(shù)補(bǔ)課準(zhǔn)備走向開放市場(chǎng)的龍芯在2018年左右發(fā)現(xiàn)，MIPS已經(jīng)不是他們最好的選擇?！褒埿具^去基于MIPS指令系統(tǒng)研制CPU并發(fā)展軟件生態(tài)，經(jīng)過20年的努力，不管是軟件生態(tài)還是CPU核，龍芯的設(shè)計(jì)都超過MIPS公司。MIPS社區(qū)大概三分之二的維護(hù)工作都是龍芯在做，像瀏覽器、Java、媒體播放器等，MIPS公司主要是維護(hù)CPU內(nèi)核和基礎(chǔ)編譯器。另外，MIPS有些技術(shù)特征很老了，MIPS頂層的64個(gè)指令槽基本上用完了，要加指令也比較難加了，像延遲槽也成為一個(gè)設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。”胡偉武說。

這是龍芯放棄MIPS的內(nèi)因，外因是MIPS的所有權(quán)一直在變化。

“那時(shí)候我想明白了一個(gè)道理，采用授權(quán)指令系統(tǒng)可以研制產(chǎn)品，但不可能形成自主產(chǎn)業(yè)生態(tài)，就像中國(guó)人可以用英文寫文章，但不可能基于英文形成民族文化。。于是在內(nèi)因和外因的共同作用下，我們決定自主開發(fā)一套指令集架構(gòu)?！焙鷤ノ浔硎尽?/span>


國(guó)產(chǎn)CPU突破的另一條出路

中科院計(jì)算所等機(jī)構(gòu)用AI技術(shù)設(shè)計(jì)出了世界上首個(gè)無人工干預(yù)、全自動(dòng)生成的CPU芯片——啟蒙1號(hào)。相關(guān)論文已于6月27日發(fā)布。論文名稱：“Pushing the Limits of Machine Design: Automated CPU Design with AI”《突破機(jī)器設(shè)計(jì)的極限：利用人工智能進(jìn)行自動(dòng)化 CPU 設(shè)計(jì)》

該論文詳細(xì)介紹了研究人員在 5 小時(shí)內(nèi)設(shè)計(jì)出新型工業(yè)級(jí) RISC-V CPU 的工作。據(jù)稱，這一人工智能自動(dòng)化的壯舉比人類團(tuán)隊(duì)完成類似 CPU 設(shè)計(jì)的速度快約 1000 倍。這顆完全由AI設(shè)計(jì)的32位RISC-V CPU比目前GPT-4所能設(shè)計(jì)的電路規(guī)模大了4000倍，性能堪比Intel 80486SX CPU。

中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是回答機(jī)器是否可以像人類一樣設(shè)計(jì)芯片的問題。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，早期的人工智能設(shè)計(jì)相對(duì)較小或范圍有限。因此，為了測(cè)試人工智能設(shè)計(jì)的邊界，研究人員認(rèn)為他們會(huì)嘗試讓人工智能自動(dòng)設(shè)計(jì) RISC-V CPU。

此類項(xiàng)目通常從一段時(shí)間的機(jī)器學(xué)習(xí)開始。訓(xùn)練包括觀察一系列 CPU 輸入和輸出。CPU的設(shè)計(jì)僅來自于外部輸入輸出的觀察，而不是正式的程序代碼?？茖W(xué)家們從這些I/O中生成了一個(gè)二進(jìn)制推測(cè)圖(BSD)，并利用基于蒙特卡羅的擴(kuò)展和布爾函數(shù)的原理來提高基于人工智能的CPU設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率。因此，科學(xué)家們解釋說，CPU 設(shè)計(jì)是“僅根據(jù)外部輸入輸出觀察而不是正式的程序代碼”形成的。它還擁有令人印象深刻的 99.99999999999% 準(zhǔn)確率。

使用上述流程，創(chuàng)建了 CPU 的自動(dòng)化 AI 設(shè)計(jì)。流片的 RISC-V32IA 指令集的 CPU 采用 65nm 制造，運(yùn)行頻率高達(dá) 300 MHz。在 AI 生成的 CPU 上運(yùn)行 Linux（內(nèi)核 5.15）操作系統(tǒng)和 SPEC CINT 2000 驗(yàn)證了其功能。在 Drystone 基準(zhǔn)測(cè)試中，AI 生成的 CPU 的性能與 i486 相當(dāng)。有趣的是，在同一測(cè)試中，它似乎比 Acorn Archimedes A3010 快一點(diǎn)。

盡管有些人可能對(duì)人工智能生成的CPU的性能不以為然，但科學(xué)家們似乎也相當(dāng)自豪，他們生成的BSD 從零開始發(fā)現(xiàn)了馮·諾伊曼架構(gòu)”。

使用人工智能從頭開始構(gòu)建一個(gè)新的RISC-V CPU并不只是學(xué)術(shù)上的興趣，也具有從頭開始制造新 CPU 的潛在用途。根據(jù)研究人員的說法，人工智能可以被用來大大減少現(xiàn)有半導(dǎo)體行業(yè)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化周期。此外，在他們的結(jié)論中，科學(xué)家們甚至在思考這項(xiàng)研究是否可能進(jìn)一步形成一個(gè)自我進(jìn)化機(jī)器的基礎(chǔ)。