從指令集路線，預(yù)見國產(chǎn)CPU廠商的潛力和挑戰(zhàn)

指令集是計算機(jī)運(yùn)行指令的集合，是一本計算機(jī)運(yùn)行的“詞典”，也是CPU底層的核心技術(shù)之一。國外指令集技術(shù)的先發(fā)優(yōu)勢和技術(shù)沉淀，使國產(chǎn)CPU廠商很難在指令集層面上自研開發(fā)，只能通過授權(quán)引進(jìn)再開發(fā)的方式，研發(fā)自己的CPU。

于是，授權(quán)引進(jìn)哪一種指令集，就成了國產(chǎn)CPU不同的發(fā)展方向。目前，海光和兆芯采用主流的x86指令集，華為鯤鵬和飛騰基于ARM指令集開發(fā)，龍芯和申威則是走“授權(quán)+自研”指令集的路線。

底層技術(shù)的差異，決定了各廠商不同的發(fā)展方向，也形成了不同的商業(yè)版圖和創(chuàng)新路線。盤點三條不同的指令集路線，就是在預(yù)見國產(chǎn)CPU發(fā)展上潛力和挑戰(zhàn)。

01

指令集的背后

計算機(jī)硬件只能識別和處理由一串二進(jìn)制數(shù)碼組成的機(jī)器語言，而人操作計算機(jī)使用的是人類語言，這就需要經(jīng)過計算機(jī)軟件和操作系統(tǒng)的“翻譯”，形成由計算機(jī)能理解的指令，并由CPU和其他硬件處理這些指令。

指令集，就是由CPU執(zhí)行各項指令的集合。指令集相當(dāng)于計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)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。

然而，盡管計算機(jī)的結(jié)構(gòu)都是一樣的，最終都要運(yùn)行二進(jìn)制代碼，但指令集卻并非只有一種。這就如同人類世界中有多種不同語言。也正如不同人類語言會造成溝通效率上的差異一樣，不同的指令集也會影響計算機(jī)的運(yùn)行速度、功耗等性能表現(xiàn)。

而且，不同的指令集意味著最底層的“詞典”不一樣，對應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)就要使用不同的“語言”。這就像一個團(tuán)隊中所有人都說英語，那么不能聽說英語的人就無法溝通一樣。所以，圍繞不同的指令集，必須有說同一種”語言”的硬件和軟件系統(tǒng)，才能操作計算機(jī)，也就是說，不同的指令集必將衍生出不同的軟硬件配套。

語言是有壟斷性的，一種語言越流行，則說這種語言的人也就越多。指令集也是一樣，一種指令集越流行，圍繞這種指令集進(jìn)行配套開發(fā)的計算機(jī)軟硬件企業(yè)就越多，進(jìn)而使這種指令集應(yīng)用更加廣泛。目前全球CPU市場上，x86指令集占據(jù)領(lǐng)先地位，市場份額超過90%，就是因為x86指令集軟硬件生態(tài)早已建立，其他指令集已經(jīng)很難取代x86指令集的統(tǒng)治地位。

指令集不僅僅是一項獨(dú)立的技術(shù)，更是一種技術(shù)生態(tài)和商業(yè)生態(tài)。這是國產(chǎn)CPU不得不引進(jìn)指令，而無法完全獨(dú)立開發(fā)指令集的關(guān)鍵原因之一。目前，x86指令集在PC和服務(wù)器CPU上占據(jù)壟斷地位，ARM指令集在移動設(shè)備上有優(yōu)勢。這就相當(dāng)于，目前最大的兩個市場上的參與者，都不說漢語，那么不管我們有多么不情愿，都只能去學(xué)習(xí)對方的語言，才有機(jī)會進(jìn)入這個市場。

所以，目前國產(chǎn)CPU廠商這本質(zhì)上都是在學(xué)習(xí)應(yīng)用別人的語言。海光和兆芯采用主流的x86指令集，華為鯤鵬和飛騰基于ARM指令集開發(fā)，龍芯則是先引進(jìn)了MIPS，通過借鑒，自研創(chuàng)新出了LoongArch指令集，申威也一樣，在引進(jìn)Alpha指令集后，開發(fā)SW-64指令集。也因此，六家廠商將基于四條指令集，走出不同的發(fā)展之路。

02

x86指令集：形成性能和商業(yè)生態(tài)的雙輪驅(qū)動

無論在服務(wù)器市場還是PC市場，x86處理器是絕對的主流。Counterpoint Research的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2022年全球服務(wù)器市場上，x86指令集仍然是服務(wù)器CPU市場的主導(dǎo)，占到了91%左右。而根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2021年，國內(nèi)x86服務(wù)器出貨量為382.0萬臺，在國內(nèi)服務(wù)器市場中的占比高達(dá) 97.7%。

因此，x86指令集已經(jīng)完全建立起了其軟硬件生態(tài)，應(yīng)用廣泛，有較強(qiáng)的兼容性，商業(yè)回報也最為豐厚，從而能夠投入更多的研發(fā)資源，進(jìn)一步提升CPU的性能，進(jìn)而帶動商業(yè)生態(tài)繼續(xù)擴(kuò)大。

這種基于性能形成的商業(yè)生態(tài)，是CPU廠商真正的市場壁壘。目前，x86指令集的知識產(chǎn)權(quán)掌握在Intel和AMD手中，而國產(chǎn)CPU廠商中，海光通過與AMD的交叉許可授權(quán)，獲得基于x86指令集做自主開發(fā)的權(quán)力，兆芯則通過臺灣威盛也獲得x86指令集開發(fā)權(quán)。但因為威盛拿到的授權(quán)已經(jīng)于2018年到期，因此，目前國內(nèi)CPU廠商中，只有海光能夠不受相關(guān)專利限制，自由開發(fā)x86指令集CPU。

能夠基于x86指令集開發(fā)CPU產(chǎn)品，意味著海光兼容度更高，這能極大地降低了國產(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，從而打開規(guī)模龐大的市場空間。

而真正把機(jī)會變成現(xiàn)實的是海光在研發(fā)上的投入。2019年度至2021年度，海光累計研發(fā)投入為35.39億元，占營業(yè)收入比例高達(dá)到95.35%。這讓海光能夠在消化AMD的Zen架構(gòu)之后，形成自己對技術(shù)的認(rèn)知，并進(jìn)而三年推出三代產(chǎn)品。據(jù)評測對比，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，海光二號之后的迭代，主要通過對微架構(gòu)的設(shè)計創(chuàng)新和芯片架構(gòu)升級，提升單核與多核性能并重，這表明海光已經(jīng)與AMD走上不同的技術(shù)路線。

目前，海光的CPU廣泛應(yīng)用于電信、金融、互聯(lián)網(wǎng)、教育、交通等重要行業(yè)。根據(jù)海光2022年財報顯示，2022年營業(yè)收入增長121.83%，凈利潤增長145.65%。顯然，海光已經(jīng)形成了市場回報促進(jìn)技術(shù)升級，技術(shù)升級保障產(chǎn)品優(yōu)勢，產(chǎn)品優(yōu)勢又贏得市場回報的飛輪效應(yīng)，未來，只要海光能在研發(fā)上保持高投入，持續(xù)提升產(chǎn)品性能，就有機(jī)會像Intel和AMD一樣，在市場上建立起自己的生態(tài)壁壘。

03

ARM指令集：高歌猛進(jìn)與壯士扼腕

與x86指令集掌握在兩家企業(yè)手中不同，ARM指令集是一種可以開放授權(quán)給任何一家CPU廠商的指令集。這是因為ARM指令集的創(chuàng)造者，英國Advanced RISC Machines（縮寫為ARM）公司是一家CPU架構(gòu)設(shè)計公司。ARM公司將設(shè)計好的指令集和架構(gòu)授權(quán)給CPU開發(fā)企業(yè)收取授權(quán)費(fèi)用，但自身不直接參與CPU的開發(fā)和生產(chǎn)。

ARM指令集像手機(jī)的Android操作系統(tǒng)一樣開放，獲得授權(quán)的CPU廠商都可以基于ARM指令集設(shè)計自己需要的CPU。而且，ARM指令集CPU功耗低、能效比優(yōu)秀，在移動端設(shè)備和消費(fèi)電子類產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。

因此，ARM指令集就成了國產(chǎn)CPU廠商一條新的選擇，華為鯤鵬和飛騰均獲得ARM v8指令集永久授權(quán)，可以研發(fā)設(shè)計自己的CPU產(chǎn)品，并都取得了不錯成績。

目前，最有代表性的是2019發(fā)布的鯤鵬920，作為7nm數(shù)據(jù)中心ARM處理器，專為大數(shù)據(jù)處理以及分布式存儲等應(yīng)用而設(shè)計，在非x86指令集產(chǎn)品中算力有明顯優(yōu)勢。而飛騰則建立了KPS體系，用飛騰CPU（Phytium）和麒麟操作系統(tǒng)（Kylin）和S-Security”的立體防護(hù)安全鏈，安全性較有保障。

但是，ARM公司已經(jīng)宣布不再向國內(nèi)廠商提供ARM v9指令集的授權(quán)。ARM v9被視作自Armv8以來的重大變革，在AI與安全性能上均有大幅度升級，這使得鯤鵬和飛騰都將面臨技術(shù)迭代斷檔的風(fēng)險，而且，基于ARM公司的授權(quán)協(xié)議，即便鯤鵬和飛騰在ARM v8基礎(chǔ)上自行研發(fā)出了與ARM v9相同的功能，也同樣構(gòu)成侵權(quán)。鯤鵬背后的華為，飛騰背后的中國電子，有實現(xiàn)迭代開發(fā)的技術(shù)能力，卻受困于知識產(chǎn)權(quán)限制而難以發(fā)揮自身實力。

這種”斷供”違背了ARM公司走開放、中立路線的承諾，也會使其失去規(guī)模巨大的中國市場，但也截斷了鯤鵬、飛騰等國產(chǎn)廠商的迭代努力。這一令人扼腕的局面，只能再次說明核心技術(shù)只能靠自身的研發(fā)投入，才能掌握在自己手中。

04

授權(quán)+自研指令集：自主研發(fā)前路可期

與ARM指令集面臨“斷供”局面不同，龍芯和申威走的“授權(quán)+自研”指令集路線，確實將底層技術(shù)牢牢地掌握在了自己手中，但這也意味著，龍芯和申威都要補(bǔ)足生態(tài)上的短板，這可能是一條比自主研發(fā)指令集更難的道路。

龍芯在獲得MIPS指令集授權(quán)后，借鑒創(chuàng)新出LoongArch指令集，申威則是在Alpha指令集基礎(chǔ)上自研SW-64指令集。這可以簡單理解為指令集技術(shù)的“逆向工程”，先買別人的來研究仿制，再獨(dú)立開發(fā)，并一步步迭代。

這條路走的艱難，在沒有前人領(lǐng)路，只能“自學(xué)”的情況下，龍芯完成研究到獨(dú)立開發(fā)迭代。目前，在性能方面，龍芯制程工藝達(dá)到12nm節(jié)點，性能逐步達(dá)到七八年前主流水平。這表明授權(quán)+自研指令集路線的CPU，雖然還沒有追上主流CPU的性能，已經(jīng)取得了不小的進(jìn)步。

而更大的困難在于，“授權(quán)+自研”指令集路線較難形成軟件應(yīng)用齊全、硬件適配廣泛的生態(tài)。無論是LoongArch指令集還是SW-64指令集，本質(zhì)上都是只有特定領(lǐng)域的極少數(shù)人使用的“方言”。就像出門在外必須說漢語普通話，走向世界必須能說英語一樣，只會說“方言”是無法參與主流生態(tài)中的，也就無法形成真正的市場競爭力。因此，目前龍芯和申威，都只能在軍工、航天、超算等特種領(lǐng)域中應(yīng)用。

目前看，海光代表的x86指令集路線，有機(jī)會形成自己獨(dú)立的技術(shù)和生態(tài)上雙輪驅(qū)動，要更廣闊的商業(yè)前景。鯤鵬和飛騰代表的ARM路線如果能解決版本迭代問題，可望必將迎來新一輪快速增長，而龍芯代表的授權(quán)+自研路線，則在自立更生道路上試探前行。

CPU行業(yè)的規(guī)律是強(qiáng)者恒強(qiáng)，因此指令集不僅僅是技術(shù)問題，更決定了商業(yè)版圖。我們只能在別人已經(jīng)確定市場格局中，尋找自己創(chuàng)新發(fā)展的空間。這是必須面對的挑戰(zhàn)，是后來者的必經(jīng)之路，但絕不會讓國產(chǎn)CPU產(chǎn)業(yè)停下腳步。