IBM開源Power指令集：國產(chǎn)高性能CPU迎來新機遇？

當(dāng)?shù)貢r間8月20日周二，IBM在美國圣地亞哥的OpenPower峰會上，正式宣布開源旗下高性能CPU——Power處理器的指令集架構(gòu)（ISA）作為開放標(biāo)準(zhǔn)。

此外，作為該計劃的一部分，OpenPower基金會將成為Linux基金會的一個部門。

Power指令集架構(gòu)正式開源

隨著IBM向OpenPower基金會提供了Power ISA許可，開發(fā)者可借此確保在Power上運行的軟硬件的協(xié)同定義，鼓勵他們構(gòu)建新的硬件、借助領(lǐng)先的企業(yè)功能來處理數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載、為AI和混合云創(chuàng)建新的軟件應(yīng)用程序、并獲得獨特的硬件優(yōu)勢。

除了開放源代碼的Power ISA之外，IBM還將提供多種其它技術(shù)，包括Power ISA的軟核實現(xiàn)（softcore implementation）、與架構(gòu)無關(guān)的開放式相干加速處理器接口（OpenCAPI）、以開放式內(nèi)存接口（OMI）的參考設(shè)計。

據(jù)介紹，IBM為開源社區(qū)貢獻(xiàn)了一個新開發(fā)的軟核。在很短的時間內(nèi)，一位IBM工程師能夠在Power ISA上開發(fā)出一個軟核，并將其安裝在Xilinx FPGA上運行。這一軟核實現(xiàn)將在本周的北美OpenPower峰會上得到展示。

此外，OpenCAPI和OMI技術(shù)也有助于最大化處理器和連接設(shè)備之間的內(nèi)存帶寬，對于克服AI等新興工作負(fù)載的性能瓶頸至關(guān)重要。

IBM OpenPower總經(jīng)理Ken King表示：“隨著今日的發(fā)布，IBM正在向著通過開放技術(shù)和開源來推動整個行業(yè)的創(chuàng)新而邁出了重要的一步?！?/p>

值得一提的是，在2018年，IBM還耗資340多億美元收購了Red Hat紅帽公司，這是一家專注開源領(lǐng)域長達(dá)25年之久的軟件公司。Red Hat是開源生態(tài)系統(tǒng)的主要玩家，以Linux發(fā)行版而聞名。

而為了推動新療法的研究進展，幫助人類更快地攻克癌癥。IBM在不久前還開源了3個治療癌癥的人工智能項目。

此次Power ISA的開源可以說是IBM對于開源社區(qū)的又一重大貢獻(xiàn)。需要指出的是，目前OpenPower芯片的底層物理架構(gòu)還沒有開源。

OpenPower進入全新階段

2013年8月，IBM聯(lián)合Google、NVIDIA、Mellanox等公司成立OpenPower聯(lián)盟，致力于將IBM的Power系列CPU架構(gòu)對外開放授權(quán)，以抗衡日益強大的Intel X86以及ARM等CPU體系的威脅。

IBM當(dāng)時宣布開放了Power架構(gòu)周圍技術(shù)，如處理器規(guī)格、固件、軟件和技術(shù)自由許可，將和合作伙伴一起使用共享、協(xié)作開發(fā)模式。

在此基礎(chǔ)上，IBM還牽頭成立了OpenPower基金會，旨在促進高端Power架構(gòu)的Power8及更高版本產(chǎn)品發(fā)展，促進和鼓勵基于IBM Power架構(gòu)的協(xié)作創(chuàng)新。支持成員定制Power處理器、系統(tǒng)平臺、固件和中間件軟件，進行優(yōu)化，滿足其業(yè)務(wù)和組織需求。

在那時，OpenPower聯(lián)盟成員需要支付相對高昂的許可費才能獲得Power的授權(quán)，而現(xiàn)在，隨著Power ISA的開源，開發(fā)者無需支付版稅以及專利費就能夠獲得Power ISA，并且有可能在此基礎(chǔ)上研發(fā)出擁有專利權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品。

OpenPower基金會歡迎指令集的開放，認(rèn)為此舉對開源社區(qū)來說就是福音。OpenPower基金會執(zhí)行董事Hugh Blemings在公告中說：“通過讓Power ISA采用開放模式......并將它提供給日益壯大的開放技術(shù)群體，我們能夠幫助開放軟硬件領(lǐng)域的創(chuàng)新能夠加速發(fā)展?！?/p>

作為這項工作的一個延伸，IBM將使OpenPower基金會并入Linux基金會，成為其一個部門，歸其管理。OpenPower基金會現(xiàn)在讓OpenBMC、CHIPS Alliance、OpenHPC及其他多個項目和組織加入Linux基金會。將該基金會移交給業(yè)界最負(fù)盛名的開源軟件組織有望提供另一股推動力，從長遠(yuǎn)來看促使OpenPower得到采用。

值得注意的是，去年11月底，Linux基金會和RISC-V基金會宣布將共同合作加速推廣RISC-V ISA的開發(fā)及采用，Linux基金會還將為RISC-V生態(tài)系統(tǒng)提供大量資源，包括培訓(xùn)計劃、基礎(chǔ)工具以及社區(qū)擴展、營銷和法律專業(yè)知識。這種合作關(guān)系將使RISC-V能夠進一步發(fā)展其開源生態(tài)系統(tǒng)。

而現(xiàn)在，擁有Power ISA的OpenPower基金會已成為Linux基金會的一個部門，接下來Linux基金會必然也將會大力推廣Power ISA。那么Linux基金會將如何處理這兩個架構(gòu)之間的競爭關(guān)系呢？這是一個需要思考的問題。

Power ISA開源帶來的機遇與挑戰(zhàn)

有業(yè)內(nèi)人士表示，IBM開源Power ISA主要是為了應(yīng)對另外兩大開源處理器架構(gòu)——MIPS和RISC-V的挑戰(zhàn)。特別是RISC-V架構(gòu)，自去年以來備受國內(nèi)廠商追捧，并且目前已有非常多的廠商推出了基于RISC-V架構(gòu)的芯片。

不過，相對于在功耗、能效上更具優(yōu)勢的RISC-V架構(gòu)來說，IBM的Power架構(gòu)則在性能上有著較大的優(yōu)勢。

資料顯示，早在1980年，IBM就推出了基于Power架構(gòu)的原型機。Power架構(gòu)采用的也是精簡指令集（RISC）。相比X86架構(gòu)，Power架構(gòu)在硬件上的最大特點是采用對稱多處理器技術(shù)（Symmetric Multiprocessing，SMP），可以保障內(nèi)存訪問任何一個CPU時速度都是一樣的。

但是Intel的X86架構(gòu)做不到，它對于一個CPU訪問自己部分的內(nèi)存速度很快，但是在訪問其他CPU的內(nèi)存時速度明顯變慢。這樣的性能差距在高端應(yīng)用中，特別是核數(shù)越多的處理器性能差距就越大，因此IBM的Power架構(gòu)主要應(yīng)用于高端服務(wù)器市場而且應(yīng)用前景非常廣泛，在國內(nèi)銀行等關(guān)鍵行業(yè)都有重要應(yīng)用。

資料顯示，目前IBM最新的Power架構(gòu)處理器是Power 9，基于14nm FinFET SOI工藝，單個核心可以支持4線程或者8線程，分別能最多配置24、12個核心，邏輯線程總數(shù)最多都是96個。并且，Power 9還采用了一流I/O子系統(tǒng)技術(shù)，包括下一代NVIDIA NVLink、PCIe Gen4和OpenCAPI的處理器。

這些頂尖技術(shù)為Power 9帶來了非凡的性能表現(xiàn)，最高可提供相當(dāng)于X86服務(wù)器9.5倍的I/O帶寬，其性能內(nèi)核約為X86的兩倍，支持的RAM相當(dāng)于X86的2.6倍，內(nèi)存帶寬相當(dāng)于X86的1.8倍。

目前美國能源部的超級計算機Summit和Sierra系統(tǒng)里面運行的就是Power 9芯片。而根據(jù)今年6月17日在德國法蘭克福舉行的國際超級計算大會發(fā)布的最新全球超級計算機TOP 500名單顯示，雖然美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的“頂點”和美國能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室開發(fā)的“山脊”分別奪得了第一和第二。足見IBM的Power處理器的性能強大。

在目前國產(chǎn)X86架構(gòu)的高性能CPU的發(fā)展遭遇較大的背景之下，可以預(yù)見的是，Power ISA的開源或?qū)⒂兄谕苿訃a(chǎn)高性能CPU的發(fā)展。

2013年4月，由上海市國資委下屬上海聯(lián)和投資有限公司和臺灣威盛集團所屬公司合資成立了上海兆芯集成電路有限公司，中方國資占據(jù)控股地位（持股約80%）。上海兆芯因此也順利從威盛那里獲得了X86架構(gòu)的授權(quán)。

不過，隨著威盛與Intel的X86授權(quán)協(xié)議于2018年4月到期，威盛已經(jīng)無法在使用Intel新的X86專利及相關(guān)軟件，這也意味著兆芯未來的X86產(chǎn)品升級或?qū)⒂鲎?，雖然其可能仍然可以使用舊的X86專利。

2016年，AMD與中國天津海光先進技術(shù)投資有限公司（THATIC）成立合資公司，可以利用AMD的X86技術(shù)和 SoC IP 用于芯片開發(fā)。

不過在今年6月，AMD CEO 蘇姿豐（ LisaSu）證實，AMD與天津海光的合作僅限于AMD的第一代Ryzen和EPYC的Zen架構(gòu)，AMD新推出的Zen 2微架構(gòu)設(shè)計則無權(quán)使用。這也意味著海光后續(xù)也將無法獲得新的X86專利授權(quán)以及AMD的SoC IP授權(quán)。

另外，不久前美國商務(wù)部還將中科曙光及其下屬的海光列入了出口管制的“實體名單”。這也使得為國產(chǎn)高性能X86 CPU的發(fā)展蒙上了一層陰影。

而此次IBM Power指令集的開源，或?qū)⒊蔀橥苿訃a(chǎn)高性能CPU的發(fā)展一條新的可選之路。雖然IBM是美國企業(yè)，但是開源的Power指令集將基本不會受到美國“禁令”的影響，這與同樣源自美國的開源的RSIC-V指令集一樣。

不過需要指出的是，雖然基于Power指令集的處理器具有效率高、性能強勁等特點，但對于國內(nèi)廠商來說，真要引進消化并不容易。畢竟Power CPU相比常規(guī)處理器要復(fù)雜太多，而且IBM并未開源Power芯片的底層物理架構(gòu)，所有單純的通過Power指令集來開放自己的CPU還是有著很高的難度。另外在生態(tài)上，Power也遠(yuǎn)不如Arm和X86完善。

成立于2013年的蘇州中晟宏芯信息科技有限公司（下稱“中晟宏芯”），其員工主要來自中科院計算所和IBM，2014年中晟宏芯在工信部電子司和蘇州政府的扶持下，加入IBM發(fā)起的OpenPower基金會，獲得IBM Power CPU的授權(quán)，并且得到了IBM、中科院計算所提供的技術(shù)支持。

在2015年6月發(fā)布了第一款I(lǐng)BM授權(quán)Power架構(gòu)的服務(wù)器芯片產(chǎn)品CP1。然而，這款芯片似乎并未得到應(yīng)用，而這家企業(yè)在2015年年底就傳出了“欠薪事件”。

2016年6月，中晟宏芯宣布已拿到IBM服務(wù)器處理器芯片Power 8芯片架構(gòu)和指令系統(tǒng)的永久授權(quán)，并可以基于該芯片進行自主創(chuàng)新。

甚至IBM已同意中晟宏芯可以刪除Power 8的安全模塊，代之以國產(chǎn)的安全模塊系統(tǒng)，以符合中國政府在安全方面的監(jiān)管要求。

按照計劃，中晟宏芯可以在2019年完全實現(xiàn)Power芯片的消化吸收再創(chuàng)新，并制成完全國產(chǎn)化的Power系列CPU。

然而到目前為止，中晟宏芯的自研Power系列CPU仍不見蹤跡。隨著現(xiàn)在Power指令集的開源，中晟宏芯之前所獲得的競爭優(yōu)勢，到現(xiàn)在來看已經(jīng)是耗盡了大半。

對于其他國產(chǎn)芯片廠商來說，Power指令集的開源，或?qū)⑹且粋€新的機遇，但是挑戰(zhàn)也是巨大的。