[原创] 中国需要怎样的指令集架构？

2018-04-02 14:00:07 来源: 官方微信

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这些天，中美贸易战的话题到处刷屏，国人在看到中国在各领域取得重大进步的同时也不得不面对在芯片领域高达2000多亿美元进口额的现实。

在传统机械领域，中国已经实现了引进消化吸收，许多人也期待电子信息领域能重现这一幕，但电子信息产业具有高度整体性的特点，软件和硬件高度绑定，软件依赖于芯片，芯片销售又由软件带动，构成了复杂的生态系统，不可能只在芯片领域突破，也不可能只在操作系统领域突破。而芯片事关国家信息安全，国家又有安全可控的要求。

对于半导体从业人员来说，一方面需要能跟上国际主流技术，不能闭门造车，另一方面又要保证安全，不可受制于人，芯片设计的路径选择就成了关键，其中的焦点是处理器指令集的选择。

目前市面上处理器指令集众多，可以说是百花齐放，但从产业发展的角度和国际市场的发展规律来看，众多指令集不是常态，最后会统一到1-2家指令集架构之上。我们这里不妨分析展望一下这几种指令集的现状和未来的发展前景。

首先是Intel的X86指令集。X86指令集在PC和服务器市场得到广泛应用，市场占有率基本是100%。单单是在云计算市场，中国每年要购买500万片以上的服务器芯片，花费超过40亿美金。在PC市场，中国一年出货量8000万台，进口金额更是巨大。但是，这些芯片大都是Intel生产的，中国厂商只能采购Intel芯片，自己做外围电路。因为X86指令集和PC软件和服务器软件的高度耦合，Intel可以通过自己的芯片设计得到大部分利润，不会愿意向更多厂商授权其指令集。

另外两家能拿到X86指令集授权的厂商是AMD和VIA，但是Intel对X86专利授权有重重限制，只有在AMD和VIA是公司大股东的情况下才能使用X86授权。国内海光通过与AMD的合资获得了x86的技术授权，股权结构就设计的相当复杂，不适宜向其他厂商扩散。VIA则是通过与上海市政府下属公司合资的兆芯设计X86 CPU，按照其股权结构，专利授权是有瑕疵的。

兆芯设计的芯片在国内卖或许可以，但要走出国门去参与国际竞争是不可能的。对中国大部分芯片设计公司来说，得不到X86授权没法拿到门票，无法在PC市场和服务器市场与Intel竞争。仅有的两家合资公司或许能完成进口替代，但从产业竞争和安全可控角度都面临明显的天花板。可以预料，在服务器和PC领域X86还将拥有很强的地位，但X86指令集不会成为中国芯片设计公司的主流。

然后是Arm指令集。Arm指令集从诞生至今聚焦于低功耗设计，一直在嵌入式领域耕耘。在移动互联网大发展的这几年，Arm指令集得到了苹果iOS和Google的Android的支持，成为了事实上的标准。苹果，高通，三星等国外大厂都选择了Arm指令集。国内厂商如华为海思，紫光展锐，瑞芯微，全志科技等也通过Arm IP参与到全球竞争，在手机和平板市场取得了较好的成绩。

在物联网领域，基于Arm指令集的处理器也占据了主导地位，占据了一半的MCU市场份额。这其中，国外厂商ST，NXP，Infenion等都有基于Arm指令集的产品，国内厂商如兆易创新，同方微电子，大唐微电子，华大半导体等也通过Arm核进入了相关领域，蚕食国外厂商的市场份额。因为都是基于同一套指令集，软件兼容问题不构成瓶颈。Arm的授权方式又极其灵活。芯片设计公司如果没有足够的芯片设计能力，可以拿Arm基于其指令集开发的公版核，低成本切入芯片设计市场。如果设计能力足够强，可以自己拿指令集授权，自主开发CPU 核，从Arm软件系统生态受益的同时实现处理器的安全可控。

借助Arm的商业授权模式，中国的芯片厂商早已解决了有没有的问题，并在好不好的问题上不断向上突破，复现在其他领域中国产业崛起的故事。未来很可能出现的情形是：中国进入移动芯片领域以后高中低端通吃，尤其是低端，直接做成白菜价，让发达国家的企业在低端无法生存只能往高端突破，也让后面的发展中国家进入这个行业无利可图，投资回报时间延长，工业化难度加大，中国则在这中间吃掉了产业大部分的市场份额。

Arm 以其开放生态的模式撬动了中国芯片设计千亿美元以上的市场，其杠杆作用是巨大的。现在Arm合作伙伴高通等又在切入服务器市场，英伟达在于Arm合作切入AI市场，Arm也在不断完善其物联网产业生态，推出了自己的物联网平台安全标准，这些都是国内厂商可以跟随进入的点。可以预料，以Arm指令集为基础的芯片设计产业在中国还将有长足的发展。

再就是学院派比较青睐的MIPS指令集。MIPS指令集用来做教学和研究用或许可以，但实验室意义上的成功和商业市场的成功是两个完全不同的概念。技术上，MIPS和Arm指令集都是RISC 架构，商业上，授权模式也没有什么区别，MIPS也曾一度开放授权，但MIPS指令集这些年发展的并不好。因为早先定位于高性能，错失了移动互联网的发展机遇，没有大规模出货的支撑，其生态系统相当薄弱，技术开发也慢慢陷入边缘化，在传统路由器电视机顶盒领域也不断被Arm蚕食，这也是龙芯君正等公司一直未能有所突破的原因。

就在去年，有中方背景的资本收购了MIPS的母公司Imagination，为了避开美国政府的审查还是不得不把MIPS从Imagination剥离出来。从现状看，要基于MIPS获得商业成功并在国际市场竞技，其难度远远高于基于Arm指令集。MIPS在中国也不会成为主流芯片设计厂商的选择。

国内也有好些公司出了自己的指令集和架构，但是一方面是技术还不够成熟，另一方面是更加薄弱的生态系统，需要投入大量人力物力去完成工具链，操作系统和相关软件的开发和推广，还不能得到用户认可，可谓事倍功半，其发展前景也难以预料。

最近比较火的还有RISC-V，以开源架构的名义吸引了很多注意力。开源不是一个新事物，软件开源也有很多成功案例，如Linux等，但硬件架构开源完全是另一个故事。软件开源，是因为代码容易更新和升级，可以快速迭代更新版本，其代价极低。

而如果要搞硬件开源，涉及到巨大的线下成本，纠错成本极高，完全无法实现快速版本更新和重新部署。而且从指令集到IP核实现过程中有很多的坑要趟，再到SoC，产品设计周期很长，一个错误就可能导致整个项目延期，对商业公司来说其风险也很高。

另一方面，从指令集角度，开源相当于另立一套标准，全盘建立全新的生态，这就意味着完全不能借助现有的生态优势和人力资源，这种方式没有二三十年的积累根本发展不起来。开源架构还面临碎片化的问题。

从指令集定义要芯片实现，这中间还有很长的路要走，不同公司即使基于同样的指令集，其实现也可能是大相径庭，不同的功能扩展也可能导致芯片实现的碎片化，对开发工具和软件的选择也会碎片化，造成巨大的开发和维护成本。很多人强调指令集免费，但指令集免费不等于IP核设计免费，基于指令集设计IP核的公司也是要盈利的，加上碎片化导致的开发成本增加等问题，又能省多少钱呢？我对此是有疑虑的。

或许RISC-V可以在一些对生态系统依赖性不那么强的领域获得一定的市场份额，但也因此意味着很多经验和人才无法复用，造成巨大的资源浪费，这样又回到当年TI/Motorola/ST/Toshiba等各自有一套自己的指令集的状态，似乎也不符合商业社会成本最低的发展趋势。RISC-V在中国的发展前景目前看不太清，或许几年以后我们能看得更清楚。

现在网上关于各种指令集PK的帖子很多，不由得让人想起上世纪90年代通信市场对GSM/CDMA/小灵通等各种路线的争论和选择，最终决定性的力量还是市场的选择，正如党的19大报告所说，建立以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系，让我们拭目以待，期待中国芯片设计行业再创辉煌。

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