常見(jiàn)國產(chǎn)處理器指令集體系及來(lái)源

國產(chǎn)處理器“取代”Intel、AMD等國際公司的處理器一直是國家的戰略和夢(mèng)想，如今在太湖之光計算機上算是真正圓夢(mèng)了，不過(guò)當初的新聞報道中筆者也看到了評論中很多人對國產(chǎn)處理器的批評，這個(gè)問(wèn)題也是影響國產(chǎn)處理器發(fā)展的一個(gè)重要因素，因為生態(tài)體系的缺乏，中國發(fā)展自己的處理器也只能是“摸著(zhù)石頭過(guò)河”，這個(gè)石頭就是國外已經(jīng)發(fā)展的處理器指令集，但這種路線(xiàn)又很容易被不明真相的圍觀(guān)者嘲諷——都用了別人的指令集了，怎么還敢叫自主產(chǎn)權？

多年前龍芯處理器的架構師胡偉武博士也解釋過(guò)：“我們CPU也是可以做世界第一的，而且有，關(guān)鍵就是沒(méi)法用，用戶(hù)不用你。”軟件生態(tài)的現實(shí)決定了國產(chǎn)處理器不可能從0開(kāi)始研發(fā)，在這方面日本80-90年代通過(guò)TRON計劃研制通用OS、CPU但最終失敗的例子可以說(shuō)是前車(chē)之鑒，反而C919大飛機這種國際化分工合作的模式容易獲得成功。

今天我們就來(lái)簡(jiǎn)單了解下國內處理器的指令集體系及技術(shù)來(lái)源。根據公開(kāi)來(lái)源，筆者能找到的有代表性的國產(chǎn)處理器方案主要有龍芯、申威、兆芯、飛騰、宏芯以及智能手機/平板領(lǐng)域發(fā)展最好的海思、展訊、全志等，他們所用的架構涉及X86、ARM、MIPS、Power及SPARC、Alpha等，如下圖所示：

龍芯：血統純正的中國芯，商業(yè)化不盡如人意

龍芯并非最早的國產(chǎn)處理器，也不是最成功的國產(chǎn)處理器，但提到國產(chǎn)處理器，大家第一個(gè)想到的恐怕就是龍芯了，它是曝光率最高的國產(chǎn)處理器，而且考慮到它是中科院計算機所研發(fā)的，其血統的純正性更容易成為國產(chǎn)處理器的代表。

龍芯課題組于2001年成立，不過(guò)龍芯處理器的正式誕生之日是2002年8月10日，在計算所長(cháng)李國杰院士的領(lǐng)導下，龍芯之父胡偉武博士及其團隊拿出了龍芯1號處理器，當年他還寫(xiě)過(guò)《我們的龍芯1號》一文介紹龍芯的研發(fā)歷程，小編當年也看過(guò)這篇文章，記憶猶新的是龍芯的中文代號是“狗剩”，源于中國人“賴(lài)名好養活”的習俗，不過(guò)也可以看出團隊對龍芯處理器的未來(lái)雖然有期待，但當時(shí)應該是挺擔心這個(gè)項目的未來(lái)發(fā)展的，只是龍芯的英文名就非常高大上了——Godson，上帝之子！

龍芯一出世就頂著(zhù)自主研發(fā)的美名，但是沒(méi)多久就被爆出龍芯的指令集實(shí)際上是源于MIPS，也就是說(shuō)是買(mǎi)來(lái)的，這讓龍芯瞬間被千夫所指，研發(fā)團隊也背負了罵名和壓力，胡偉武博士也解釋過(guò)為何選擇MIPS指令集，前面說(shuō)的“用戶(hù)不用你”就是根本原因，自建一套軟件生態(tài)系統對中科院這樣的學(xué)術(shù)單位來(lái)說(shuō)是不可能的任務(wù)。

對龍芯的第二個(gè)質(zhì)疑在于他們選擇了MIPS指令集而非現在大紅大紫的ARM指令集，不過(guò)時(shí)間回溯到2000年代（龍芯立項研發(fā)的時(shí)代可能更早一些），當時(shí)的ARM可沒(méi)有如今這般強勢，而MIPS在大學(xué)、科研單位有良好的基礎，龍芯團隊選擇MIPS也是情有可原。

不管怎樣，龍芯這個(gè)項目算是活下來(lái)了，從最初的龍芯1到目前的龍芯3已經(jīng)發(fā)展了三代了，每一代其實(shí)又衍生出了多個(gè)版本，從單核、雙核到四核、八核，從180nm工藝到28nm工藝，從雙發(fā)射到四發(fā)射，龍芯處理器的架構、規格、頻率、性能都在不斷進(jìn)步，龍芯3B2000甚至號稱(chēng)性能達到了Intel Ivy Bridge處理器的水平，其指令集其實(shí)已經(jīng)遠遠超出了MIPS范疇，加入了很多龍芯團隊自己開(kāi)發(fā)的指令，比之前的產(chǎn)品增加了500多條自定義龍芯擴展指令，可用于實(shí)現對其他主流指令系統的二進(jìn)制翻譯兼容，另外存儲訪(fǎng)問(wèn)和I/O效率也有大幅的提高，還有一點(diǎn)就是軟硬件將保持向前兼容。

但是龍芯也不是沒(méi)有槽點(diǎn)，大多數龍芯處理器其實(shí)活在了中科院給外界展示成果的展臺上，盡管多年來(lái)大家對龍芯抱以期待，中科院甚至讓旗下的江蘇夢(mèng)蘭集團參與成立中科龍夢(mèng)公司加速商業(yè)化，也推出了靈瓏/福瓏/逸瓏臺式機、筆記本等產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品大都曇花一現，性能無(wú)法達到主流水平，很快就被人給忘記了。

申威/飛騰：最成功的國產(chǎn)處理器，軍方的秘密武器

申威和飛騰盡管選擇的處理器路線(xiàn)不同，不過(guò)這兩家要放在一起說(shuō)了，因為這兩家背后有軍方背景，申威處理器是無(wú)錫江南計算技術(shù)研究所研發(fā)的，后者也是總參謀部第五十六研究所，它有個(gè)名字是上海高性能集成電路設計中心，而天津飛騰是國防科大旗下的。此外，早前我們還報道過(guò)一家名為PhyTIum公司在去年的Hotchips 2015會(huì )議上推出了代號為Mars（火星）的多核處理器，這家公司是廣州飛騰，據說(shuō)也是國防科大下屬的，但跟研發(fā)飛騰FT處理器的天津飛騰又不是一家單位。

回到正題，江南所在計算機技術(shù)研究上也是老資歷了，不過(guò)在處理器指令集上他們的選擇看起來(lái)有點(diǎn)非主流——DEC公司的Alpha 21264指令集，在技術(shù)上Alpha有獨特之處，DEC當年在處理器市場(chǎng)也曾叱咤風(fēng)云，AMD的K7架構就有部分技術(shù)源于A(yíng)lpha架構，AMD上上上任CEO德克·梅爾（Dirk Meyer）就來(lái)自DEC公司，去年辭職走人的Zen架構之父Jim Keller也曾在DEC公司研發(fā)Alpha架構。

如今DEC公司早就煙消云散，公司幾經(jīng)轉賣(mài)，微軟在Win2000之后也放棄了對Alpha架構的支持，Alpha架構也早就不再更新了，專(zhuān)利也過(guò)期了，這可能是江南所選擇Alpha架構的原因之一。2011年濟南的超算中心部署了神威藍光，它所用的處理器就是神威SW1600，16核心，現在的資料都認為它是基于專(zhuān)利已經(jīng)過(guò)期的DEC ALPHA 21164A EV-56架構。

申威SW26010處理器是260核心

這次的太湖之光的神威SW26010處理器也是江南所研發(fā)的，雖然大家猜測它還是Alpha指令集，但跟龍芯后續架構類(lèi)似，申威SW26010的架構、指令集已經(jīng)遠遠超出了之前的范疇，加入了很多新指令。這次的SW26010就是260核心眾核架構，亂序執行架構，頻率1.45GHz，整個(gè)處理器包括4個(gè)MPE（Management Processing Element）管理單元、4個(gè)CPE（CompuTIng Processing Element）計算單元及4個(gè)MC內存控制器單元組成，其中CPE單元又由8x8陣列的64核心組成，所以總計是260個(gè)核心（4x64+4=260）。

與其他國產(chǎn)處理器相比，申威系在性能上完全走在了前列，在世界范圍內都是靠前的，SW26010的理論浮點(diǎn)性能高達3TFLOPS，其性能完全可與Inel最新的Xeon Phi加速卡一拼。不過(guò)申威處理器的不足之處在于內存系統，太湖之光性能達到天河2號三倍的同時(shí)總內存反而從1.4PB降低到了1.31PB，每個(gè)節點(diǎn)使用了四路128bit DDR3-2133內存，帶寬為136GB/s，這一點(diǎn)上不如Intel的Xeon Phi加速卡，后者自身集成了16GB eDRAM緩存，帶寬超過(guò)500GB/s，而且早就支持DDR4內存了。

再來(lái)說(shuō)下飛騰，天津飛騰研發(fā)的FT系列處理器也在HPC領(lǐng)域有過(guò)應用，不過(guò)飛騰FT處理器用的架構更雜亂，從公開(kāi)資料來(lái)看第一代FT處理器兼容于Intel安騰2指令集，第二代FT-64處理器在銀河計算機中有過(guò)使用，第三代產(chǎn)品FT-1000則是基于開(kāi)源的UltraSPARC架構，8核64線(xiàn)程，在天河1號計算機的節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )上有使用。

之后的FT-1500還是基于SPARC架構，制程工藝從65nm升級到了40nm，16核心128線(xiàn)程，在天河2號超算中使用了4096顆FT-1500處理器作為節點(diǎn)前端處理器。

最新的FT-1500A雖然名字跟上面的類(lèi)似，但實(shí)際上沒(méi)什么關(guān)系了，因為它的架構變成了ARM 64位，使用的是28nm工藝。據天津飛騰總經(jīng)理谷虹介紹，FT-1500A系列處理器是64位通用CPU，兼容ARM V8指令集，采用國際先進(jìn)的28nm工藝流片，具有高性能、低功耗等特點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)國內領(lǐng)先，可實(shí)現對Intel中高端“至強”服務(wù)器芯片的替代，并廣泛應用于政府辦公和金融、稅務(wù)等各行業(yè)信息化系統之中。

不論是申威還是飛騰，這兩家軍方背景的國產(chǎn)處理器單位因為目標明確，可以說(shuō)是國產(chǎn)處理器中做的最成功的——不論性能還是架構設計都有獨特之處，申威處理器不僅有硬件研發(fā)，還在編譯器及Linux操作系統（神威睿思）上做了創(chuàng )新，太湖之光這次有三項應用入圍戈登貝爾獎，這也得歸功于江南所在超算應用上的努力。

中晟宏芯：借力藍色巨人IBM，Power架構能撐起一片天？

通用處理器架構也曾百花齊放，Intel當年面對的對手比現在多得多，但X86現在差不多一統天下了，能跟Intel競爭的公司就更少了，強大如IBM這樣擁有Power架構的公司也不行了，他們索性于2013年聯(lián)合NVIDIA、泰安電腦等公司成立OpenPower開(kāi)放聯(lián)盟，其他公司也可以獲得Power架構授權。此后在2014年還推動(dòng)成立中國POWER技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟，IBM與多家中國公司簽署了授權協(xié)議，中晟宏芯就是其中的一家。

IBM的Power架構一度成為國產(chǎn)處理器的希望

中晟宏芯成立于2013年，發(fā)起人是江蘇夢(mèng)蘭集團、江蘇中晟智源、蘇州高新創(chuàng )業(yè)投資集團，夢(mèng)蘭集團之前我們說(shuō)過(guò)是中科院旗下的公司，而后兩者可以說(shuō)是江蘇政府代表，因此中晟宏芯獲得Power架構技術(shù)得到了工信部及江蘇政府、中科院計算所的支持，計算所甚至派了一個(gè)技術(shù)團隊，如果一切都能按照預定的引進(jìn)、消化、吸收，中晟宏芯應該在2019年推出國產(chǎn)化的Power處理器。

但是事與愿違，中晟宏芯雖然很快就推出了CP1處理器，但這只是IBM Power 8處理器的馬甲而已，還沒(méi)等這家公司消化Power技術(shù)，他們就鬧出了欠薪風(fēng)波，中科院派出的技術(shù)人員發(fā)不出工資，此后公司也不斷動(dòng)蕩，股東發(fā)生變化，人員也波動(dòng)頻繁，指望中晟宏芯推動(dòng)Power架構國產(chǎn)化是沒(méi)希望了。

此外，IBM的Power架構在國內銀行等關(guān)鍵行業(yè)有重要應用，而且Power處理器性能強勁，是個(gè)好東西，但真要引進(jìn)消化也沒(méi)這么容易，以Power 8架構為例，它是12核心96線(xiàn)程，核心面積達到了650mm2，復雜度遠高于普通處理器，再加上原本使用的是IBM自己的22nm SOI工藝，而SOI工藝已經(jīng)沒(méi)多少代工廠(chǎng)搞了（GlobalFoundries用過(guò)，28nm節點(diǎn)放棄，后來(lái)又繼承了IBM的衣缽），這無(wú)疑增加了Power處理器的國產(chǎn)化難度。

·兆芯/海光：中國能用X86技術(shù)打敗Intel、AMD？

前面提到的國產(chǎn)處理器中，除了軍方背景的申威、飛騰之外，基于MIPS、SPARC以及Power架構的處理器發(fā)展過(guò)程都是一波三折，他們面臨的核心問(wèn)題也是一樣的——軟件生態(tài)遠不如X86。既然大家都能注意到這個(gè)問(wèn)題，那中國為什么不直接選擇X86體系呢？這是個(gè)好問(wèn)題，你還別說(shuō)，國內還真有搞X86架構的。

國內較早跟X86架構授權有關(guān)的是北大微電子中心，2005年AMD跟中國政府達成了協(xié)議，科技部指定北大微電子中心接收AMD Geode-2處理器技術(shù)授權，北大微電子中心還把這事作為重點(diǎn)宣傳，表示“這是美國歷史上，第一次向在美國境外授權開(kāi)發(fā)X86兼容的微處理器及系統芯片。此次合作也是迄今為止中美半導體領(lǐng)域最具影響力的技術(shù)合作。”

AMD給的這個(gè)處理器是X86架構的，中國因此獲得了X86技術(shù)，不過(guò)Geode處理器大部分人是沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)的吧，因為這是AMD嵌入式處理器，其最初起源于Cyrix公司的MeidaGX平臺，后來(lái)Cyrix這部分業(yè)務(wù)被國家半導體（NS）收購，2003年AMD又把國家半導體的Geode業(yè)務(wù)收了。

AMD授權給北大的X86技術(shù)顯然不可能是最頂級的，所以選了嵌入式架構給中國，不過(guò)這點(diǎn)“施舍”已經(jīng)可以讓北大好好裝一下了，很多人恐怕不記得還有北大眾志處理器吧，原先也是做MIPS架構，得到AMD授權之后，他們的PKUnity86-3就是X86兼容處理器，但最后也是不了了之，也只活在了展臺上，現在都沒(méi)什么消息了。

說(shuō)得有點(diǎn)遠了，回到正題上來(lái)。由于X86架構是AMD、Intel吃飯的家伙，他們通常是沒(méi)可能把技術(shù)授權給別人的，AMD之前那個(gè)例子更多地是拿買(mǎi)來(lái)的技術(shù)迎合中國市場(chǎng)而已，中國公司從這兩家獲得X86技術(shù)的可能性幾乎沒(méi)了。不過(guò)我們別忘了X86技術(shù)實(shí)際上并非只有AMD和Intel，VIA威盛公司也有X86授權的，他們的技術(shù)來(lái)源于Cyrix，后者又是Intel當年對外授權X86技術(shù)的幾家公司之一。

在當年的Intel反壟斷案和解之后，VIA的X86技術(shù)也算是正當化了，但是VIA自己是個(gè)小公司，沒(méi)法玩轉高性能X86架構的，他們出的Nano、Nehemiah（尼希米）、Esther（以斯帖）、Isaiah（以賽亞，VIA總經(jīng)理陳文琦、王雪紅夫婦是基督徒，產(chǎn)品代號也很有宗教特色）等處理器雖然不乏特色，但因為制造工藝不能跟Intel相比，架構和性能也是不能相提并論的。既然沒(méi)有市場(chǎng)了，那VIA索性把X86技術(shù)賣(mài)給了大陸的上海兆芯公司。

兆芯這家公司也是很有背景的，2013年由上海國資委旗下的聯(lián)和投資與VIA成立的，注冊資本2億美元，上海出資80%，VIA占股20%。這次的合作顯然是大陸出錢(qián)，VIA出技術(shù)，因為兆芯的業(yè)務(wù)范圍包括X86 CPU、ARM CPU、GPU及芯片組研發(fā)都是VIA現有的，上海國資委下面的投資公司可沒(méi)這技術(shù)。

憑借雄厚的背景，兆芯如愿拿下了國家的核高基項目，根據公開(kāi)報道兆芯拿到的核高基補貼高達56億，后續還在申請，總額高達70億。至于回報，兆芯號稱(chēng)自主研發(fā)的ZX-C處理器于2015年4月量產(chǎn)，28nm工藝，四核處理器，主頻可達2.0GHz，TDP功耗僅為18W，并且支持國密算法加密，但兆芯的CPU基本上都是VIA處理器的馬甲，畢竟從成立到拿出產(chǎn)品只有2年左右的時(shí)間，這么快就生產(chǎn)出四核X86處理器并不容易。

除了上海兆芯，國內另一家獲得X86技術(shù)授權的是天津海光，這事還得從AMD說(shuō)起，今年Q2季度財報公布之后，AMD宣布他們跟中國天津海光投資公司達成了協(xié)議，將X86技術(shù)授權給海光公司，獲得2.93億美元的授權費，雙方還會(huì )成立合資公司。

目前有關(guān)AMD、海光的X86授權協(xié)議還不明確，但AMD這次授權給中國公司的X86很可能不再是低端的，因為AMD要打開(kāi)中國高性能服務(wù)器市場(chǎng)，授權的架構很可能是高性能的Zen技術(shù)，換句話(huà)說(shuō)AMD有可能給了中國公司最尖端的X86技術(shù)，如果真是如此，AMD這一次可真的是拼了。

海思：商用市場(chǎng)的成功才是真成功

這里雖然選擇了華為的海思，不過(guò)筆者要說(shuō)的其實(shí)是海思、展訊、全志、瑞芯微等一幫民營(yíng)公司開(kāi)發(fā)的處理器，選擇海思作為代表，是因為海思是其中的佼佼者。這些公司雖然沒(méi)多少背景（海思背后的華為算是大公司，是個(gè)例外），但他們恰恰是商業(yè)化最成功的國產(chǎn)處理器，這點(diǎn)跟前面介紹的其他處理器不同。

商業(yè)公司以市場(chǎng)為導向，不必背負什么國產(chǎn)、自主產(chǎn)權的壓力，他們無(wú)一例外選擇了最熱門(mén)的ARM體系，架構也多是購買(mǎi)的ARM公司的Cortex-A系列授權，GPU也是花錢(qián)授權的，海思還可以研發(fā)自己的基帶及ISP、DSP等芯片，目前的麒麟950處理器是首款Cortex-A72核心、Mali-T880 GPU及TSMC 16nm Plus工藝處理器，已經(jīng)具備國際先進(jìn)水平。

總結：

以上介紹的國產(chǎn)處理器中，他們大體可以寫(xiě)分為學(xué)院派、軍方派、國資派及民營(yíng)派，其中商業(yè)化最好的顯然是民營(yíng)派，國內廠(chǎng)商在手機/平板SoC處理器上已經(jīng)闖出一片天，軍方派的飛騰、申威因為目標明確，實(shí)際上發(fā)展的也相當成功，申威SW26010在眾核架構上也具備世界水準了。不能讓人滿(mǎn)意的要屬學(xué)院派及國資派了，龍芯被寄予厚望，但市場(chǎng)化舉步維艱，考慮到MIPS指令集的應用場(chǎng)合，龍芯進(jìn)入主流市場(chǎng)是沒(méi)可能了。