來(lái)源：騰訊科技（ID：qqtech）

撰文：唐志敏

編輯：蘇揚(yáng)

過(guò)去40年，處理器芯片呈現(xiàn)出“否定之否定”的螺旋式發(fā)展道路：自研-放棄自研-自研。

最近5年，越來(lái)越多的整機(jī)和平臺(tái)廠商，重新加入自研的“芯片戰(zhàn)爭(zhēng)”，并且顯現(xiàn)出一個(gè)新趨勢(shì)——以CPU為中心的同構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變成CPU聯(lián)合x(chóng)PU的異構(gòu)計(jì)算。

“芯片戰(zhàn)爭(zhēng)”中的選手要直面幾個(gè)問(wèn)題：其xPU架構(gòu)創(chuàng)新有多少，持續(xù)創(chuàng)新空間有多大、應(yīng)用規(guī)模能否攤薄硬件、生態(tài)的創(chuàng)新成本。

剛剛公布的“十五五”規(guī)劃建議稿也提到，加快科技高水平自立自強(qiáng)，全面增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，大力實(shí)施“卡脖子”迭代攻關(guān)，聚焦半導(dǎo)體等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。那么，接下來(lái)的五年、十年，對(duì)于國(guó)產(chǎn)“算力芯片”來(lái)說(shuō)，突破口在哪里？

我們認(rèn)為是指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（指令集架構(gòu)）的統(tǒng)一。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一致性，更能推動(dòng)架構(gòu)層面的創(chuàng)新，比如把RISC-V作為統(tǒng)一指令系統(tǒng)，所有CPU/GPU/xPU都基于RISC-V及其擴(kuò)展來(lái)開(kāi)發(fā)，在擴(kuò)大規(guī)模效應(yīng)的同時(shí)，高效利用研發(fā)資源。

指令集相當(dāng)于軟硬件“連接器”，按標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)軟件，即可向硬件發(fā)出計(jì)算指令。

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經(jīng)濟(jì)規(guī)模與生態(tài)成本，決定架構(gòu)的“生與死”

計(jì)算機(jī)差不多經(jīng)歷了八十多年的歷史，早期特點(diǎn)是集中式處理，少數(shù)專業(yè)人員通過(guò)終端設(shè)備才能訪問(wèn)到昂貴的計(jì)算資源。

20世紀(jì)80年代后以微處理器為基礎(chǔ)的PC和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)，計(jì)算模式從集中式轉(zhuǎn)化為分布式。后來(lái)又有了智能手機(jī)和云計(jì)算系統(tǒng)，計(jì)算模式進(jìn)化為集中式的云中心和“泛在分布”的智能終端構(gòu)成的復(fù)雜體系，且云中心本身又是一個(gè)巨大的分布式系統(tǒng)。

計(jì)算進(jìn)化到今天，最為核心的CPU，以兩種主導(dǎo)式的指令集為代表：PC和服務(wù)器領(lǐng)域是x86架構(gòu)，智能手機(jī)領(lǐng)域是ARM架構(gòu)。

x86等架構(gòu)及相應(yīng)特征

x86和ARM占主導(dǎo)，是市場(chǎng)洗牌的結(jié)果。

時(shí)間往回倒退，過(guò)去40年業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了許多有特色的架構(gòu)和產(chǎn)品，但大部分都逐漸凋零了。例如：英特爾開(kāi)發(fā)的RISC架構(gòu)i860/i960、摩托羅推出的68000以及跟IBM、Apple聯(lián)合開(kāi)發(fā)的PowerPC架構(gòu)等等。

指令集架構(gòu)，從幾十款到幾款，快速收斂的原因各有不同。

x86戰(zhàn)勝RISC，靠的是不斷向高端RISC“抄作業(yè)”，同時(shí)根據(jù)新應(yīng)用需求不斷增加指令子集，拓展新功能；PC與服務(wù)器的CPU同為x86架構(gòu)，芯片出貨量大，分?jǐn)偭朔?wù)器CPU的研發(fā)成本，也是x86從競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出的客觀條件。

RISC CPU的失意，表面上是巨額的軟硬件投入成本，根源則是無(wú)法顛覆已有軟硬件生態(tài)系統(tǒng)——大量已存在的標(biāo)準(zhǔn)或事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的接口，如指令架構(gòu)系統(tǒng)，這種生態(tài)的統(tǒng)治力，英特爾、惠普曾這類聯(lián)合體也無(wú)法撼動(dòng)。

回想起1990年代超算領(lǐng)域，如nCUBE，KSR、Thinking Machine等創(chuàng)業(yè)公司，既自研CPU，又開(kāi)發(fā)MPP超算系統(tǒng)，在系統(tǒng)架構(gòu)上提出了很多引人入勝的新方案。尤其是KSR，提出了名為Allcache的純緩存存儲(chǔ)架構(gòu)（COMA），實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)基于純緩存的并行超算系統(tǒng)，其CPU只跑20MHz，功耗、散熱等效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期的英特爾486，后者主頻達(dá)到了50MHz。

最終，各種創(chuàng)新性的架構(gòu)都“輸給了”x86。

不是說(shuō)這些架構(gòu)沒(méi)有創(chuàng)新性，根本上在于架構(gòu)創(chuàng)新敵不過(guò)經(jīng)濟(jì)規(guī)律。所以，在文章開(kāi)頭，我們就呼吁，未來(lái)五年、十年，中國(guó)的算力芯片應(yīng)該統(tǒng)一指令集架構(gòu)。

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架構(gòu)創(chuàng)新難，生態(tài)構(gòu)建更難：壁壘在軟件與協(xié)同

英特爾于2000年左右推出Pentium 4處理器，時(shí)鐘頻率已達(dá)到4GHz。25年后的今天，很多產(chǎn)品時(shí)鐘頻率還停留在這個(gè)水平。這是因?yàn)?strong>進(jìn)入納米工藝后，摩爾定律逐漸失效，晶體管開(kāi)關(guān)速度放緩。

現(xiàn)在，業(yè)界依賴晶體管數(shù)量的累積來(lái)提升性能，其基本的思路是并行，如增加數(shù)據(jù)位寬、增加功能部件、增加處理器核的數(shù)量等等。但增加了這么多的部件，如何控制與管理？就要看計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)既是硬件與軟件的接口界面，也決定了硬件與軟件的分工，根據(jù)硬件與軟件分工的不同邏輯，大致可分為三種類型：

• 激進(jìn)的結(jié)構(gòu)（完全動(dòng)態(tài)優(yōu)化）：

  類似上文提到的純緩存存儲(chǔ)架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)軟件在動(dòng)態(tài)分析和優(yōu)化方面能力有限，因此在硬件上做盡可能多的動(dòng)態(tài)優(yōu)化, 但這樣往往導(dǎo)致硬件過(guò)分復(fù)雜、功耗過(guò)高；

• 保守的結(jié)構(gòu)（靜態(tài)優(yōu)化）：

  硬件僅提供必需的設(shè)施, 如大量的寄存器或SRAM，依賴軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能，這種方案的好處是硬件簡(jiǎn)化了，缺點(diǎn)是編程不便、性能沒(méi)有保障；

• 折中的結(jié)構(gòu)（動(dòng)靜態(tài)相結(jié)合的優(yōu)化）

  ：硬件做一些動(dòng)態(tài)的優(yōu)化, 如高速緩存，軟件也仍有優(yōu)化的余地，通過(guò)軟硬件協(xié)同解決性能和編程問(wèn)題。

由于需要運(yùn)行操作系統(tǒng)、編譯器及各種復(fù)雜控制應(yīng)用，涉及的串行因素比較多，高端CPU經(jīng)常采用激進(jìn)的結(jié)構(gòu)，但由于結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，導(dǎo)致正確性難以驗(yàn)證，研發(fā)工作量極大。隨著熔斷、幽靈等硬件漏洞的出現(xiàn)，這類結(jié)構(gòu)也易受瞬態(tài)執(zhí)行攻擊的問(wèn)題也暴露出來(lái)。

目前業(yè)界更傾向于基于這種結(jié)構(gòu)——增加處理器核的數(shù)量，來(lái)提升性能，比如代表算力的xPU芯片，就是典型的眾核（Many Core）結(jié)構(gòu)。這種架構(gòu)可以匹配圖像處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等天然依賴并行計(jì)算的特點(diǎn)，只要硬件提供足夠的運(yùn)算部件、存儲(chǔ)單元、互連機(jī)制，并由軟件程序把并行性表達(dá)出來(lái)，就可以在并行硬件上高速地執(zhí)行。

英偉達(dá)PASCAL和TURING架構(gòu)GPU，擁有大量CUDA計(jì)算核心

英特爾Xeon Phi，Google TPU等，都是專門設(shè)計(jì)的眾核加速器，而更流行的GPGPU則陰差陽(yáng)錯(cuò)的成為眾核加速器——一開(kāi)始只用于圖形渲染，非專門為AI設(shè)計(jì)。

不管是TPU還是GPGPU，眾核結(jié)構(gòu)xPU的“算力芯片”大規(guī)模應(yīng)用，首先要解決的還是生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題——在處理器上運(yùn)行的各類軟件的總和，包括各種應(yīng)用軟件，及支撐應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)運(yùn)行的系統(tǒng)軟件、中間件、庫(kù)函數(shù)等。在這方面，用戶之所以喜歡使用英偉達(dá)的產(chǎn)品，就是因?yàn)镃UDA擁有成熟的并行軟件生態(tài)。

前面提到英特爾和惠普的合作項(xiàng)目。雙方于1994年，聯(lián)合開(kāi)發(fā)了不與x86兼容的EPIC架構(gòu)的IA-64安騰處理器，前后花了十余年時(shí)間，耗資巨大，終究未能成功。關(guān)鍵就在于經(jīng)過(guò)40多年演進(jìn)的x86架構(gòu)，形成了任何處理器架構(gòu)都無(wú)法比擬和復(fù)制的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

英特爾、惠普的新架構(gòu)、新產(chǎn)品，解決不了新的生態(tài)問(wèn)題。

這里面還有一個(gè)洞察——Gartner分析了從2009到2018年的企業(yè)軟件市場(chǎng)，十年間，x86軟件的市場(chǎng)份額持續(xù)上升，到2018年，全球投入在x86軟件（含企業(yè)應(yīng)用軟件、基礎(chǔ)設(shè)施軟件、垂直專用軟件）開(kāi)發(fā)上的費(fèi)用高達(dá)600億美元，IDC 2019年同期的數(shù)據(jù)表明，全球服務(wù)器硬件的總收入也就800億美元。

也就是說(shuō)，軟件開(kāi)發(fā)的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬件，新搞一個(gè)處理器架構(gòu)已經(jīng)很費(fèi)錢了，基本不會(huì)有人給更多投資去開(kāi)發(fā)配套的軟件。

基于這一點(diǎn)，可以預(yù)判，未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間，服務(wù)器市場(chǎng)上x(chóng)86 CPU仍居主導(dǎo)地位。

有人也許要問(wèn)，ARM-64的機(jī)會(huì)在哪里？它的核心看點(diǎn)在于打破英特爾在x86服務(wù)器市場(chǎng)一家獨(dú)大的格局，因?yàn)橛⑻貭柕腃PU毛利太高了，誰(shuí)都想去分一杯羹，正如AI芯片廠商想去分英偉達(dá)的蛋糕一樣。

最終，ARM服務(wù)器未來(lái)能夠取得成功，幾個(gè)原因可能是決定性的：

• 一是掌控了全棧技術(shù)（應(yīng)用）的大廠放棄x86，如蘋(píng)果、亞馬遜，它們的生態(tài)遷移完全可控，產(chǎn)量或毛利率也是可控的

• 二是端云融合，ARM在終端的優(yōu)勢(shì)彌漫到云端，如Android Cloud，ARM服務(wù)器更適合支持Android Apps，應(yīng)用可在云和端間隨便遷移。還有云游戲在云端也不需要依賴虛擬機(jī)。

x86的故事仍在繼續(xù)，ARM攻勢(shì)迅猛，開(kāi)源的RISC-V則還需要努力。

關(guān)于RISC-V，業(yè)內(nèi)有很多討論，既有ARM“價(jià)格貴”的問(wèn)題，也有開(kāi)放性、可研究性的問(wèn)題，但主要還是商業(yè)化的困境。

近年來(lái)，RISC-V應(yīng)用較多且相對(duì)成功的，都是軟件比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，即以微控制器(MCU)為代表的嵌入式領(lǐng)域，如希捷、西數(shù)等企業(yè)的存儲(chǔ)類產(chǎn)品。而以物聯(lián)網(wǎng)為代表的嵌入式場(chǎng)景，其需求非常碎片化，RISC-V雖然可以針對(duì)應(yīng)用特點(diǎn)自定義對(duì)指令集的擴(kuò)展，但這樣分門別類地定制芯片，就失去了集成電路產(chǎn)業(yè)的規(guī)模效應(yīng)。

軟件、應(yīng)用之外，RISC-V的硬件生態(tài)也還不成熟——有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的高性價(jià)比處理器核的種類少，也缺乏支持多核互連的高性能片上網(wǎng)絡(luò)（NOC），尤其是片上網(wǎng)絡(luò)，業(yè)內(nèi)都還在用ARM方案，不過(guò)ARM不會(huì)單獨(dú)向RISC-V項(xiàng)目授權(quán)片上網(wǎng)絡(luò)IP，而要搭售ARM CPU核心，成本又被拉上來(lái)了。

一些觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著JAVA、Python等跨平臺(tái)的語(yǔ)言/工具越來(lái)越流行，通過(guò)虛擬機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的跨平臺(tái)遷移，還可以用仿真的方法用一種指令集模擬另一種指令集，寄希望于指令集架構(gòu)重要性變低，進(jìn)而重構(gòu)x86、ARM的“壟斷”格局。

不過(guò)，這也存在另一些相反的事實(shí)，例如英特爾一直在持續(xù)地?cái)U(kuò)展其指令集，增加新指令（子集），如近年看到的SGX、AVX512、AI擴(kuò)展指令集等，說(shuō)明硬件指令的直接支持對(duì)性能、能效比至關(guān)重要。

又如，由于業(yè)界的各類基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件，主要都是針對(duì)英特爾CPU優(yōu)化的，即使同樣是x86的AMD CPU，能流暢支持的軟件配置種類就少得多。所以，阿里的公有云平臺(tái)只用英特爾的CPU產(chǎn)品，它們可以自如地支持各種老舊的OS類型、版本、配置。

從這個(gè)角度來(lái)看，RISC-V進(jìn)入以計(jì)算機(jī)為代表的通用平臺(tái)，還有一段曠日持久的路程要走。

3

統(tǒng)一指令集：中國(guó)算力芯片規(guī)?；年P(guān)鍵路徑

近年來(lái)，系統(tǒng)和平臺(tái)廠商又開(kāi)始研發(fā)計(jì)算芯片了：美國(guó)有蘋(píng)果公司、谷歌、亞馬遜、微軟，中國(guó)公司也很多。

所有自研的場(chǎng)景當(dāng)中，云廠自研芯片的模式是行得通的，因?yàn)槠髽I(yè)盈利的基礎(chǔ)在于增值服務(wù)，不在硬件。云廠商由于掌控全棧軟硬件，生態(tài)移植的困難也較小，且因?yàn)樽陨硪?guī)模大，可以負(fù)擔(dān)芯片研發(fā)的費(fèi)用。

不過(guò)，現(xiàn)階段多數(shù)企業(yè)自研還是用于內(nèi)部，因此外部客戶仍然需要獨(dú)立的芯片供應(yīng)商。

眾多自研芯片的系統(tǒng)廠商當(dāng)中，蘋(píng)果公司是一個(gè)非常成功的案例，基本實(shí)現(xiàn)了核心產(chǎn)品線處理器的全線自研——手機(jī)為A系列、平板和PC為M系列、手表為W系列、耳機(jī)為H系列。

蘋(píng)果自研芯片矩陣，數(shù)據(jù)更新至2025年9月

“產(chǎn)品定價(jià)高”可以作為評(píng)判蘋(píng)果自研成功與否的一個(gè)表面指標(biāo)。

和公版的ARM CPU核相比，蘋(píng)果公司自研的CPU性能高、成本也高，但配合自研的系統(tǒng)軟件，整體達(dá)到優(yōu)化的用戶體驗(yàn)，同時(shí)加上營(yíng)銷體系的助力，形成“高大上”的形象，就可以賣出高價(jià)錢。

只不過(guò)，很多失敗的項(xiàng)目，只看到了蘋(píng)果公司“自研芯片”的表面指標(biāo)，“自研芯片”，如果只是為了“使用芯片”，或者只是聚焦在紙面參數(shù)上，而忽略掉軟件的差異化、生態(tài)能力提升，進(jìn)而共同推動(dòng)用戶體驗(yàn)的優(yōu)化，未必有價(jià)值。

軟件定義一切，也包括“成敗”。

無(wú)論CPU還是GPGPU，都需要在軟件生態(tài)上，與現(xiàn)有成熟產(chǎn)品形成差異化，實(shí)現(xiàn)附加值提升，但這不等于一切都需要重構(gòu)和創(chuàng)新，比如指令系統(tǒng)——指令系統(tǒng)越多，軟件生態(tài)方面就需要投入越多，“統(tǒng)一”起來(lái)困難重重。

前面提過(guò)，軟件方面的投入比硬件研發(fā)的投入還要大，而軟件掉隊(duì)的負(fù)面現(xiàn)象，目前大量出現(xiàn)在當(dāng)前的領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)（DSA）和其它xPU研發(fā)領(lǐng)域。比如很多國(guó)產(chǎn)智算中心，投資規(guī)模很大，但受配套軟件不全等問(wèn)題限制，實(shí)際利用率并不高，這其實(shí)就是軟件跟不上硬件“步伐”帶來(lái)的后遺癥。

回想架構(gòu)之爭(zhēng)的年代，諸神混戰(zhàn)，最后也只有少數(shù)幾個(gè)架構(gòu)活了下來(lái)。

實(shí)際上，體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，未必一定要新架構(gòu)，也可以在現(xiàn)有的指令系統(tǒng)框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)，RISC-V恰好在這方面具備很好的支撐。

例如，國(guó)外Tenstorrent等企業(yè)基于RISC-V指令集，擴(kuò)展支持AI的子指令集，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了基于RISC-V的AI加速計(jì)算方案。又如，國(guó)內(nèi)外不少大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都在RISC-V上擴(kuò)展了密碼學(xué)相關(guān)的子指令集，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)后量子密碼的支持等等。

所以，我們呼吁：把RISC-V作為統(tǒng)一指令系統(tǒng)，所有CPU/GPU/xPU都基于RISC-V及其擴(kuò)展來(lái)開(kāi)發(fā)，避免重復(fù)勞動(dòng)和研發(fā)資源的無(wú)謂浪費(fèi)。

關(guān)于作者：

唐志敏是我國(guó)處理器芯片領(lǐng)域核心研究者，現(xiàn)任高性能GPU芯片研發(fā)國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)象帝先計(jì)算技術(shù)（重慶）有限公司董事長(zhǎng)、深圳理工大學(xué)算力微電子學(xué)院院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所主任研究員。唐志敏長(zhǎng)期深耕高性能計(jì)算與處理器架構(gòu)，對(duì)中國(guó)自主芯片的技術(shù)演進(jìn)與產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)有深刻洞察。

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- The End -

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