常見(jiàn)國(guó)產(chǎn)處理器指令集體系及來(lái)源

國(guó)產(chǎn)處理器“取代”Intel、AMD等國(guó)際公司的處理器一直是國(guó)家的戰(zhàn)略和夢(mèng)想，如今在太湖之光計(jì)算機(jī)上算是真正圓夢(mèng)了，不過(guò)當(dāng)初的新聞報(bào)道中筆者也看到了評(píng)論中很多人對(duì)國(guó)產(chǎn)處理器的批評(píng)，這個(gè)問(wèn)題也是影響國(guó)產(chǎn)處理器發(fā)展的一個(gè)重要因素，因?yàn)樯鷳B(tài)體系的缺乏，中國(guó)發(fā)展自己的處理器也只能是“摸著石頭過(guò)河”，這個(gè)石頭就是國(guó)外已經(jīng)發(fā)展的處理器指令集，但這種路線又很容易被不明真相的圍觀者嘲諷——都用了別人的指令集了，怎么還敢叫自主產(chǎn)權(quán)？

多年前龍芯處理器的架構(gòu)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，用戶不用你。”軟件生態(tài)的現(xiàn)實(shí)決定了國(guó)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(jì)劃研制通用OS、CPU但最終失敗的例子可以說(shuō)是前車之鑒，反而C919大飛機(jī)這種國(guó)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(guó)內(nèi)處理器的指令集體系及技術(shù)來(lái)源。根據(jù)公開(kāi)來(lái)源，筆者能找到的有代表性的國(guó)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(jī)/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(gòu)涉及X86、ARM、MIPS、Power及SPARC、Alpha等，如下圖所示：

龍芯：血統(tǒng)純正的中國(guó)芯，商業(yè)化不盡如人意

龍芯并非最早的國(guó)產(chǎn)處理器，也不是最成功的國(guó)產(chǎn)處理器，但提到國(guó)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(guó)產(chǎn)處理器，而且考慮到它是中科院計(jì)算機(jī)所研發(fā)的，其血統(tǒng)的純正性更容易成為國(guó)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(jì)算所長(zhǎng)李國(guó)杰院士的領(lǐng)導(dǎo)下，龍芯之父胡偉武博士及其團(tuán)隊(duì)拿出了龍芯1號(hào)處理器，當(dāng)年他還寫過(guò)《我們的龍芯1號(hào)》一文介紹龍芯的研發(fā)歷程，小編當(dāng)年也看過(guò)這篇文章，記憶猶新的是龍芯的中文代號(hào)是“狗剩”，源于中國(guó)人“賴名好養(yǎng)活”的習(xí)俗，不過(guò)也可以看出團(tuán)隊(duì)對(duì)龍芯處理器的未來(lái)雖然有期待，但當(dāng)時(shí)應(yīng)該是挺擔(dān)心這個(gè)項(xiàng)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)是買來(lái)的，這讓龍芯瞬間被千夫所指，研發(fā)團(tuán)隊(duì)也背負(fù)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“用戶不用你”就是根本原因，自建一套軟件生態(tài)系統(tǒng)對(duì)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(duì)龍芯的第二個(gè)質(zhì)疑在于他們選擇了MIPS指令集而非現(xiàn)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(xiàng)研發(fā)的時(shí)代可能更早一些），當(dāng)時(shí)的ARM可沒(méi)有如今這般強(qiáng)勢(shì)，而MIPS在大學(xué)、科研單位有良好的基礎(chǔ)，龍芯團(tuán)隊(duì)選擇MIPS也是情有可原。

不管怎樣，龍芯這個(gè)項(xiàng)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(gòu)、規(guī)格、頻率、性能都在不斷進(jìn)步，龍芯3B2000甚至號(hào)稱性能達(dá)到了Intel Ivy Bridge處理器的水平，其指令集其實(shí)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了MIPS范疇，加入了很多龍芯團(tuán)隊(duì)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(kuò)展指令，可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他主流指令系統(tǒng)的二進(jìn)制翻譯兼容，另外存儲(chǔ)訪問(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(shù)龍芯處理器其實(shí)活在了中科院給外界展示成果的展臺(tái)上，盡管多年來(lái)大家對(duì)龍芯抱以期待，中科院甚至讓旗下的江蘇夢(mèng)蘭集團(tuán)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(tái)式機(jī)、筆記本等產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品大都曇花一現(xiàn)，性能無(wú)法達(dá)到主流水平，很快就被人給忘記了。

申威/飛騰：最成功的國(guó)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不同，不過(guò)這兩家要放在一起說(shuō)了，因?yàn)檫@兩家背后有軍方背景，申威處理器是無(wú)錫江南計(jì)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(shè)計(jì)中心，而天津飛騰是國(guó)防科大旗下的。此外，早前我們還報(bào)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(hào)為Mars（火星）的多核處理器，這家公司是廣州飛騰，據(jù)說(shuō)也是國(guó)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(jì)算機(jī)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(dú)特之處，DEC當(dāng)年在處理器市場(chǎng)也曾叱咤風(fēng)云，AMD的K7架構(gòu)就有部分技術(shù)源于Alpha架構(gòu)，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(gòu)之父Jim Keller也曾在DEC公司研發(fā)Alpha架構(gòu)。

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

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(cè)它還是Alpha指令集，但跟龍芯后續(xù)架構(gòu)類似，申威SW26010的架構(gòu)、指令集已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gòu)，亂序執(zhí)行架構(gòu)，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(jì)算單元及4個(gè)MC內(nèi)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(jì)是260個(gè)核心（4x64+4=260）。

與其他國(guó)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(nèi)都是靠前的，SW26010的理論浮點(diǎn)性能高達(dá)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(nèi)存系統(tǒng)，太湖之光性能達(dá)到天河2號(hào)三倍的同時(shí)總內(nèi)存反而從1.4PB降低到了1.31PB，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用了四路128bit DDR3-2133內(nèi)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(nèi)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(yīng)用，不過(guò)飛騰FT處理器用的架構(gòu)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(jì)算機(jī)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(gòu)，8核64線程，在天河1號(hào)計(jì)算機(jī)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上有使用。

之后的FT-1500還是基于SPARC架構(gòu)，制程工藝從65nm升級(jí)到了40nm，16核心128線程，在天河2號(hào)超算中使用了4096顆FT-1500處理器作為節(jié)點(diǎn)前端處理器。

最新的FT-1500A雖然名字跟上面的類似，但實(shí)際上沒(méi)什么關(guān)系了，因?yàn)樗募軜?gòu)變成了ARM 64位，使用的是28nm工藝。據(jù)天津飛騰總經(jīng)理谷虹介紹，F(xiàn)T-1500A系列處理器是64位通用CPU，兼容ARM V8指令集，采用國(guó)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(guó)內(nèi)領(lǐng)先，可實(shí)現(xiàn)對(duì)Intel中高端“至強(qiáng)”服務(wù)器芯片的替代，并廣泛應(yīng)用于政府辦公和金融、稅務(wù)等各行業(yè)信息化系統(tǒng)之中。

不論是申威還是飛騰，這兩家軍方背景的國(guó)產(chǎn)處理器單位因?yàn)槟繕?biāo)明確，可以說(shuō)是國(guó)產(chǎn)處理器中做的最成功的——不論性能還是架構(gòu)設(shè)計(jì)都有獨(dú)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(tǒng)（神威睿思）上做了創(chuàng)新，太湖之光這次有三項(xiàng)應(yīng)用入圍戈登貝爾獎(jiǎng)，這也得歸功于江南所在超算應(yīng)用上的努力。

中晟宏芯：借力藍(lán)色巨人IBM，Power架構(gòu)能撐起一片天？

通用處理器架構(gòu)也曾百花齊放，Intel當(dāng)年面對(duì)的對(duì)手比現(xiàn)在多得多，但X86現(xiàn)在差不多一統(tǒng)天下了，能跟Intel競(jìng)爭(zhēng)的公司就更少了，強(qiáng)大如IBM這樣擁有Power架構(gòu)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(gòu)授權(quán)。此后在2014年還推動(dòng)成立中國(guó)POWER技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟，IBM與多家中國(guó)公司簽署了授權(quán)協(xié)議，中晟宏芯就是其中的一家。

IBM的Power架構(gòu)一度成為國(guó)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(tuán)、江蘇中晟智源、蘇州高新創(chuàng)業(yè)投資集團(tuán)，夢(mèng)蘭集團(tuán)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(gòu)技術(shù)得到了工信部及江蘇政府、中科院計(jì)算所的支持，計(jì)算所甚至派了一個(gè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，如果一切都能按照預(yù)定的引進(jìn)、消化、吸收，中晟宏芯應(yīng)該在2019年推出國(guó)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(gòu)國(guó)產(chǎn)化是沒(méi)希望了。

此外，IBM的Power架構(gòu)在國(guó)內(nèi)銀行等關(guān)鍵行業(yè)有重要應(yīng)用，而且Power處理器性能強(qiáng)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(gòu)為例，它是12核心96線程，核心面積達(dá)到了650mm2，復(fù)雜度遠(yuǎn)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)多少代工廠搞了（GlobalFoundries用過(guò)，28nm節(jié)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(guó)產(chǎn)化難度。

·兆芯/海光：中國(guó)能用X86技術(shù)打敗Intel、AMD？

前面提到的國(guó)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(gòu)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(yuǎn)不如X86。既然大家都能注意到這個(gè)問(wèn)題，那中國(guó)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(guó)內(nèi)還真有搞X86架構(gòu)的。

國(guó)內(nèi)較早跟X86架構(gòu)授權(quán)有關(guān)的是北大微電子中心，2005年AMD跟中國(guó)政府達(dá)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(quán)，北大微電子中心還把這事作為重點(diǎn)宣傳，表示“這是美國(guó)歷史上，第一次向在美國(guó)境外授權(quán)開(kāi)發(fā)X86兼容的微處理器及系統(tǒng)芯片。此次合作也是迄今為止中美半導(dǎo)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(gòu)的，中國(guó)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?yàn)檫@是AMD嵌入式處理器，其最初起源于Cyrix公司的MeidaGX平臺(tái)，后來(lái)Cyrix這部分業(yè)務(wù)被國(guó)家半導(dǎo)體（NS）收購(gòu)，2003年AMD又把國(guó)家半導(dǎo)體的Geode業(yè)務(wù)收了。

AMD授權(quán)給北大的X86技術(shù)顯然不可能是最頂級(jí)的，所以選了嵌入式架構(gòu)給中國(guó)，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(gòu)，得到AMD授權(quán)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(tái)上，現(xiàn)在都沒(méi)什么消息了。

說(shuō)得有點(diǎn)遠(yuǎn)了，回到正題上來(lái)。由于X86架構(gòu)是AMD、Intel吃飯的家伙，他們通常是沒(méi)可能把技術(shù)授權(quán)給別人的，AMD之前那個(gè)例子更多地是拿買來(lái)的技術(shù)迎合中國(guó)市場(chǎng)而已，中國(guó)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(quán)的，他們的技術(shù)來(lái)源于Cyrix，后者又是Intel當(dāng)年對(duì)外授權(quán)X86技術(shù)的幾家公司之一。

在當(dāng)年的Intel反壟斷案和解之后，VIA的X86技術(shù)也算是正當(dāng)化了，但是VIA自己是個(gè)小公司，沒(méi)法玩轉(zhuǎn)高性能X86架構(gòu)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(hào)也很有宗教特色）等處理器雖然不乏特色，但因?yàn)橹圃旃に嚥荒芨鶬ntel相比，架構(gòu)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(guó)資委旗下的聯(lián)和投資與VIA成立的，注冊(cè)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，VIA出技術(shù)，因?yàn)檎仔镜臉I(yè)務(wù)范圍包括X86 CPU、ARM CPU、GPU及芯片組研發(fā)都是VIA現(xiàn)有的，上海國(guó)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(guó)家的核高基項(xiàng)目，根據(jù)公開(kāi)報(bào)道兆芯拿到的核高基補(bǔ)貼高達(dá)56億，后續(xù)還在申請(qǐng)，總額高達(dá)70億。至于回報(bào)，兆芯號(hào)稱自主研發(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(dá)2.0GHz，TDP功耗僅為18W，并且支持國(guó)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(guó)內(nèi)另一家獲得X86技術(shù)授權(quán)的是天津海光，這事還得從AMD說(shuō)起，今年Q2季度財(cái)報(bào)公布之后，AMD宣布他們跟中國(guó)天津海光投資公司達(dá)成了協(xié)議，將X86技術(shù)授權(quán)給海光公司，獲得2.93億美元的授權(quán)費(fèi)，雙方還會(huì)成立合資公司。

目前有關(guān)AMD、海光的X86授權(quán)協(xié)議還不明確，但AMD這次授權(quán)給中國(guó)公司的X86很可能不再是低端的，因?yàn)锳MD要打開(kāi)中國(guó)高性能服務(wù)器市場(chǎng)，授權(quán)的架構(gòu)很可能是高性能的Zen技術(shù)，換句話說(shuō)AMD有可能給了中國(guó)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?yàn)楹Ｋ际瞧渲械馁?。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(guó)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(dǎo)向，不必背負(fù)什么國(guó)產(chǎn)、自主產(chǎn)權(quán)的壓力，他們無(wú)一例外選擇了最熱門的ARM體系，架構(gòu)也多是購(gòu)買的ARM公司的Cortex-A系列授權(quán)，GPU也是花錢授權(quán)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(guó)際先進(jìn)水平。

總結(jié)：

以上介紹的國(guó)產(chǎn)處理器中，他們大體可以寫分為學(xué)院派、軍方派、國(guó)資派及民營(yíng)派，其中商業(yè)化最好的顯然是民營(yíng)派，國(guó)內(nèi)廠商在手機(jī)/平板SoC處理器上已經(jīng)闖出一片天，軍方派的飛騰、申威因?yàn)槟繕?biāo)明確，實(shí)際上發(fā)展的也相當(dāng)成功，申威SW26010在眾核架構(gòu)上也具備世界水準(zhǔn)了。不能讓人滿意的要屬學(xué)院派及國(guó)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(yīng)用場(chǎng)合，龍芯進(jìn)入主流市場(chǎng)是沒(méi)可能了。