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ARM授权模式支撑不了中国CPU自主创新

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2022年11月,业界两场大会,代表着当下中国信息技术产业两种截然不同的发展道路:要么基于国外引进技术,跟着做生态,要么基于自主研发技术,独立做生态。


一场是11月7日至9日在深圳举办的华为全联接大会2022。华为副总裁、计算产品线总裁邓泰华在会上向业界分享了鲲鹏、昇腾计算产业生态的最新进展,宣称鲲鹏和昇腾伙伴数量已超过5000家、解决方案数量达13000个、开发者总数超过260万。但由于鲲鹏、昇腾根本上是基于引进的ARM V8架构的产物,和国产x86如海光、兆芯的路数都一样,都属于从国外引进的技术。在一定意义上讲,华为也是在帮助ARM公司变相拓展ARM在中国的产业生态。


另一场是11月16日在南京举办的2022年信息技术自主创新高峰论坛。龙芯中科董事长胡伟武在会上发表了《龙架构软件生态建设》主题演讲。他表示,生态是做出来的,不是跟出来的,我们不能指望用国外的指令系统来做自己的生态,龙芯坚持基于自主研发技术,而非引进技术来构建自主软件生态。



下面我们不妨从根源出发,来比较分析一下,看看哪条路线最适合、有利于中国信息技术产业的长远发展。


先了解一下AMR授权模式


几十年来,ARM公司一直是芯片架构开发的领军者,专注于ARM指令集架构和处理器内核设计。这家成立于1990年,总部位于英国剑桥的企业在2016年9月被日本电信巨头软银(Softbank)收购。ARM的商业模式很独特,它自身不向市场出售成品芯片,而是将其研发的指令集架构和处理器IP内核技术授权给芯片设计公司使用,并收取一次性的许可费和按芯片销售量计算的版税。2021年,全球范围内使用ARM技术的芯片出货量已高达292亿颗,公司营收27亿美元。

ARM的授权许可主要有两种:架构许可协议(Architecture License Agreement,ALA)和技术许可协议(Technology License Agreement,TLA)。其中ALA允许客户基于ARM的指令集架构来自行定制设计处理器IP核,比如苹果的芯片;TLA允许客户直接购买ARM设计好的IP核来用,并可在上面做少量修改,如高通的骁龙系列芯片。相比较,TLA收费要比ALA高。目前,已有超过100家公司与ARM签订了许可协议,包括高通、三星、苹果、华为、飞腾、联发科等。

ARM的这一商业模式可以帮助众多芯片设计公司降低技术门槛,缩短研发周期,快速上市高性能CPU,并共享ARM的生态。比如2019年华为推出的麒麟990系列手机芯片就是基于ARM 在2018年发布的Cortex-A76核,前后相差仅一年左右的时间。而如果要从零自己开始迭代开发一款A76级别的CPU核,预计要8-10年时间。因此,对于国内做ARM芯片的企业而言,只要能够买到ARM最新的IP核,再把后端设计委托给台湾世芯这类企业,然后找台积电等晶圆厂代工,就能在技术储备不足的情况下,短平快地开发出一款ARM CPU。据媒体报道,台湾世芯公司就曾为飞腾PC与服务器CPU产品提供ASIC设计服务,2020年飞腾为世芯贡献了约39%的营业收入。


国产ARM 芯片的尴尬处境


目前,在国内的PC和服务器领域,国产ARM CPU主要有三类玩家:自产自用型、政策红利型和纯商业型。第一类以阿里倚天710为代表,与国外苹果、亚马逊、谷歌等企业的做法类似,自研ARM芯片主要是为了满足自身业务需求,不直接对外公开销售。第二类是政策红利型,以华为、飞腾为代表,通过将ARM芯片包装成自主CPU并设法拿到信创牌照,以党政国企事业单位为主打市场。第三类是纯商业型的IC设计公司,如成立于2021年的初创企业启灵芯,试图在商用市场上用ARM CPU来替代x86芯片。

对于上述后两类国产ARM芯片而言,近两年的发展正陷入越来越大的困境。一方面在商用市场上,过去十年来,ARM服务器CPU一直不愠不火,曾一度染指这一品类的AMD、高通等大厂都已相继退出,凯为/美满电子在坚持了一阵后也开始裁员,国内的华芯通更是直接关门大吉,就在今年8月,成立不到一年的初创企业启灵芯也宣告停止运营。

另一方面,在政策引导性比较强的信创市场,业界对于华为、飞腾等国产ARM芯片的自主性的质疑也越来越大。特别是受美国禁令影响导致国内企业迟迟拿不到AMR最新架构授权,俄乌战争后英国直接制裁俄罗斯ARM芯片企业,ARM公司起诉高通侵犯其知识产权等一系列事件的发生,使得华为等国产ARM芯片能否实现自主创新,能否持续发展下去,都成了一个又一个的大问号。



ARM授权模式对中国信创产业的重大风险


(一)中国芯片企业至今没拿到Armv9的最新许可

2021年3月,ARM公司正式宣布推出最新的Armv9架构,宣称这是自10年前Armv8推出以来的首次重大变革,将用于未来3000亿ARM芯片中,涉及手机、笔记本电脑、台式机、云计算、高性能计算、汽车和AI等广泛领域。然而,这样一款如此重要的里程碑式架构技术,由于受美国禁令的影响,国内ARM芯片公司能否顺利买到、何时能买到、以多大代价买到Armv9架构授权,却仍是未知数。据业内人士透露,Armv9已发布一年多时间,至今还没有一家中国企业拿到授权许可。

设想一下,如果华为等迟迟不能获取Armv9授权,只能在Armv8这样一个十年前的老旧版本上做芯片,势必会影响国产ARM芯片的产品竞争力,前期的巨大投资成本也无法通过产品迭代升级来分摊。就算华为有能力Armv8上自行实现一些Armv9的新指令或功能,如果没有事先得到ARM的同意,也势必会造成侵权。退一万步讲,即便华为这次侥幸花费巨资买到了Armv9授权,可又如何保证在日趋复杂的国际形势下,未来能一直买到v10、v11、v12…的授权。从这个意义上讲,在信创领域,华为等ARM芯片所标榜的“自主性”已很难站住脚,“核心技术是要不来、买不来、讨不来的”已经成为广泛共识。

(二)英国制裁俄罗斯ARM芯片企业的警示

今年5月,由于俄乌战争,英国政府禁止俄罗斯企业获取ARM架构授权,将俄两大处理器开发商贝加尔电子(Baikal Electronics)和MCST列入制裁名单,除冻结其资产外,还禁止ARM公司对俄罗斯提供技术服务。其中,贝加尔电子之前是基于MIPS指令集进行芯片设计,近几年来已全面转向ARM架构。ARM断供已直接导致该公司正在开发的Baikal-M2、Baikal-L、Baikal-S2系列处理器被迫中止。俄罗斯媒体评论说,该公司将不得不更换新的处理器架构或者转向RISC-V等开源架构,而这预计需要至少两到三年的时间,以及高达10亿卢布的研发支出。

作为一家总部在英国的日本财团控股企业,ARM公司不得不听令于英国政府,对俄罗斯芯片企业进行断供,这不能不让中国人警醒——特别是考虑到当前我国诸多关系国计民生的核心场景都已经大量安装使用了华为鲲鹏等国产ARM芯片。


(三)ARM公司对许可授予和终止有非常大的自由裁量权

如果说英国制裁俄企是基于国际地缘政治,那么ARM起诉高通则是因为赤裸裸的商业利益。在2019年9月,ARM公司曾向芯片设计公司Nuvia授予了ALA和TLA许可。2021年1月,高通宣布以14亿美元收购Nuvia,这意味着收购完成后高通将根据ALA许可为Nuvia开发的CPU向ARM支付版税,而不是按照TLA支付较高的费用,这引起了ARM的极大不满。2022年2月,ARM致函Nuvia和高通,宣布终止对Nuvia的授权许可。8月底,ARM以高通违约导致ARM遭受无法弥补的巨大损失为由,在美国特拉华州的地区法院提起诉讼,主张Nuvia在芯片设计中使用ARM的专利设计,这些设计在未经许可的情况下不得转让给高通使用。

为了获得ARM的同意,高通必须:(I) 将Nuvia的许可证中高得多的专利费并入高通现有的许可证中;(ii) 限制高通员工参与高通定制 CPU 设计的能力,因此任何有权访问ARM机密信息的个人至少要等三年才能参与高通的“任何架构 CPU 设计”;(iii)讨论并决定与该 CPU 设计转让相关的设计转让费;(iv)为实施知识产权和软件工具签订单独的许可证,这将包括另一笔未披露的“设计转让费”。

根据高通公开的诉讼材料,高通从2025年起将无法继续提供ARM架构的芯片,因为其ARM许可证协议将在2024年终止。上述例子表明,ARM对授权的授予和终止有着非常大的自由裁量权,对于NUVIA这样的小公司,ARM可以单方面直接终止与其许可,对于高通这样的大企业,ARM也能在授权到期后以直接断供进行相要挟,以获取更大的商业利益。谁敢保证,华为、飞腾等 国产ARM芯片企业在与ARM公司打交道过程中,日后不会面临与高通类似的“陷阱”或纠纷?

(四)ARM的新规则将剥夺芯片企业自主发展权

据SemiAnalysis报道,高通最新的诉讼文件还显示,ARM可能会改变其授权模式,更改IP条款,2024年后基于ARM公版CPU的SoC,不可以使用外部GPU、NPU或ISP。换言之,从2025年开始,如果还想使用ARM公版CPU的话,那就必须搭配使用ARM的公版GPU、NPU以及ISP。这一做法对于各大使用ARM公版CPU的设计公司来说,无疑是一个巨大打击,它将严重扼杀IC公司的自主设计能力,使这些公司自主开发的GPU、NPU、ISP等模块失去搭载平台而被市场淘汰。消息一出,立马引发轩然大波,其中以高通、三星、联发科反应尤甚。

(五)ARM不允许芯片厂商私自扩展指令集

历史上,MIPS生态的衰亡,有一个很重要的原因是生态割裂——不同的CPU、不同的主板,操作系统和软件都可能不通用,导致每家公司要做自己的生态积累,无法形成合力。为了避免重蹈MIPS的覆辙,ARM在向其他公司授权指令集架构和IP时,不允许其它公司修改和扩展其指令集,以确保应用软件的统一兼容性,仅有部分嵌入式CPU的IP允许通过挂载dsp等形式扩展功能。因此,这一举措使得华为等国内ARM厂商无法主动基于ARM扩展自己的指令,并形成独立自主的软件生态体系。

(六)ARM能对整机厂商进行“长臂管辖”

根据高通对ARM的反诉材料,ARM还在试图绕过高通,对采用高通芯片的OEM整机厂商进行施压,相关举措包括:要求OEM厂商接受ARM的新直接许可,并根据产品销售情况支付专利费,否则从2025年开始无法获得ARM兼容的芯片。

这一点对中国ARM CPU和整机企业的警示在于:ARM不仅可以终止芯片架构或IP授权,也可以改变其商业模式,即绕过芯片厂商直接施压终端厂商,胁迫终端厂商不得使用特定品牌的ARM CPU。

可见,尽管华为、飞腾已经将ARM芯片包装成自研国产芯片打入信创市场,但最近这两年的一系列事实情况证明,基于ARM授权模式来发展国产芯片,必定会受制于人,根本无法实现自主可控。国内企业对ARM技术发展和商业模式不可能有话语权,无法掌握底层的知识产权和相关标准,只能被动地跟随,只知道今天能做,却不知道明天还能不能做。走ARM路线,不可能帮助中国构建起自主可控的信息技术体系,在复杂多变的国际形势下,还会带来巨大的产业安全隐患,包括:被随意中止授权,被断供新版本架构或IP,被禁止扩展自定义指令集或陷入法律诉讼,终端设备厂商被断供打压等等。


指令集自主是国产CPU必由之路


国产ARM芯片陷入的尴尬困境使得国内一些有识之士开始寻找新的出路。譬如在倪光南院士呼吁下,国内企业开始聚焦开源指令集RISC-V。在阿里、中科院计算所等机构的努力之下,我们在RISC-V架构芯片领域已取得了进展并且掌握了理事会的话语权。但是,目前RISC-V虽然概念火热,但商业模式还尚未清晰,在PC和服务器CPU领域离真正的产业落地应用还较远。更重要的是,无论如何,RISC-V只是一个依靠开源合约约束的指令集,在美政国政府的法令面前极度脆弱。一旦美国政府发难,很难说能否独善其身。

与ARM授权模式和RISC-V开源模式都不同,龙芯选择了一条彻底的完全自主的新路,即从自主指令集做起,逐步构建起完全独立自主的信息技术体系。

其实在2021年之前,龙芯也和其他CPU一样,兼容国外的指令集架构,即基于MIPS架构设计CPU,后来又以MIPS为基础扩展出了LoongISA架构。但到2019年,胡伟武意识到这终究不是长久之计,在其领导下,龙芯毅然决然地抛弃了MIPS架构,开始设计完全自主的新指令集。2021年4月,龙芯正式发布自主指令系统架构LoongArch,中文称“龙架构”。


在龙芯中科董事长胡伟武看来,不论是x86、ARM、RISC-V,还是龙芯此前采用的MISP,都是外国的指令集架构,特别是在美国对华贸易战、科技战背景之下,都存在着不可控的风险。尤其是对于自主可控要求更高的信创产业来说,如果采用基于国外指令集架构的CPU,将难以改变核心技术受制于人的局面。他曾谈到,“指令系统、基础工业(工艺材料和设备)是信息产业的两个最重要基石。基于国外指令系统的信息产业支撑不了中华民族伟大复兴。我们中国人也可以用国外的指令系统做产品,但是我们不能指望用国外的指令系统来做自己的生态。做跟班是可以的,想超越是不行的。我们需要克服奴才心态,做自己的指令系统。”

就在11月16日的信息技术自主创新高峰论坛上,胡伟武发表《龙架构软件生态建设》主题演讲。他谈到,今天龙芯CPU已经成为了自主性最强的国产芯片,而且经过20多年的自主研发,也已经完成CPU性能上的“补课”,龙芯3A5000在相同工艺下已经实现单核性能最高。在接下来的2-3年里,龙芯要把自主研发的优势转化为性价比和软件生态优势,在开放市场上与ARM、X86芯片展开性价比竞争,目标是在2025年基本建成LoongArch软件生态体系。

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本文作者2022-11-22 19:40
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