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国内CPU在技术、性能等方面仍需创新和追赶，三条路线都有各自要补的课，也因为面对的商业环境与国际市场不尽相同，不同技术路线的产品，以及由此发展起来的生态体系，完全可能应用于不同的领域，从而呈现出不同技术路线并存的局面。对于用户来说，国产CPU指令集不是一个选择题，而是基于业务和成本，在长期路线上的最合理规划。 面向未来，国产CPU厂商仍需潜心修炼、埋头赶路，在补短板、锻长版中实现长足发展。
指令集是计算机运行指令的集合，是一本计算机运行的“词典”，也是CPU底层的核心技术之一。由于历史原因，我国在信息技术领域长期处于跟随地位，国外指令集技术的先发优势和技术沉淀，使国产CPU厂商很难在指令集层面上获得突破，只好通过授权引进再开发的方式，研发自己的CPU。于是，授权引进哪一种指令集，就成了国产CPU不同的发展方向。目前，海光和兆芯采用主流的x86指令集，华为鲲鹏和飞腾基于ARM指令集开发，龙芯和申威则是走“授权+自研”指令集的路线。底层技术的差异，决定了各厂商不同的发展方向，也形成了不同的商业版图和创新路线。盘点三条不同的指令集路线，就是在预见国产CPU发展上潜力和挑战。01 指令集的背后计算机硬件只能识别和处理由一串二进制数码组成的机器语言，而人操作计算机使用的是人类语言，这就需要经过计算机软件和操作系统的“翻译”，形成由计算机能理解的指令，并由CPU和其他硬件处理这些指令。指令集，就是由CPU执行各项指令的集合。指令集相当于计算机进行运算处理时，需要用到的最底层的“词典”。有了这本词典，CPU才能最终理解人类的操作，并执行人类的命令。然而，尽管计算机的结构都是一样的，最终都要运行二进制代码，但指令集却并非只有一种。这就如同人类世界中有多种不同语言。也正如不同人类语言会造成沟通效率上的差异一样，不同的指令集也会影响计算机的运行速度、功耗等性能表现。而且，不同的指令集意味着最底层的“词典”不一样，对应的软硬件系统就要使用不同的“语言”。这就像一个团队中所有人都说英语，那么不能听说英语的人就无法沟通一样。所以，围绕不同的指令集，必须有说同一种”语言”的硬件和软件系统，才能操作计算机，也就是说，不同的指令集必将衍生出不同的软硬件配套。语言是有垄断性的，一种语言越流行，则说这种语言的人也就越多。指令集也是一样，一种指令集越流行，围绕这种指令集进行配套开发的计算机软硬件企业就越多，进而使这种指令集应用更加广泛。目前全球CPU市场上，x86指令集占据领先地位，市场份额超过90%，就是因为x86指令集软硬件生态早已建立，其他指令集已经很难取代x86指令集的统治地位。指令集不仅仅是一项独立的技术，更是一种技术生态和商业生态。这是国产CPU不得不引进指令，而无法完全独立开发指令集的关键原因之一。目前，x86指令集在PC和服务器CPU上占据垄断地位，ARM指令集在移动设备上有优势。这就相当于，目前最大的两个市场上的参与者，都不说汉语，那么不管我们有多么不情愿，都只能去学习对方的语言，才有机会进入这个市场。目前，在国产CPU厂商中海光和兆芯采用主流的x86指令集，华为鲲鹏和飞腾基于ARM指令集开发，龙芯则是先引进了MIPS，后自主研发出了LoongArch指令集，申威也一样，在引进Alpha指令集后，开发SW-64指令集。也因此，六家厂商将基于四条指令集，走出不同的发展之路。02 x86指令集：性能、商业生态双轮驱动无论在服务器市场还是PC市场，x86处理器是绝对的主流。Counterpoint Research的调研数据显示，2022年全球服务器市场上，x86指令集仍然是服务器CPU市场的主导，占到了91%左右。而根据IDC数据，2021年，国内x86服务器出货量为382.0万台，在国内服务器市场中的占比高达 97.7%。因此，x86指令集已经完全建立起了其软硬件生态，应用广泛，有较强的兼容性，商业回报也最为丰厚，从而能够投入更多的研发资源，进一步提升CPU的性能，进而带动商业生态继续扩大。目前，x86指令集的知识产权掌握在Intel和AMD手中。对走x86架构路线的企业而言，最大的挑战在于对优势技术的消化吸收和创新，逐渐缩小与国际水平的差距。在国产CPU厂商中，海光通过与AMD的交叉许可授权，获得基于x86指令集做自主开发的权力，兆芯则通过台湾威盛也获得x86指令集开发权。能够基于x86指令集开发CPU产品，意味着海光兼容度更高，这能极大地降低了国产化替代过程中的迁移成本，并获得广泛的软硬件生态支持，从而打开规模庞大的市场空间。而真正把机会变成现实的是海光在研发上的投入。2019年度至2021年度，海光累计研发投入为35.39亿元，占营业收入比例高达到95.35%。这让海光能够在消化AMD的Zen架构之后，形成自己对技术的认知，并进而三年推出三代产品。据评测对比，海光三号在性能上比海光二号提升了40%左右，接近于Zen3产品水平，而且，海光二号之后的迭代，主要通过对微架构的设计创新和芯片架构升级，提升单核与多核性能并重，这表明海光已经与AMD走上不同的技术路线。目前，海光的CPU广泛应用于电信、金融、互联网、教育、交通等重要行业。根据海光2022年财报显示，2022年营业收入增长121.83%，净利润增长145.65%。03 ARM指令集：快速崛起、高歌猛进与x86指令集掌握在两家企业手中不同，ARM指令集是一种可以开放授权给任何一家CPU厂商的指令集。这是因为ARM指令集的创造者，英国Advanced RISC Machines（缩写为ARM）公司是一家CPU架构设计公司。ARM公司将设计好的指令集和架构授权给CPU开发企业收取授权费用，但自身不直接参与CPU的开发和生产。ARM指令集像手机的Android操作系统一样开放，获得授权的CPU厂商都可以基于ARM指令集设计自己需要的CPU。而且，Arm 架构 CPU 始于低功耗、计算量小的移动端场景，在移动端、IoT 等领域占据着压倒性的市场及技术优势。随着人工智能等技术的发展，数据价值提升了边缘计算的重要性，端边云协同发展、架构统一为趋势，为 Arm 架构朝云端、PC 端生态发展带来机会。从硬件层面来看，Arm 的可扩展性能让产品线实现统一。从软件层面看，基于 Arm 的共同架构可以方便开发者面向整个生态进行开发。但需注意业界提到的Arm架构服务器端生态不足的问题。
而对于信创而言，使用 Arm 架构也可以做到自主可控：Arm 公司是一家知识产权（IP）供应商，通过转让设计方案的方式由合作伙伴生产出各自的定制化芯片。其中某一版本的架构层级授权通常是永久性的。因此，ARM指令集就成了国产CPU厂商一条新的选择，华为鲲鹏和飞腾均获得ARM v8指令集永久授权，这意味着它们可以在原指令集上继续发展，构建相关驱动，为 Linux 内核共享源代码，甚至在此基础上发展出自己的生态。
目前，飞腾、华为等公司已经掌握了 Arm64 处理器核、微架构及芯片设计相关技术，并发布了一系列基于 Arm 架构的 PC、服务器产品。最有代表性的是2019发布的鲲鹏920，作为7nm数据中心ARM处理器，专为大数据处理以及分布式存储等应用而设计，在非x86指令集产品中算力有明显优势。而飞腾则建立了PKS体系，用飞腾CPU（Phytium）和麒麟操作系统（Kylin）和S-Security”的立体防护安全链，安全性较有保障。
04 授权+自研指令集：自主研发、前路可期 与X86和ARM指令集不同，龙芯在获得MIPS指令集授权后，自主研发出LoongArch指令集，申威则是在Alpha指令集基础上自研SW-64指令集。“授权+自研”的指令集路线拥有较强的自主性和可靠性，实现了指令系统层面的独立创新，将底层技术牢牢地掌握在了自己手中。但这也意味着，龙芯和申威都要生态上下苦工。在没有前人领路，只能“自学”的情况下，龙芯在2021年正式推出自主指令系统架构LoongArch。目前，在性能方面，龙芯最新一代服务器处理器3D5000的SPEC 2006分数超过425，浮点部分采用了双256bit向量单元，双精度浮点性能可达1TFLOPS（（1万亿次），是典型ARM核心性能的4倍。面对“授权+自研”指令集路线较难形成软件应用齐全、硬件适配广泛的生态，龙芯中科研发自主应用框架，解决软件适配及兼容性问题，弥补早期应用生态的不足。LoongArch 主要借助二进制翻译 运行 X86、ARM 等指令系统上的二进制应用，实现跨指令系统的应用兼容，开发了从 X86 到 LoongArch 的翻译系统 LATX以及从 ARM 到 LoongArch的翻译系统 LATA，目前，在龙芯平台上可运行 EDA 工具、腾讯、QQ、PhotoShop 等 X86 应用，其信息化合作伙伴达到上千家，相关软硬件开发人员数万人，已经形成强大的产业链与生态支撑能力。龙芯中科董事长胡伟武表示，当前，龙芯已经开启了生态建设的新征程，构建与Wintel体系和AA体系“三足鼎立”的自主信息体系新格局。“十四五”期间，龙芯将努力完成“三个转变”，包括从技术“补课”到生态建设，从政策性市场到开放市场，从跟随发展到自主发展！总结综合来看，以海光代表的x86指令集路线，在性能和商业市场前景广阔；以鲲鹏和飞腾代表的ARM路线凭借丰富的生态资源，有望迎来新一轮快速增长；而以龙芯和申威为代表的“授权+自研”路线，则在安全性、自主性上占据优势，随着性能的不断提升、生态日渐繁荣，自研指令集路线将在商业市场占据一席之地。目前，国内CPU在技术、性能等方面仍需创新和追赶，三条路线都有各自要补的课，也因为面对的商业环境与国际市场不尽相同，不同技术路线的产品，以及由此发展起来的生态体系，完全可能应用于不同的领域，从而呈现出不同技术路线并存的局面。对于用户来说，国产CPU指令集不是一个选择题，而是基于业务和成本，在长期路线上的最合理规划。
面向未来，国产CPU厂商仍需潜心修炼、埋头赶路，在补短板、锻长版中实现长足发展。
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参考资料：
1.盘点 | 2022年六大国产CPU发展的怎么样了？ https://mp.weixin.qq.com/s/buMZleyhOJ5j3Bza0BXH1A 2.国产CPU：少点路线之争，多点埋头赶路 https://mp.weixin.qq.com/s/QnZ9gWFknBOWxTuGyAb6ZA 3.https://mp.weixin.qq.com/s/i3QVQjZmr8lSV2-8ZpUgSQ |
