缺芯少魂:加速過去式

圖片來源@視覺中國

文 | 劉曠

每次談及卡脖子問題,缺芯少魂(作業系統)總是繞不開的話題。近年來隨著國家逐步加大對國產晶片和作業系統的研發支援力度,一批具備實力的晶片廠商正在加速崛起並開始嶄露頭角。

比如,在晶片指令集架構方面,龍芯推出的Loong Arch指令集,已經具備完全自主、技術先進、相容生態三方面的特點。除了完全自主架構之外,X86、ARM、RSIC等架構也作為備選被納入了選擇範圍之內;在資本支援方面,科創板、創業板紛紛向相關的公司敞開了大門,基於國產架構的龍芯以及基於X86架構的海光(上市首日暴漲66%),都創造了上市之後市值暴漲的記錄。而在一眾“小巨人”市值暴漲的背後,是資本市場對國產化替代前景的日漸認可。

國產化CPU加速起跑

國產化CPU加速起跑

計算系統中所有的軟體層操作,最終都將透過指令集對映為CPU的操作。從用途上來分,可以將CPU劃分為桌面(桌上型電腦、膝上型電腦)、伺服器、移動端CPU(手機、平板、手錶等)和嵌入式CPU(汽車電子、工業控制與自動化、智慧電網)等領域,應用極其廣泛。正因為CPU本身的用途廣泛,因此我國在推動CPU國產化方面做了全方位的佈局。

CPU是中央處理器的簡稱,是對計算機的所有硬體資源進行控制調配、執行通用運算的核心硬體單元。

據目前公開的資料顯示,目前國內共有6家國產的CPU廠商,即龍芯、申威、飛騰、鯤鵬、海光和兆芯。根據各個廠商模式特點不同,可以將其分為三類,第一類是龍芯和申威,二者原先都是因為海外授權方停止授權,紛紛切換到了自研指令集,因此無海外授權糾紛風險;第二類是飛鵬和鯤鵬,擁有ARM架構永久授權;第三類是海光和兆芯,與海外成立合資公司獲得X86技術授權。

不難看出,在現有的CPU廠商中,國產廠商已經擁有了覆蓋海外架構、自研架構等豐富架構的完整CPU生態。由於各家CPU生態構建有所差異,因此其指向方向也不同,因而具備很強的互補性。

比如,依託X86架構的海光和兆芯擁有最強生態,能夠相容目前存在的數百萬款基於X86指令集的系統軟體和應用軟體;鯤鵬和龍芯基於ARM架構在移動端一家獨大,並逐步向桌面端和伺服器端延伸,生態建設較為繁榮;龍芯和申威從MIPS和Alpha 轉向自主指令集,逐漸構建起自主生態。在市場格局方面,龍芯和飛騰分別在政府信創市場中佔據了大部分市場份額;PC端則以X86架構的兆芯為主;伺服器端目前只有海光和鯤鵬可以滿足市場需求。總之,各類不同主體主導細分市場的格局,共同構建了完整系統的國產產業生態。

一是結合不同架構、不同生態,推出面向不同市場的CPU架構。

以鯤鵬計算產業為例,目前這個產業鏈已經集合了包括華為、ARM中國等在內的重要行業巨頭,整個產業鏈基於鯤鵬處理器構建的全棧IT基礎設施、行業應用及服務,已經形成了包括PC、伺服器、儲存、作業系統、中介軟體、虛擬化、資料庫、雲服務、行業應用以及諮詢管理服務等在內的完整產業鏈,並與華為已有的包括 openEuler、openGuass、TaiShan 伺服器內在的自主化軟硬體體系結合。

目前相關的產業生態進展順利,部分領域還取得了超出預期的效果。據悉,目前鯤鵬應用認證夥伴超過了3500家,認證方案超過了10000個,華為鯤鵬硬體足以支援運營商超過80%的虛擬化場景應用。商業化方面,已經上市的海光、龍芯等廠商,均已經有了相當好的盈利表現,相信隨著未來場景化的拓展和其在相關市場市佔率的進一步提升,相關廠商的表現還會有進一步的表現。

二是商業化基礎不斷夯實、協作夥伴加速形成。

不過,目前以飛騰為首的ARM處理器企業也面臨著生態不夠完善的問題,一些基於X86設計的軟體同樣面臨著適配和效能提升的問題。因此,放在當下來說,提升效能和補齊生態仍是當務之急。

強效能和補生態一起抓

以智慧手機為例,此前別家的手機品牌基本上都是1。5G、2。0G,蘋果的iphone始終還是800M,但用起來卻一點都不卡。究其根本,主要在於蘋果將軟硬體結合起來一起最佳化,從而極大地彌補了單品的效能差距,這種方法或許對於國產CPU的替代也發揮了不小的啟發作用。以飛騰為例,飛騰及母公司中國長城都屬於中國電子科技集團旗下,而在該集團之內從晶片、作業系統、整機、資料庫、應用幾乎一應俱全,在集團之內即可完成內部最佳化。

強效能和補生態一起抓

以最近晶片領域大熱的 Chiplet來說,它可以把一些預先生產好的實現特定功能的晶片裸片,透過先進的整合技術,封裝成一個系統晶片。

按照AMD在EPYC釋出會上的說法,在之後的幾年內,AMD將透過只迭代某個die的方式來加速產品迭代以打破摩爾定律的限制,而且依託 Chiplet可以在單顆晶片上整合更多的功能,從而大幅度地減少晶片對先進工藝本身的依賴。

一是持續強化晶片效能。

以完全自研的龍芯Loong Arch指令集架構來說,由於手機端要求比PC端高很多,所以其暫時還不能應用到手機上;另外,就是純自研的龍芯在使用時需要進行二進位制的再次編譯,這是使用X86等成熟架構時所沒有的問題。

另外,緊隨先進技術加速產品迭代,也能夠對國產CPU效能提升帶來更多可能。

,比如華為正在自研的全新程式語言—倉頡以及鴻蒙系統,或許會成為相關國產替代方案的關鍵力量。總的來看,現階段國產CPU的發展,持續強效能和補生態短板仍是當務之急。

二是持續補齊生態短板。

除了強效能和補生態之外,把握好行業的趨勢,也是一眾新型架構廠商們突圍必不可少的要件。

不過,目前針對性的解決方案也在陸續出現

比如,IBM與微軟形成的Wintel聯盟,如今已經成為了PC市場絕無僅有的市場存在,但在兩者合作早期微軟並沒有打算唯一接入地只支援Intel。當時的微軟實際上有兩條業務線,一條專用支援X86架構,另一條則考慮了作業系統的可移植性,支援RISC架構的計算機。但由於後者在PC端的市場份額不及前者,所以微軟後來放棄了與RISC的合作,轉而全力支援X86架構,這也使其成為了個人電腦的標準化平臺,併成為了有史以來市場上最成功的CPU架構。

不可或缺的突圍要件

而效能和功耗優勢更足的ARM架構則日漸崛起,藉著移動智慧裝置的大規模發展逐漸顯示出咄咄逼人的態勢,其覆蓋的領域不僅涉及移動端裝置、嵌入式裝置,還逐漸拓展到了伺服器、筆記本等x86傳統優勢領域,發展勢頭如日中天,在移動市場更是佔有了高達90%的市場份額,成為該領域無可匹敵的“王者”,這與從前相比可謂是大相徑庭。

不可或缺的突圍要件

因此,此後ARM一邊加強了生態建設,另一邊積極發揮自身的效能和低功耗優勢佈局加速崛起的移動、雲服務等新興市場,這才有瞭如今強勢追趕X86的大好局面。

從X86到ARM的事例不難看出,一個新興趨勢對於一個新興架構廠商的重要性。回過頭來說,對於期望趕超歐美的國產架構廠商而言,現在正在興起的物聯網、5G等新興趨勢,無疑正是國產架構廠商突出重圍的關鍵外部支撐力量。

首先,從晶片架構發展的歷史來看,一旦新型架構被認為是最適配的架構,就有可能成為市場中佔據統治地位的最大甚至是唯一供應商。

隨著移動時代的到來,X86架構開始受限於AMD和英特爾複雜指令集的影響,低效能與高功耗的弊病日益凸顯。

說起國產替代,上世紀90年代國內就有了相關的聲音和實踐,但由於受資訊科技產業基礎薄弱,國內科技體制不健全,市場化參與度低等諸多因素影響,上一次國產替代並沒有達到預期目標。

但今時不同往日,以上影響要素在當前的國內已經在全面發生轉變。

實際上,很早之前ARM就曾想過要在伺服器、PC市場與X86一決雌雄,但由於自身軟體短板尚未完全彌補、生態尚有缺陷,加上X86在PC端市場已經一統天下,與之直接爭奪對於一個新興的架構而言非常之難。

在此背景下,國產廠商有了比以往任何時候都更加充分的條件來推進國產化替代。

其次,從現實條件來說,當下國產系統替代具備了比十幾年前更為優厚、充分的外部條件和產業基礎,趨勢和力量站在我們一邊。

值得注意的是,除了大力推動技術發展迭代和創新之外,更為重要的是將國產化替代納入到市場化運營的框架之內,而在這一點上我們是有歷史教訓的。

在2001年之前,中國在積體電路方面已經探索多年,但國產軟硬體一直用於特定領域,比如計算原子彈爆炸的103專用計算機,但這些都離真正的市場化太遙遠了。面臨英特爾和微軟的包圍,國產晶片在純市場化條件下很難有一戰之力。意識到了市場化的重要性之後,國家開始組織人員開啟新一輪的市場化探索,這次的焦點是面向市場的通用處理器。2001年,由倪光南院士領導研發成功的方舟一號橫空出世,一度在國內引起廣泛轟動,但其卻因為後續推廣不及預期而以失敗而告終,讓無數期待國產化替代的行業內外人士不勝噓唏。

除了外部物聯網、5G等大趨勢之外,國產替代、科技自主等國家級的大趨勢,也為國內的架構創新和替代創造了歷史性機遇。

如前文所述,除了Wintel聯盟已經構建的聯盟體系不可撼動之外,新的趨勢尚未到來、產業基礎不牢等方方面面的掣肘,都是造成這個中國人心心念唸的“造芯行動”中道夭折的外部誘因,但迴歸到市場環境上來看這種“失敗”還有另一種解釋。

一是如今中國的資訊化產業覆蓋到了方方面面,科技產品市場化意識日益增強,這為國產系統進入市場創造了良好的外部環境;二是國家處於深度轉型期,科技轉型的呼聲比以往要更加強烈,科技破局不只是發展問題更是生存問題,動力比十幾年前更足;三是相比前些年,如今中國國內“卡脖子”的技術短板仍然存在,但相比從前已經大為改善,發展新興架構和技術的人力、物力、產業基礎都更勝以往。

縱觀軟硬體協同體系的演進史不難發現,從最早的IBM+DOS一統江湖,到Wintel聯盟抓住圖形化個人電腦崛起,再到移動時代ARM制霸移動市場,這其中的後來者都曾有過與“前輩”交鋒的記錄,但都是後來抓住新的機會才實現真正突圍的,而這個過程是自然發生的。

其實,這些軟硬體體系在設計之初,比國內的軟硬體生態體系缺點更多、效能更差。但是勝在有體系的配合,平臺能夠根據使用者實際需求和應用場景有的放矢,使用者在解決問題的過程中將成果反饋到生態之中使已有體系獲得迭代成長,廠商與使用者之間在解決問題過程中形成的信任,推動體系不斷變強。但方舟一號作為後來者,無法再用相同的方式“慢慢變強”,因為使用者已經體驗到了“最好的系統體驗”,再次遷移的成本太高,這也是方舟一號雖然曾經有過北京市政府採購幾萬臺的記錄,卻終究未能改變其“失敗命運”的原因所在。

市場化或成未來破局關鍵

如前文所述,跟隨者很難完成對已有領先者的“完全超越”,那既然如此何不“換道超車”呢?站在當下的時點來看,如今國內物聯網生態已經漸成規模,應用廠商配套服務商眾多,市場化、商業化條件逐漸成熟。因此,接下來的核心關鍵在於國內架構廠商要發揮核心推動作用,帶領整個協作體系夥伴一起推動物聯網生態的體系化配套演進,從而為高水平的生態建設開闢道路。

市場化或成未來破局關鍵

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