國產CPU：引進技術起步，自主研發前行

國產大飛機C919的成功商飛，證明我國已經擁有了設計制造大飛機的能力。繼高鐵、盾構機等多個領域后，我國再次證明技術后來者，通過在起步階段引進關鍵技術，吸收消化后，自主研發不斷發展前行，這條“引進吸收再創新”道路的可行性。

而這一模式也在國產CPU領域充分應用。目前國產CPU六大廠商中，其最關鍵的指令集技術均引進自國外企業，在引進技術基礎上開始了自主研發，并取得了不同程度的進展。這是利用后發優勢的舉措，也可望帶動國產CPU產業的快速發展。

國產CPU的“師夷長技”

計算機處理人類的指令，首先要把人的指令翻譯成計算機硬件能“聽懂“的二進制語言，而指令集，就是由CPU執行各項指令的集合，相當于計算機進行運算處理時，需要用到的最底層的“詞典”。有了這本詞典，CPU才能最終理解人類的操作，并執行人類的命令。因此指令集是CPU設計最底層的核心技術之一。

從零開始設計一門面向機器溝通的語言，其難度之大可想而知。而自研指令集的技術難度還在其次；最困難的在于，如何為自研指令集發育配套的生態。

因為指令集不僅僅用于計算及操作者與CPU的”對話“，也決定了CPU與計算機其他軟硬件”對話“，要使用何種語言。也就是說，想讓計算機能運行起來，不但需要CPU能運行這種指令集，也需要所有硬件和軟件都能兼容支持這種指令集。

因此，如果自研指令集想存活下來，需最廣泛的軟硬件開發廠商共同支持，完成對自研指令集的兼容適配。而當前市場上，服務器和個人電腦的主流指令集是x86，占到了90%以上的市場份額，移動設備則主要為ARM指令集壟斷。

要讓這么多設備都切換到另一種指令集上，就相當于讓世界上說英語的人和說漢語的人都不能再說英語和漢語了，而要說一種新設計出來的語言，這顯然是難于登天的。

可以說，指令集不僅僅是一種技術，更是一種通用的規范。x86指令集形成于個人電腦從無到有快速發展的歷史環境，ARM指令集形成于移動設備從無到有快速發展的時代變遷。沒有這樣一個開創時代的歷史機遇，我們很難構建屬于自己的且有市場生命力的指令集。

這意味著，國產CPU的發展，必然要建立在引進技術上。只有在先期引進已經形成一定生態規模的指令集，在此基礎上積累經驗，逐步形成自主技術，我們才有可能保持住跟隨步伐，并在下一個歷史機遇到來時，尋求超越的機會。

目前，龍芯引進MIPS指令集并在其基礎上開發LoongArch指令集，申威則是在Alpha指令集基礎上自研了SW-64指令集，海光從AMD獲得了x86指令集的永久授權，兆芯從臺灣Via也獲得x86指令集開發權，鯤鵬和飛騰拿到ARM v8授權。

所以，從本質上講，所有國產CPU的底層核心技術均來自引進?！皫熞拈L技”是當前國產CPU發展階段的必然。這將顯著提高我國CPU發展的速度，也是逐漸形成國產CPU自主技術應有的基礎。

把技術裝進自己的口袋

一直以來，公眾對引進技術的擔憂是陷入“造不如買”的境地，害怕技術沒吃透，市場也丟了，因而對國產CPU引進技術存在較多質疑。但國產CPU廠商也用實際行動證明了沒有止步于引進。對核心技術的消化吸收，并形成自主技術路線，一直是國產CPU的目標。

龍芯在引入MIPS指令集后，研發了LoongArch指令集。今年，龍芯基于LoongArch指令集，發布了新一代高性能CPU 3D5000。這是龍芯5000系列的最新成員，采用了芯粒（chiplet）技術，支持2路、4路CPU擴展，最多做到單服務器128核，浮點性能超過1萬億次，主要面向高性能計算領域。這也是龍芯技術研發路上的又一關鍵突破。

通過與AMD的合作獲得x86指令集永久授權的海光，也在Zen架構基礎上走出了自己的特色。在完成技術消化吸收的前提下，海光共獨立推出三代產品，海光三號在性能上比海光二號提升了40%左右，接近于Zen3產品水平。而且，海光還基于自己的市場策略走出了自己的技術路線。Zen架構的升級方向主要通過采用更先進的芯片工藝和提升單核性能，而海光處理器則是通過對微架構的創新升級，提升單核與多核性能并重。

這些成績，均是在2019年AMD不再向海光授權Zen2架構的前提下取得的。顯然，海光一開始就無意于跟隨AMD的腳步，而是基于自身對市場、用戶需求、數據安全應用等因素的綜合考量開發自己的產品。

比如，在數據安全方面，海光的CPU對存在于Intel CPU上的熔斷漏洞免疫，并能快速修復幽靈漏洞。熔斷漏洞和幽靈漏洞是Intel的CPU爆出的兩大著名漏洞，Intel用了4年時間還沒有完全修復幽靈漏洞。這也說明海光的技術已經走到了“基于x86，但不困于x86”的新階段。

而鯤鵬作為ARM指令集CPU的代表，在性能表現上也可圈可點。2019發布的鯤鵬920，作為業內首款7nm數據中心ARM處理器，專為大數據處理以及分布式存儲等應用而設計，最高集成64個物理核，主頻最高2.6GHz。

但與龍芯和海光在指令集層面的深入不同，鯤鵬的自主創新型，表現在性能提升以及圍繞華為生態的定制開發層面。在底層技術上，仍可能受到限制。目前，由于ARM公司已經表示不會向中國企業授權ARM v9指令集，這可能使得鯤鵬未來的發展遭遇瓶頸。這也從另一側面證明，引進技術之后，必須把技術裝進自己的口袋才是國產CPU的正確方向。

國產CPU發展關鍵，在形成生態

在技術上完成消化吸收再創新之后，國產CPU仍面臨建設生態的難題。而培育起配套的生態，才是國產CPU發展的關鍵。

這類似于中國高鐵，不但高鐵的生產建造技術已經達到世界先進水平，還要基于國產高鐵技術形成上下游供應鏈、城市交通規劃，這才能說中國高鐵已經崛起。應該說，建設國產CPU自己的生態，是在完成技術消化吸收后，更為關鍵也更加困難的課題。

目前，龍芯正在為建設生態加大投入力度。由于LoongArch指令集與主流指令集不兼容，需要軟硬件廠商圍繞LoongArch指令集，編譯適配成龍芯能“聽懂”的產品。對此，龍芯獨立完成了從系統架構到中間件到上層應用的全部工作，以降低合作者的開發難度；并針對性地優化必要的應用，降低用戶的使用難度。同時，龍芯計劃推出LoongArch到x86和ARM指令集的轉譯器，從而兼容x86和ARM的生態。

使用x86指令集的海光，生態建設上則相對從容，走的最為順暢。海光可以利用x86 CPU多年來已經形成的軟硬件生態，兼容已有的WinTel生態，從而極大地降低了國產化替代過程中的遷移成本，并獲得廣泛的軟硬件生態支持，為用戶帶來較為開放的選擇權。

在2020年，海光還成立了海光產業生態合作組織（簡稱光合組織），聯合產業鏈上下游企業、高校、科研院所、行業企業等相關組織，共同開發海光CPU產品的軟硬件配套和解決方案。

目前，光合組織已有3000余家成員單位，完成5000多款軟件優化，還聯合伙伴推出10000多個聯合解決方案。這一開放的合作，將可望形成像WinTel聯盟一樣的技術生態，推動海光CPU商業生態的可持續發展。

國產CPU比國產大飛機更難的是，不僅要在技術上達到世界水準，還要建立起屬于自己的生態體系。我們也要正視，在國產CPU領域與國外巨頭還存在差距。因而以引進技術起步，既能直接抬高我們的起點，又避免了重新發明輪子的資源浪費。把注意力集中在吸收技術，創新發展，建設生態上，這才是國產CPU以后來者追趕領導者應有的務實姿態。