近年來,在核高基項目補貼和國家級集成電路產業投資基金的扶持下,國內從事高性能CPU設計的單位或公司數量也不斷壯大,這當中有像龍芯、飛騰、申威這樣擁有深厚技術底蘊的老牌IC設計單位,也有像宏芯、兆芯這樣新秀;既有展訊這樣的國有控股公司,也有海思這樣的非國有制企業。
有人評價這是“百家爭鳴、百花齊放”,也有人評價這是“重復建設、互相傾軋”。
事實上,在眼花繚亂的設計單位和公司中,根據自主可控程度高低和市場化運營的難易,可以分為三種難度模式:
一種走獨立自主路線,構建自己技術體系的Hard模式,其代表是龍芯、申威;
另一種是自己設計微結構,保障芯片安全可控,但依附于Wintel或AA體系,兼容其軟件生態的Normal模式,其代表是飛騰、君正、眾志;
最后一種是和大陸外廠商合作、合資,或者在軟件和硬件方面完全依附于AA體系的Simple模式,前者的代表是兆芯、宏芯,后者的代表是海思、展訊。
下面,我們就從三種難度模式的發展路線盤點國產CPU的技術路線和市場前景。
一、Hard模式發展路線
獨立自主發展路線顧名思義在知識產權、發展路線選擇權方面是完全由自己說了算,走自主路線有以下幾個特點:
一是擁有自主發展權。
擁有自己的指令集,可以自主擴展指令集,在發展方向上可以自主選擇。例如龍芯就在獲得Mips永久授權的同時,自行擴展了148條loongEXT、5條loongVM指令、213條loongBT、1014條loongSIMD,將Mips原本的527條指令,擴展為1907條,發展成為龍芯自己的loongISA,申威對Alpha的指令集也進行了很大程度的擴展。
二是安全可控。
自主構建技術體系,可以實現從軟件和硬件上同時實現安全可控。例如,龍芯正在以“loongISA+LCC+GS464E等自主研發的微結構+社區操作系統loongnix+軟件生態+產業聯盟”為基礎,力爭打造自己的體系,由于軟件和硬件皆自己搭建,因而安全性較高。申威也在積極構建自己的軟硬件體系,開發了自己的神威睿智編譯器,研發了基于Linux的神威睿思操作系統,加上超算領域不像PC領域那樣存在軟件生態的掣肘,申威構建自主技術體系的道路可謂一片坦途——于2012年9月投入使用的神威藍光超算使用了8704片申威1600,搭載神威睿思操作系統,實現了軟件和硬件全部國產化。
(龍芯GS464E流水線示意圖)
三是利潤全部在國內。
舉例來說,龍芯構建了一個涵蓋兩三百家企業,上萬名技術人員的產業聯盟。因為擁有自主知識產權,可以實現所有利潤都留在龍芯構建的產業聯盟內,國外廠商除非加入龍芯的產業聯盟,給龍芯當馬仔,否則無法分走一分一毫利潤。申威因專注超算領域,產業聯盟比較封閉,目前除神威超算的液冷系統從國外采購外,其余大多實現國產化。
Hard模式之下也有兩個不利因素:
一是技術門檻高,產業化難度大。
設計單位要獨立完成指令集擴展、微結構設計、編譯器研發、軟件生態搭建等工作,還要吸引足夠多、足夠強的合作伙伴加盟,建立產業聯盟。
二是不利于市場化運營。
目前,PC領域是Wintel體系的天下,而移動端芯片是AA體系的天下,服務器方面中低端市場基本被X86芯片占領,而高端服務器則是IBM的傳統市場。構建自己的體系必然無法兼容國外Wintel體系和AA體系,不利于市場化運營。
二、Normal模式發展路線
Normal模式發展路線是指設計單位購買國外指令集授權,自主設計微結構,但依附于Wintel或AA體系,兼容其軟件生態的發展路線。典型代表:飛騰(ARM)、君正、眾志。
Normal模式有以下兩個特點:
一是購買國外指令集授權。
舉例來說,飛騰購買了ARM V8指令集授權,君正購買了MIPS授權,北大眾志則獲得了X86授權(龍芯課題組成立后,AMD主動找上門給的。至于其中的原因,你懂得)。
(國防科大設計的兼容ARM V8指令的“小米”)
二是自主設計微結構和CPU,從硬件上來保障硬件安全可控。
舉例來說,飛騰設計了“小米”,并有“火星”和“地球”兩款產品;君正設計了XBurst0、XBurst1 、XBurst2,并有Z系列、X系列、M系列三條產品線;北大眾志自主設計了UniCore-1、UniCore-2,以及眾志-805、PKUnity-3-130 、PKUnity-3(65)、 PKUnity86-2、PKUnity86-3等CPU或SOC,其中PKUnity86-3具有非常高的集成度,實現將CPU、GPU、DSP,北橋與南橋芯片組集成為單一芯片,最大程度地規避了大批量整機生產中的國外配套芯片斷貨和停產風險。
三是能兼容國外Wintel體系、AA體系的軟件生態。
舉例來說,“火星”和“地球”能流暢運行安卓及其應用程序;君正則是因為大量應用軟件都是針對ARM寫的,導致君正無法運行這些應用軟件,針對這個問題,君正正在開發的MC轉碼,能在部分程度上改善兼容性的問題。另外,君正的智能手表inWatch T搭載了TencentOS;北大眾志則是能完全兼容Window98、WindowXP、Window7等操作系統。
(君正用于智能手表inWatch T的Ingenic Newton2 - 可穿戴設備開源開發平臺)
雖然Normal模式下,設計單位無法自主擴展指令集,技術發展只能按照外商劃定的路線圖亦步亦趨,無法自主選擇發展方向。而且無論是授權到期還是指令集更新,都要再次購買指令集授權,始終是受制于人,淪為高級打工仔。
但在沒有自己的體系可以依托或沒有資本和技術自建體系的情況下,依附于國外體系,是獨立自主發展向市場化運營妥協的無奈選擇。
利弊相伴、禍福相依。Normal模式也能帶來以下優勢:
一是研發的技術門檻、時間成本和資金成本大幅降低。
例如飛騰和君正就不需要自己擴展指令集,不需要開發自己的編譯器,更不需要構建軟件生態和產業聯盟,只需要設計“小米”、XBurst和UniCore-2等微結構以及“火星”、M150、M200、X1000、PKUnity86-3即可。
(君正用于物聯網的M150)
二是有利于市場化運營。
在依附于國外體系后,可以兼容其已經發展得很成熟且豐富的軟件生態,不會遭遇Hard模式下的軟件生態瓶頸。這對于飛騰、君正和眾志市場化運營來說是一大利好。
三、Simple模式發展路線
Simple模式有兩種情況:
一種是和大陸外廠商合作、合資;
另一種是軟件和硬件方面完全依附于AA體系。
前者的代表是兆芯、宏芯,后者的代表是海思、展訊。
對于像兆芯、宏芯這樣和國外廠商合資或者合作的企業來說,優勢是顯而易見的,大樹底下好乘涼——兆芯可以得到Wintel體系的庇護,而宏芯能夠得到IBM的技術支持。當然,代價同樣巨大。從此往后,兆芯淪為Wintel體系的馬仔,宏芯也被IBM綁在了OPENPOWER的戰車上,永遠的失去了像龍芯、申威那樣自主發展的可能性。
而且,在引進技術中,往往有這樣一個過程,先貼牌,后仿制,再修改原始設計,最后在將引進的技術融會貫通后自主創新。因此,宏芯今年發布的CP1,其實就是IBM的Power8的馬甲,兆芯目前唯一一款桌面芯片ZX-A就是VIA Nano的馬甲。
按照兆芯和宏芯公布的PPT,要走完貼牌、仿制、修改、自主創新這個過程基本要到2018年左右的ZX-E和CP3。在此之前的產品,基本上談不上自主知識產權,就更談不上安全可控。
另外,對兆芯和宏芯來說,還存在另一些風險:
對于宏芯而言,IBM對宏芯的技術扶持是受限制的!POWER 8最有價值的浮點運算方面的技術是不對宏芯開放的。另外,IBM將技術轉讓給宏芯的意圖是扶持一個打工仔,做四核或八核處理器去和Intel搶市場。
如果宏芯想用IBM的技術自己設計微結構,做高端服務器的CPU和IBM競爭,那么宏芯將無法得到IBM的技術支持。
對于兆芯而言,風險就更大。
臺灣VIA的X86專利來自收購的Cyrix公司,雖然獲得了部分X86專利的使用權,但VIA在技術積累方面缺乏底蘊,在遭受Intel專利大棒的襲擊下,VIA的X86芯片銷聲匿跡。
雖然在英特爾與美國聯邦貿易委員會(FTC)達成協議后,英特爾需向威盛提供x86授權協議延長至2018年4月——在2018年4月前,VIA與Intel將可相互使用對方的專利,但2018年4月之后,VIA就不能再使用Intel的新專利(舊專利能繼續使用)。
那么,到了2018年后,兆芯若不用Intel的新專利技術,那么很有可能在性能方面被Intel越拉越遠,若是使用Intel的新專利,那么就很有可能被Intel專利大棒打的半身不遂,重蹈VIA當年的悲劇。
另外,兆芯技術起點很低。Cyrix公司早在2000年就有大批技術骨干人才流失,VIA的X86芯片在09年左右技術發展就基本停滯了,VIA官網上更是萬年不更新,目前最好的產品是VIA Nano,但其性能實在是慘目忍睹,不要說和Intel的haswel比較,就是和龍芯GS464E相比都有很大的差距。
(圖表為1G主頻下SPEC2000測試分數,各款CPU的編譯環境未說明,僅供參考)
不過VIA最新的 QuadCore E C4650有一定進步,在制程工藝和主頻方面比Nano有一定提升,但根據官網資料,微結構依舊是以賽亞的小改版本,單線程能力還是相對較弱。
另外,不知道VIA是否將QuadCore E C4650轉移給兆芯, QuadCore E C4650是否就是兆芯的ZX-C。
對于像海思、展訊這樣的公司來說
依附于AA體系下,有利于商業運營,能賺快錢,但在購買ARM微結構,集成自己的SOC的過程中,ARM微結構授權費和每生產一枚芯片的專利費猶如ARM稅在吸血,榨取了IC設計公司的利潤。
海思和展訊的日子過得蠻滋潤,原因在于海思是華為子公司,麒麟芯片自產自銷不愁賣,定價上不受市場影響,華為內部說了算,而且華為產品的高溢價可以為海思留出充足的利潤空間。
展訊在被紫光收購后,Intel又以15億美元入股展訊獲得2成股權,另外國家集成電路大基金給予紫光400億資金。在紫光和Intel的輸血下,展訊自然是能夠縱橫捭闔。而那些不能“拼爹”,或者雖然有個爹,但爹不是李剛的ARM陣營廠商,比如聯芯、炬力、新岸線、全志、瑞芯微等就沒這么幸運了。
另外,因為大家都是購買ARM的微結構,帶來了產品高度同質化、缺乏核心技術、利潤普遍偏低、市場競爭激烈、生存壓力大、產品存在安全風險等問題。
四、選擇一個發展方向,集中攻堅是否可行?
目前,如果算上被飛騰終止開發的SPARC,在國內可謂集齊了X86、ARM、MIPS、Alhpa、POWER、SPARC六大陣營,而且還各搞一套軟件生態和產業聯盟,說是重復建設、互相傾軋也不無道理。
那么,國家是否能夠出面協調,選擇1-2個主攻方向,實現集中力量,重點攻堅嗎?
難!
除了部門利益難以調和外,彼此之間發展路線的不認同也是重要因素——在龍芯、申威看來,選擇Normal模式、Simple模式,永遠受制于人,無法形成自己的軟件生態,也無法自主選擇發展方向,永遠不能實現獨立自主。
對于龍芯和申威來說,一個擁有國內最強微結構,另一個擁有國內最好的高性能眾核CPU,經過十多年的技術積累,龍芯和申威已經有了自己的指令集、編譯器,和頗具雛形的軟件生態與產業聯盟,要他們放棄現有的技術積累,轉投X86、ARM陣營顯然是不可能的。
而在兆芯、海思等看來,選擇Hard模式不僅技術門檻高,市場化運營更是難以上青天,是土八路斗美械師,自尋死路。在可以依附于Wintel體系和AA體系的大樹下乘涼之時,根本不可能選擇Hard模式。
另外,Hard模式成功了固然好,無論是信息安全方面還是商業利益上都是無與倫比的,但風險異常巨大,失敗了就是血本無歸。而Normal模式、Simple模式雖然在信息安全還是商業利益方面的收益不能和Hard模式比,但風險較低,是在國內半導體產業總體落后西方的情況下,向現實妥協后的無奈選擇。
因此,國家決策層想必也是難以抉擇,于是來個“八仙過海各顯神通”,把能走的路都走一遍,總有個把能成。但以中國在IC設計方面的人才積累和資金投入,我們真的有這個資本和時間去揮霍么?
五、為什么國家對各家IC設計公司扶持差異巨大
盤點各家公司獲得國家資金扶持情況:
2014年紫光(控股展訊)獲得國家集成電路大基金400億元人民幣。
宏芯成立時獲6億注冊資本,從2014年成立至今,獲得補助不少于20億元人民幣。
兆芯成立時上海市政府出資12億元,從2013年成立至今,獲得補助不少于70億元人民幣。
龍芯自2001年成立以來,從國家863計劃、核高基專項中累計獲得項目經費5億人民幣。龍芯中科公司成立后,獲得北京市政府2億人民幣的股權投資。2010年后未獲得國家項目資金扶持。
飛騰、申威因是軍方項目,并沒有數據。
在中國的國情下,獲得國家補助并不依靠各家的技術水平、技術成果、技術路線(技術水平最好,也是技術成果最豐富的龍芯、申威、飛騰,顯然不如兆芯、展訊受國家重視),而是取決于各家單位的公關能力和國際巨頭的在華影響力。
六、結語
五大陣營互相傾軋,一方面是重復建設、資源浪費,同時也帶來了激烈的競爭,相信在激烈的市場競爭和優勝劣汰下,中國芯能浴火重生,在國際芯片市場占據一席之地。