軟體定義一切，也包括“成敗”。過去40年，處理器晶片呈現出“否定之否定”的螺旋式發展道路：自研-放棄自研-自研。最近5年，越來越多的整機和平台廠商，重新加入自研的“晶片戰爭”，並且顯現出一個新趨勢——以CPU為中心的同構計算系統，轉變成CPU聯合xPU的異構計算。“晶片戰爭”中的選手要直面幾個問題：其xPU架構創新有多少，持續創新空間有多大、應用規模能否攤薄硬體、生態的創新成本。剛剛公布的“十五五”規劃建議稿也提到，加快科技高水平自立自強，全面增強自主創新能力，大力實施“卡脖子”迭代攻關，聚焦半導體等關鍵技術環節。那麼，接下來的五年、十年，對於國產“算力晶片”來說，突破口在那裡？我們認為是指令系統結構（指令集架構）的統一。系統結構的一致性，更能推動架構層面的創新，比如把RISC-V作為統一指令系統，所有CPU/GPU/xPU都基於RISC-V及其擴展來開發，在擴大規模效應的同時，高效利用研發資源。指令集相當於軟硬體“連接器”，按標準編寫軟體，即可向硬體發出計算指令。經濟規模與生態成本，決定架構的“生與死”電腦差不多經歷了八十多年的歷史，早期特點是集中式處理，少數專業人員通過終端裝置才能訪問到昂貴的計算資源。20世紀80年代後以微處理器為基礎的PC和電腦網路出現，計算模式從集中式轉化為分佈式。後來又有了智慧型手機和雲端運算系統，計算模式進化為集中式的雲中心和“泛在分佈”的智能終端構成的複雜體系，且雲中心本身又是一個巨大的分佈式系統。計算進化到今天，最為核心的CPU，以兩種主導式的指令集為代表：PC和伺服器領域是x86架構，智慧型手機領域是ARM架構。x86等架構及相應特徵x86和ARM佔主導，是市場洗牌的結果。時間往回倒退，過去40年業內出現了許多有特色的架構和產品，但大部分都逐漸凋零了。例如：英特爾開發的RISC架構i860/i960、摩托羅推出的68000以及跟IBM、Apple聯合開發的PowerPC架構等等。指令集架構，從幾十款到幾款，快速收斂的原因各有不同。x86戰勝RISC，靠的是不斷向高端RISC“抄作業”，同時根據新應用需求不斷增加指令子集，拓展新功能；PC與伺服器的CPU同為x86架構，晶片出貨量大，分攤了伺服器CPU的研發成本，也是x86從競爭中脫穎而出的客觀條件。RISC CPU的失意，表面上是巨額的軟硬體投入成本，根源則是無法顛覆已有軟硬體生態系統——大量已存在的標準或事實標準的介面，如指令架構系統，這種生態的統治力，英特爾、惠普曾這類聯合體也無法撼動。回想起1990年代超算領域，如nCUBE，KSR、Thinking Machine等創業公司，既自研CPU，又開發MPP超算系統，在系統架構上提出了很多引人入勝的新方案。尤其是KSR，提出了名為Allcache的純快取儲存架構（COMA），實現了第一個基於純快取的平行超算系統，其CPU只跑20MHz，功耗、散熱等效率遠遠高於同期的英特爾486，後者主頻達到了50MHz。最終，各種創新性的架構都“輸給了”x86。不是說這些架構沒有創新性，根本上在於架構創新敵不過經濟規律。所以，在文章開頭，我們就呼籲，未來五年、十年，中國的算力晶片應該統一指令集架構。架構創新難，生態建構更難：壁壘在軟體與協同英特爾於2000年左右推出Pentium 4處理器，時脈頻率已達到4GHz。25年後的今天，很多產品時脈頻率還停留在這個水平。這是因為進入奈米工藝後，摩爾定律逐漸失效，電晶體開關速度放緩。現在，業界依賴電晶體數量的累積來提升性能，其基本的思路是平行，如增加資料位寬、增加功能部件、增加處理器核的數量等等。但增加了這麼多的部件，如何控制與管理？就要看電腦體系結構。電腦體系結構既是硬體與軟體的介面介面，也決定了硬體與軟體的分工，根據硬體與軟體分工的不同邏輯，大致可分為三種類型：激進的結構（完全動態最佳化）：類似上文提到的純快取儲存架構，強調軟體在動態分析和最佳化方面能力有限，因此在硬體上做儘可能多的動態最佳化, 但這樣往往導致硬體過分複雜、功耗過高；保守的結構（靜態最佳化）：硬體僅提供必需的設施, 如大量的暫存器或SRAM，依賴軟體來實現高性能，這種方案的好處是硬體簡化了，缺點是程式設計不便、性能沒有保障；折中的結構（動靜態相結合的最佳化）：硬體做一些動態的最佳化, 如快取記憶體，軟體也仍有最佳化的餘地，通過軟硬體協同解決性能和程式設計問題。由於需要運行作業系統、編譯器及各種複雜控制應用，涉及的序列因素比較多，高端CPU經常採用激進的結構，但由於結構異常複雜，導致正確性難以驗證，研發工作量極大。隨著熔斷、幽靈等硬體漏洞的出現，這類結構也易受瞬態執行攻擊的問題也暴露出來。目前業界更傾向於基於這種結構——增加處理器核的數量，來提升性能，比如代表算力的xPU晶片，就是典型的眾核（Many Core）結構。這種架構可以匹配圖像處理、神經網路等天然依賴平行計算的特點，只要硬體提供足夠的運算部件、儲存單元、互連機制，並由軟體程序把平行性表達出來，就可以在平行硬體上高速地執行。輝達PASCAL和TURING架構GPU，擁有大量CUDA計算核心英特爾Xeon Phi，Google TPU等，都是專門設計的眾核加速器，而更流行的GPGPU則陰差陽錯的成為眾核加速器——一開始只用於圖形渲染，非專門為AI設計。不管是TPU還是GPGPU，眾核結構xPU的“算力晶片”大規模應用，首先要解決的還是生態系統問題——在處理器上運行的各類軟體的總和，包括各種應用軟體，及支撐應用軟體開發運行的系統軟體、中介軟體、庫函數等。在這方面，使用者之所以喜歡使用輝達的產品，就是因為CUDA擁有成熟的平行軟體生態。前面提到英特爾和惠普的合作項目。雙方於1994年，聯合開發了不與x86相容的EPIC架構的IA-64安騰處理器，前後花了十餘年時間，耗資巨大，終究未能成功。關鍵就在於經過40多年演進的x86架構，形成了任何處理器架構都無法比擬和複製的產業生態環境。英特爾、惠普的新架構、新產品，解決不了新的生態問題。這裡面還有一個洞察——Gartner分析了從2009到2018年的企業軟體市場，十年間，x86軟體的市場份額持續上升，到2018年，全球投入在x86軟體（含企業應用軟體、基礎設施軟體、垂直專用軟體）開發上的費用高達600億美元，IDC 2019年同期的資料表明，全球伺服器硬體的總收入也就800億美元。也就是說，軟體開發的費用遠遠高於硬體，新搞一個處理器架構已經很費錢了，基本不會有人給更多投資去開發配套的軟體。基於這一點，可以預判，未來很長一段時間，伺服器市場上x86 CPU仍居主導地位。有人也許要問，ARM-64的機會在那裡？它的核心看點在於打破英特爾在x86伺服器市場一家獨大的格局，因為英特爾的CPU毛利太高了，誰都想去分一杯羹，正如AI晶片廠商想去分輝達的蛋糕一樣。最終，ARM伺服器未來能夠取得成功，幾個原因可能是決定性的：一是掌控了全端技術（應用）的大廠放棄x86，如蘋果、亞馬遜，它們的生態遷移完全可控，產量或毛利率也是可控的二是端雲融合，ARM在終端的優勢瀰漫到雲端，如Android Cloud，ARM伺服器更適合支援Android Apps，應用可在雲和端間隨便遷移。還有雲遊戲在雲端也不需要依賴虛擬機器。x86的故事仍在繼續，ARM攻勢迅猛，開放原始碼的RISC-V則還需要努力。關於RISC-V，業內有很多討論，既有ARM“價格貴”的問題，也有開放性、可研究性的問題，但主要還是商業化的困境。近年來，RISC-V應用較多且相對成功的，都是軟體比較簡單的場景，即以微控製器(MCU)為代表的嵌入式領域，如希捷、西數等企業的儲存類產品。而以物聯網為代表的嵌入式場景，其需求非常碎片化，RISC-V雖然可以針對應用特點自訂對指令集的擴展，但這樣分門別類地定製晶片，就失去了積體電路產業的規模效應。軟體、應用之外，RISC-V的硬體生態也還不成熟——有競爭優勢的高性價比處理器核的種類少，也缺乏支援多核互連的高性能片上網路（NOC），尤其是片上網路，業內都還在用ARM方案，不過ARM不會單獨向RISC-V項目授權片上網路IP，而要搭售ARM CPU核心，成本又被拉上來了。一些觀點認為，隨著JAVA、Python等跨平台的語言/工具越來越流行，通過虛擬機器技術實現應用的跨平台遷移，還可以用模擬的方法用一種指令集模擬另一種指令集，寄希望於指令集架構重要性變低，進而重構x86、ARM的“壟斷”格局。不過，這也存在另一些相反的事實，例如英特爾一直在持續地擴展其指令集，增加新指令（子集），如近年看到的SGX、AVX512、AI擴展指令集等，說明硬體指令的直接支援對性能、能效比至關重要。又如，由於業界的各類基礎軟體和應用軟體，主要都是針對英特爾CPU最佳化的，即使同樣是x86的AMD CPU，能流暢支援的軟體配置種類就少得多。所以，阿里的公有雲平台只用英特爾的CPU產品，它們可以自如地支援各種老舊的OS類型、版本、配置。從這個角度來看，RISC-V進入以電腦為代表的通用平台，還有一段曠日持久的路程要走。統一指令集：中國算力晶片規模化的關鍵路徑近年來，系統和平台廠商又開始研發計算晶片了：美國有蘋果公司、Google、亞馬遜、微軟，中國公司也很多。所有自研的場景當中，雲廠自研晶片的模式是行得通的，因為企業盈利的基礎在於增值服務，不在硬體。雲廠商由於掌控全端軟硬體，生態移植的困難也較小，且因為自身規模大，可以負擔晶片研發的費用。不過，現階段多數企業自研還是用於內部，因此外部客戶仍然需要獨立的晶片供應商。眾多自研晶片的系統廠商當中，蘋果公司是一個非常成功的案例，基本實現了核心產品線處理器的全線自研——手機為A系列、平板和PC為M系列、手錶為W系列、耳機為H系列。蘋果自研晶片矩陣，資料更新至2025年9月“產品定價高”可以作為評判蘋果自研成功與否的一個表面指標。和公版的ARM CPU核相比，蘋果公司自研的CPU性能高、成本也高，但配合自研的系統軟體，整體達到最佳化的使用者體驗，同時加上行銷體系的助力，形成“高大上”的形象，就可以賣出高價錢。只不過，很多失敗的項目，只看到了蘋果公司“自研晶片”的表面指標，“自研晶片”，如果只是為了“使用晶片”，或者只是聚焦在紙面參數上，而忽略掉軟體的差異化、生態能力提升，進而共同推動使用者體驗的最佳化，未必有價值。軟體定義一切，也包括“成敗”。無論CPU還是GPGPU，都需要在軟體生態上，與現有成熟產品形成差異化，實現附加值提升，但這不等於一切都需要重構和創新，比如指令系統——指令系統越多，軟體生態方面就需要投入越多，“統一”起來困難重重。前面提過，軟體方面的投入比硬體研發的投入還要大，而軟體掉隊的負面現象，目前大量出現在當前的領域專用架構（DSA）和其它xPU研發領域。比如很多國產智算中心，投資規模很大，但受配套軟體不全等問題限制，實際利用率並不高，這其實就是軟體跟不上硬體“步伐”帶來的後遺症。回想架構之爭的年代，諸神混戰，最後也只有少數幾個架構活了下來。實際上，體系結構創新，未必一定要新架構，也可以在現有的指令系統框架內實現，RISC-V恰好在這方面具備很好的支撐。例如，國外Tenstorrent等企業基於RISC-V指令集，擴展支援AI的子指令集，進而開發了基於RISC-V的AI加速計算方案。又如，國內外不少大學和科研機構都在RISC-V上擴展了密碼學相關的子指令集，並在此基礎上實現了對後量子密碼的支援等等。所以，我們呼籲：把RISC-V作為統一指令系統，所有CPU/GPU/xPU都基於RISC-V及其擴展來開發，避免重複勞動和研發資源的無謂浪費。 (半導體產業縱橫)
