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1.2.6 背锅侠ISA

《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》第1章一文读懂CPU之三生三世,本章通过几个轻松的话题,讨论一下CPU业界的“三生三世”。本节为大家介绍背锅侠ISA。

作者:胡振波来源:人民邮电出版社|2018-05-23 11:13

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1.2.6 背锅侠ISA

从上述几个章节中,我们已经了解了国内CPU设计的英雄榜。但是如前文所述,目前在民用商业领域内,仍然没有看到太多国产CPU的身影。可以说,国产处理器在民用商业领域至今尚未足够成功的主要原因在于ISA,这口锅ISA必背无疑。

在第1.1.1节中已经论述了指令集架构(ISA)对于CPU的重要性,那么对于一款CPU而言,绝对的硬件技术水平不是最重要的。

目前商业主流的指令集架构在不同的领域已经各自出现了明显的霸主格局。

x86架构统治着桌面PC与服务器领域。

ARM架构统治着移动手持领域,同时对桌面PC和服务器领域全面进军。

ARM在嵌入式领域占据绝对优势。

因此作者之前一直认为,只有依附于x86与ARM阵营的商业公司,才能够真正地实现全面的商用化。相信这也是近几年来国内CPU设计的英雄榜上涌现出来的大多为x86或者ARM系的原因。

但是,国产自主对我国的国计民生又至关重要,追求国产自主安全可控是我国在战略上必须坚持的方向。从这个角度上来看,选择x86或者ARM架构终究也有其局限性,分别论述如下。

1.x86架构

由于Intel与AMD本身是芯片公司而不是知识产权(IP)公司,因此x86架构是其生命线,假设其他得到授权的芯片公司使用x86架构生产的芯片对Intel和AMD造成了实质威胁时,Intel与AMD完全可以拿起专利的大棒停止授权。

x86架构的授权费用极为高昂,远非普通公司或者组织能够染指。

2.ARM架构

ARM架构的局面会乐观很多,因为ARM架构虽然也是属于ARM公司且受专利保护的架构,但是ARM公司的商业模式是以开放共赢为基本原则。ARM公司是ARM生态的主导者和核心规则的制定者,通过基础架构授权、IP核授权等方式获得经济收益。而生态系统中大量的上下游软硬件企业则遵循ARM统一制定的标准规范,对接众多客户需求而实现经济利益的获取。

国内基于ARM生态的CPU产业已有较好基础,华为海思、展讯、联芯和飞腾等众多企业均已累积多年的ARM芯片研发经验,在移动终端领域我国芯片设计技术已与国际主流水平同步,国外的巨头高通、三星和谷歌等也属于ARM生态系统阵营的成员。因此,从全球范围来看,国内外的芯片公司能够在开放共赢的生态下进行公平的竞争。基于上述原因,国内CPU英雄榜上使用ARM架构的CPU公司,其成就更加令人可期。

尽管如此,ARM架构毕竟属于ARM公司,一方面需要为ARM公司支付极其高昂的授权费(一次数千万美金),另一方面被软银收购后ARM现在属于一家日本公司。因此,从绝对的自主可控的角度来看,受制于人那是在所难免的。

所谓“成也萧何,败也萧何”,读到此处,读者可能要问,难道就没有一种ISA具备如下几个特点吗?

(1)它开源共享,不属于某一家商业公司私有,因此也就不会有受制于人与自主可控的隐忧,更加不需要向商业公司支付高昂的授权费。

(2)它以开放共赢为基本原则,有一个统一的非营利组织作为主导者和核心规则的制定者,任何公司和个人都可以永久免费地使用其架构。

生态系统中大量的上下游软硬件企业应遵循该组织统一制定的标准规范,对接众多客户需求而实现经济利益的获取。

同样从全球范围来看,国内国外的芯片公司能够在此开放共赢的生态下进行公平的竞争。

相信很多人都与作者一样,在很长的一段时间内,非常期待有这样一种ISA的出现,业界甚至出现过希望由国家主导指定一种国家标准ISA,从而统一国内CPU各ISA派系的声音。然而,国家标准ISA这种被局限在一国范围内的技术在当今全球化的趋势下,必然是格格不入且不可能成功的。于是所有人都认为不可能出现这样一种ISA了,作者作为一名CPU设计的老兵,也不得不用一首诗来表达一下彼时的心情:“死去元知万事空,但悲不见九州同。王师北定中原日,家祭无忘告乃翁”。

然而在2016年,有一位叫作RISC-V的新生突然自带光环登场。它完全符合上述提到的两个条件,属于全人类的免费开放架构,无任何专利的桎梏,众多国际知名大公司均加入其中,将以开放共赢的生态下进行公平的竞争。作者隐隐感到,如果这个ISA真能够发展起来,这似乎可能是国产CPU崛起的真正机会。刚才我们提到曾有人建议制定一种国家标准的指令集架构,而当RISC-V诞生不久,我们的邻国印度迅速地采用了RISC-V作为其国家标准的指令集,推荐其国内的大学和研究机构均采用RISC-V架构,并且已经制定规划且投入专项资金用于开发几个不同系列的RISC-V处理器。

有道是“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”,有关新生的RISC-V架构,我们将在第1.5节中详细介绍。


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