缺芯少魂:加速过去式

刘旷

刘旷

· 9月15日

强性能和补生态一起抓。

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缺芯少魂:加速过去式

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图片来源@视觉中国

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文 | 刘旷

每次谈及卡脖子问题,缺芯少魂(操作系统)总是绕不开的话题。近年来随着国家逐步加大对国产芯片和操作系统的研发支持力度,一批具备实力的芯片厂商正在加速崛起并开始崭露头角。

比如,在芯片指令集架构方面,龙芯推出的Loong Arch指令集,已经具备完全自主、技术先进、兼容生态三方面的特点。除了完全自主架构之外,X86、ARM、RSIC等架构也作为备选被纳入了选择范围之内;在资本支持方面,科创板、创业板纷纷向相关的公司敞开了大门,基于国产架构的龙芯以及基于X86架构的海光(上市首日暴涨66%),都创造了上市之后市值暴涨的记录。而在一众“小巨人”市值暴涨的背后,是资本市场对国产化替代前景的日渐认可。

 

国产化CPU加速起跑

CPU是中央处理器的简称,是对计算机的所有硬件资源进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。计算系统中所有的软件层操作,最终都将通过指令集映射为CPU的操作。从用途上来分,可以将CPU划分为桌面(台式机、笔记本电脑)、服务器、移动端CPU(手机、平板、手表等)和嵌入式CPU(汽车电子、工业控制与自动化、智能电网)等领域,应用极其广泛。正因为CPU本身的用途广泛,因此我国在推动CPU国产化方面做了全方位的布局。

一是结合不同架构、不同生态,推出面向不同市场的CPU架构。据目前公开的资料显示,目前国内共有6家国产的CPU厂商,即龙芯、申威、飞腾、鲲鹏、海光和兆芯。根据各个厂商模式特点不同,可以将其分为三类,第一类是龙芯和申威,二者原先都是因为海外授权方停止授权,纷纷切换到了自研指令集,因此无海外授权纠纷风险;第二类是飞鹏和鲲鹏,拥有ARM架构永久授权;第三类是海光和兆芯,与海外成立合资公司获得X86技术授权。

不难看出,在现有的CPU厂商中,国产厂商已经拥有了覆盖海外架构、自研架构等丰富架构的完整CPU生态。由于各家CPU生态构建有所差异,因此其指向方向也不同,因而具备很强的互补性。

比如,依托X86架构的海光和兆芯拥有最强生态,能够兼容目前存在的数百万款基于X86指令集的系统软件和应用软件;鲲鹏和龙芯基于ARM架构在移动端一家独大,并逐步向桌面端和服务器端延伸,生态建设较为繁荣;龙芯和申威从MIPS和Alpha 转向自主指令集,逐渐构建起自主生态。在市场格局方面,龙芯和飞腾分别在政府信创市场中占据了大部分市场份额;PC端则以X86架构的兆芯为主;服务器端目前只有海光和鲲鹏可以满足市场需求。总之,各类不同主体主导细分市场的格局,共同构建了完整系统的国产产业生态。

二是商业化基础不断夯实、协作伙伴加速形成。以鲲鹏计算产业为例,目前这个产业链已经集合了包括华为、ARM中国等在内的重要行业巨头,整个产业链基于鲲鹏处理器构建的全栈IT基础设施、行业应用及服务,已经形成了包括PC、服务器、存储、操作系统、中间件、虚拟化、数据库、云服务、行业应用以及咨询管理服务等在内的完整产业链,并与华为已有的包括 openEuler、openGuass、TaiShan 服务器内在的自主化软硬件体系结合。

目前相关的产业生态进展顺利,部分领域还取得了超出预期的效果。据悉,目前鲲鹏应用认证伙伴超过了3500家,认证方案超过了10000个,华为鲲鹏硬件足以支持运营商超过80%的虚拟化场景应用。商业化方面,已经上市的海光、龙芯等厂商,均已经有了相当好的盈利表现,相信随着未来场景化的拓展和其在相关市场市占率的进一步提升,相关厂商的表现还会有进一步的表现。

强性能和补生态一起抓

不过,目前以飞腾为首的ARM处理器企业也面临着生态不够完善的问题,一些基于X86设计的软件同样面临着适配和性能提升的问题。因此,放在当下来说,提升性能和补齐生态仍是当务之急。

一是持续强化芯片性能。以智能手机为例,此前别家的手机品牌基本上都是1.5G、2.0G,苹果的iphone始终还是800M,但用起来却一点都不卡。究其根本,主要在于苹果将软硬件结合起来一起优化,从而极大地弥补了单品的性能差距,这种方法或许对于国产CPU的替代也发挥了不小的启发作用。以飞腾为例,飞腾及母公司中国长城都属于中国电子科技集团旗下,而在该集团之内从芯片、操作系统、整机、数据库、应用几乎一应俱全,在集团之内即可完成内部优化。

另外,紧随先进技术加速产品迭代,也能够对国产CPU性能提升带来更多可能。以最近芯片领域大热的 Chiplet来说,它可以把一些预先生产好的实现特定功能的芯片裸片,通过先进的集成技术,封装成一个系统芯片。

按照AMD在EPYC发布会上的说法,在之后的几年内,AMD将通过只迭代某个die的方式来加速产品迭代以打破摩尔定律的限制,而且依托 Chiplet可以在单颗芯片上集成更多的功能,从而大幅度地减少芯片对先进工艺本身的依赖。

二是持续补齐生态短板。以完全自研的龙芯Loong Arch指令集架构来说,由于手机端要求比PC端高很多,所以其暂时还不能应用到手机上;另外,就是纯自研的龙芯在使用时需要进行二进制的再次编译,这是使用X86等成熟架构时所没有的问题。

不过,目前针对性的解决方案也在陆续出现,比如华为正在自研的全新编程语言—仓颉以及鸿蒙系统,或许会成为相关国产替代方案的关键力量。总的来看,现阶段国产CPU的发展,持续强性能和补生态短板仍是当务之急。

不可或缺的突围要件

除了强性能和补生态之外,把握好行业的趋势,也是一众新型架构厂商们突围必不可少的要件。

首先,从芯片架构发展的历史来看,一旦新型架构被认为是最适配的架构,就有可能成为市场中占据统治地位的最大甚至是唯一供应商。比如,IBM与微软形成的Wintel联盟,如今已经成为了PC市场绝无仅有的市场存在,但在两者合作早期微软并没有打算唯一接入地只支持Intel。当时的微软实际上有两条业务线,一条专用支持X86架构,另一条则考虑了操作系统的可移植性,支持RISC架构的计算机。但由于后者在PC端的市场份额不及前者,所以微软后来放弃了与RISC的合作,转而全力支持X86架构,这也使其成为了个人电脑的标准化平台,并成为了有史以来市场上最成功的CPU架构。

随着移动时代的到来,X86架构开始受限于AMD和英特尔复杂指令集的影响,低性能与高功耗的弊病日益凸显。而性能和功耗优势更足的ARM架构则日渐崛起,借着移动智能设备的大规模发展逐渐显示出咄咄逼人的态势,其覆盖的领域不仅涉及移动端设备、嵌入式设备,还逐渐拓展到了服务器、笔记本等x86传统优势领域,发展势头如日中天,在移动市场更是占有了高达90%的市场份额,成为该领域无可匹敌的“王者”,这与从前相比可谓是大相径庭。

实际上,很早之前ARM就曾想过要在服务器、PC市场与X86一决雌雄,但由于自身软件短板尚未完全弥补、生态尚有缺陷,加上X86在PC端市场已经一统天下,与之直接争夺对于一个新兴的架构而言非常之难。因此,此后ARM一边加强了生态建设,另一边积极发挥自身的性能和低功耗优势布局加速崛起的移动、云服务等新兴市场,这才有了如今强势追赶X86的大好局面。

从X86到ARM的事例不难看出,一个新兴趋势对于一个新兴架构厂商的重要性。回过头来说,对于期望赶超欧美的国产架构厂商而言,现在正在兴起的物联网、5G等新兴趋势,无疑正是国产架构厂商突出重围的关键外部支撑力量。

其次,从现实条件来说,当下国产系统替代具备了比十几年前更为优厚、充分的外部条件和产业基础,趋势和力量站在我们一边。

除了外部物联网、5G等大趋势之外,国产替代、科技自主等国家级的大趋势,也为国内的架构创新和替代创造了历史性机遇。说起国产替代,上世纪90年代国内就有了相关的声音和实践,但由于受信息技术产业基础薄弱,国内科技体制不健全,市场化参与度低等诸多因素影响,上一次国产替代并没有达到预期目标。

但今时不同往日,以上影响要素在当前的国内已经在全面发生转变。一是如今中国的信息化产业覆盖到了方方面面,科技产品市场化意识日益增强,这为国产系统进入市场创造了良好的外部环境;二是国家处于深度转型期,科技转型的呼声比以往要更加强烈,科技破局不只是发展问题更是生存问题,动力比十几年前更足;三是相比前些年,如今中国国内“卡脖子”的技术短板仍然存在,但相比从前已经大为改善,发展新兴架构和技术的人力、物力、产业基础都更胜以往。在此背景下,国产厂商有了比以往任何时候都更加充分的条件来推进国产化替代。

市场化或成未来破局关键

值得注意的是,除了大力推动技术发展迭代和创新之外,更为重要的是将国产化替代纳入到市场化运营的框架之内,而在这一点上我们是有历史教训的。

在2001年之前,中国在集成电路方面已经探索多年,但国产软硬件一直用于特定领域,比如计算原子弹爆炸的103专用计算机,但这些都离真正的市场化太遥远了。面临英特尔和微软的包围,国产芯片在纯市场化条件下很难有一战之力。意识到了市场化的重要性之后,国家开始组织人员开启新一轮的市场化探索,这次的焦点是面向市场的通用处理器。2001年,由倪光南院士领导研发成功的方舟一号横空出世,一度在国内引起广泛轰动,但其却因为后续推广不及预期而以失败而告终,让无数期待国产化替代的行业内外人士不胜嘘唏。

回过头来看,造成这种结果的原因是多方面的。如前文所述,除了Wintel联盟已经构建的联盟体系不可撼动之外,新的趋势尚未到来、产业基础不牢等方方面面的掣肘,都是造成这个中国人心心念念的“造芯行动”中道夭折的外部诱因,但回归到市场环境上来看这种“失败”还有另一种解释。

其一,要让用户在软硬件系统上“改换门庭”必须是自动发生的过程,用户与厂商之间的信任是其中的关键纽带。纵观软硬件协同体系的演进史不难发现,从最早的IBM+DOS一统江湖,到Wintel联盟抓住图形化个人电脑崛起,再到移动时代ARM制霸移动市场,这其中的后来者都曾有过与“前辈”交锋的记录,但都是后来抓住新的机会才实现真正突围的,而这个过程是自然发生的。

其实,这些软硬件体系在设计之初,比国内的软硬件生态体系缺点更多、性能更差。但是胜在有体系的配合,平台能够根据用户实际需求和应用场景有的放矢,用户在解决问题的过程中将成果反馈到生态之中使已有体系获得迭代成长,厂商与用户之间在解决问题过程中形成的信任,推动体系不断变强。但方舟一号作为后来者,无法再用相同的方式“慢慢变强”,因为用户已经体验到了“最好的系统体验”,再次迁移的成本太高,这也是方舟一号虽然曾经有过北京市政府采购几万台的记录,却终究未能改变其“失败命运”的原因所在。

其二,面对新的市场需求变化,应该紧紧抓住机会全面推动整个生态体系的“配套演进”,为新架构生态的软硬件协同体系构建完整的体系闭环。如前文所述,跟随者很难完成对已有领先者的“完全超越”,那既然如此何不“换道超车”呢?站在当下的时点来看,如今国内物联网生态已经渐成规模,应用厂商配套服务商众多,市场化、商业化条件逐渐成熟。因此,接下来的核心关键在于国内架构厂商要发挥核心推动作用,带领整个协作体系伙伴一起推动物联网生态的体系化配套演进,从而为高水平的生态建设开辟道路。

简而言之,无论是抓住市场趋势还是推动厂商与用户之间建立信任都应该立足市场规律。唯其如此,国产化替代才有望真正打开一条希望之门。

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