缺芯少魂:加速過去式

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                  劉曠 原創  ·  2022-09-15 09:18
                缺芯少魂:加速過去式 - 金評媒
                作者: 劉曠   

                每次談及卡脖子問題,缺芯少魂(操作系統)總是繞不開的話題。近年來隨著國家逐步加大對國產芯片和操作系統的研發支持力度,一批具備實力的芯片廠商正在加速崛起并開始嶄露頭角。

                比如,在芯片指令集架構方面,龍芯推出的Loong Arch指令集,已經具備完全自主、技術先進、兼容生態三方面的特點。除了完全自主架構之外,X86、ARM、RSIC等架構也作為備選被納入了選擇范圍之內;在資本支持方面,科創板、創業板紛紛向相關的公司敞開了大門,基于國產架構的龍芯以及基于X86架構的海光(上市首日暴漲66%),都創造了上市之后市值暴漲的記錄。而在一眾“小巨人”市值暴漲的背后,是資本市場對國產化替代前景的日漸認可。

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                配圖來自Canva可畫

                國產化CPU加速起跑

                CPU是中央處理器的簡稱,是對計算機的所有硬件資源進行控制調配、執行通用運算的核心硬件單元。計算系統中所有的軟件層操作,最終都將通過指令集映射為CPU的操作。從用途上來分,可以將CPU劃分為桌面(臺式機、筆記本電腦)、服務器、移動端CPU(手機、平板、手表等)和嵌入式CPU(汽車電子、工業控制與自動化、智能電網)等領域,應用極其廣泛。正因為CPU本身的用途廣泛,因此我國在推動CPU國產化方面做了全方位的布局。

                一是結合不同架構、不同生態,推出面向不同市場的CPU架構。據目前公開的資料顯示,目前國內共有6家國產的CPU廠商,即龍芯、申威、飛騰、鯤鵬、海光和兆芯。根據各個廠商模式特點不同,可以將其分為三類,第一類是龍芯和申威,二者原先都是因為海外授權方停止授權,紛紛切換到了自研指令集,因此無海外授權糾紛風險;第二類是飛鵬和鯤鵬,擁有ARM架構永久授權;第三類是海光和兆芯,與海外成立合資公司獲得X86技術授權。

                不難看出,在現有的CPU廠商中,國產廠商已經擁有了覆蓋海外架構、自研架構等豐富架構的完整CPU生態。由于各家CPU生態構建有所差異,因此其指向方向也不同,因而具備很強的互補性。

                比如,依托X86架構的海光和兆芯擁有最強生態,能夠兼容目前存在的數百萬款基于X86指令集的系統軟件和應用軟件;鯤鵬和龍芯基于ARM架構在移動端一家獨大,并逐步向桌面端和服務器端延伸,生態建設較為繁榮;龍芯和申威從MIPS和Alpha 轉向自主指令集,逐漸構建起自主生態。在市場格局方面,龍芯和飛騰分別在政府信創市場中占據了大部分市場份額;PC端則以X86架構的兆芯為主;服務器端目前只有海光和鯤鵬可以滿足市場需求??傊?,各類不同主體主導細分市場的格局,共同構建了完整系統的國產產業生態。

                二是商業化基礎不斷夯實、協作伙伴加速形成。以鯤鵬計算產業為例,目前這個產業鏈已經集合了包括華為、ARM中國等在內的重要行業巨頭,整個產業鏈基于鯤鵬處理器構建的全棧IT基礎設施、行業應用及服務,已經形成了包括PC、服務器、存儲、操作系統、中間件、虛擬化、數據庫、云服務、行業應用以及咨詢管理服務等在內的完整產業鏈,并與華為已有的包括 openEuler、openGuass、TaiShan 服務器內在的自主化軟硬件體系結合。

                目前相關的產業生態進展順利,部分領域還取得了超出預期的效果。據悉,目前鯤鵬應用認證伙伴超過了3500家,認證方案超過了10000個,華為鯤鵬硬件足以支持運營商超過80%的虛擬化場景應用。商業化方面,已經上市的海光、龍芯等廠商,均已經有了相當好的盈利表現,相信隨著未來場景化的拓展和其在相關市場市占率的進一步提升,相關廠商的表現還會有進一步的表現。

                強性能和補生態一起抓

                不過,目前以飛騰為首的ARM處理器企業也面臨著生態不夠完善的問題,一些基于X86設計的軟件同樣面臨著適配和性能提升的問題。因此,放在當下來說,提升性能和補齊生態仍是當務之急。

                一是持續強化芯片性能。以智能手機為例,此前別家的手機品牌基本上都是1.5G、2.0G,蘋果的iphone始終還是800M,但用起來卻一點都不卡。究其根本,主要在于蘋果將軟硬件結合起來一起優化,從而極大地彌補了單品的性能差距,這種方法或許對于國產CPU的替代也發揮了不小的啟發作用。以飛騰為例,飛騰及母公司中國長城都屬于中國電子科技集團旗下,而在該集團之內從芯片、操作系統、整機、數據庫、應用幾乎一應俱全,在集團之內即可完成內部優化。

                另外,緊隨先進技術加速產品迭代,也能夠對國產CPU性能提升帶來更多可能。以最近芯片領域大熱的 Chiplet來說,它可以把一些預先生產好的實現特定功能的芯片裸片,通過先進的集成技術,封裝成一個系統芯片。

                按照AMD在EPYC發布會上的說法,在之后的幾年內,AMD將通過只迭代某個die的方式來加速產品迭代以打破摩爾定律的限制,而且依托 Chiplet可以在單顆芯片上集成更多的功能,從而大幅度地減少芯片對先進工藝本身的依賴。

                二是持續補齊生態短板。以完全自研的龍芯Loong Arch指令集架構來說,由于手機端要求比PC端高很多,所以其暫時還不能應用到手機上;另外,就是純自研的龍芯在使用時需要進行二進制的再次編譯,這是使用X86等成熟架構時所沒有的問題。

                不過,目前針對性的解決方案也在陸續出現,比如華為正在自研的全新編程語言—倉頡以及鴻蒙系統,或許會成為相關國產替代方案的關鍵力量??偟膩砜?,現階段國產CPU的發展,持續強性能和補生態短板仍是當務之急。

                不可或缺的突圍要件

                除了強性能和補生態之外,把握好行業的趨勢,也是一眾新型架構廠商們突圍必不可少的要件。

                首先,從芯片架構發展的歷史來看,一旦新型架構被認為是最適配的架構,就有可能成為市場中占據統治地位的最大甚至是唯一供應商。比如,IBM與微軟形成的Wintel聯盟,如今已經成為了PC市場絕無僅有的市場存在,但在兩者合作早期微軟并沒有打算唯一接入地只支持Intel。當時的微軟實際上有兩條業務線,一條專用支持X86架構,另一條則考慮了操作系統的可移植性,支持RISC架構的計算機。但由于后者在PC端的市場份額不及前者,所以微軟后來放棄了與RISC的合作,轉而全力支持X86架構,這也使其成為了個人電腦的標準化平臺,并成為了有史以來市場上最成功的CPU架構。

                隨著移動時代的到來,X86架構開始受限于AMD和英特爾復雜指令集的影響,低性能與高功耗的弊病日益凸顯。而性能和功耗優勢更足的ARM架構則日漸崛起,借著移動智能設備的大規模發展逐漸顯示出咄咄逼人的態勢,其覆蓋的領域不僅涉及移動端設備、嵌入式設備,還逐漸拓展到了服務器、筆記本等x86傳統優勢領域,發展勢頭如日中天,在移動市場更是占有了高達90%的市場份額,成為該領域無可匹敵的“王者”,這與從前相比可謂是大相徑庭。

                實際上,很早之前ARM就曾想過要在服務器、PC市場與X86一決雌雄,但由于自身軟件短板尚未完全彌補、生態尚有缺陷,加上X86在PC端市場已經一統天下,與之直接爭奪對于一個新興的架構而言非常之難。因此,此后ARM一邊加強了生態建設,另一邊積極發揮自身的性能和低功耗優勢布局加速崛起的移動、云服務等新興市場,這才有了如今強勢追趕X86的大好局面。

                從X86到ARM的事例不難看出,一個新興趨勢對于一個新興架構廠商的重要性?;剡^頭來說,對于期望趕超歐美的國產架構廠商而言,現在正在興起的物聯網、5G等新興趨勢,無疑正是國產架構廠商突出重圍的關鍵外部支撐力量。

                其次,從現實條件來說,當下國產系統替代具備了比十幾年前更為優厚、充分的外部條件和產業基礎,趨勢和力量站在我們一邊。

                除了外部物聯網、5G等大趨勢之外,國產替代、科技自主等國家級的大趨勢,也為國內的架構創新和替代創造了歷史性機遇。說起國產替代,上世紀90年代國內就有了相關的聲音和實踐,但由于受信息技術產業基礎薄弱,國內科技體制不健全,市場化參與度低等諸多因素影響,上一次國產替代并沒有達到預期目標。

                但今時不同往日,以上影響要素在當前的國內已經在全面發生轉變。一是如今中國的信息化產業覆蓋到了方方面面,科技產品市場化意識日益增強,這為國產系統進入市場創造了良好的外部環境;二是國家處于深度轉型期,科技轉型的呼聲比以往要更加強烈,科技破局不只是發展問題更是生存問題,動力比十幾年前更足;三是相比前些年,如今中國國內“卡脖子”的技術短板仍然存在,但相比從前已經大為改善,發展新興架構和技術的人力、物力、產業基礎都更勝以往。在此背景下,國產廠商有了比以往任何時候都更加充分的條件來推進國產化替代。

                市場化或成未來破局關鍵

                值得注意的是,除了大力推動技術發展迭代和創新之外,更為重要的是將國產化替代納入到市場化運營的框架之內,而在這一點上我們是有歷史教訓的。

                在2001年之前,中國在集成電路方面已經探索多年,但國產軟硬件一直用于特定領域,比如計算原子彈爆炸的103專用計算機,但這些都離真正的市場化太遙遠了。面臨英特爾和微軟的包圍,國產芯片在純市場化條件下很難有一戰之力。意識到了市場化的重要性之后,國家開始組織人員開啟新一輪的市場化探索,這次的焦點是面向市場的通用處理器。2001年,由倪光南院士領導研發成功的方舟一號橫空出世,一度在國內引起廣泛轟動,但其卻因為后續推廣不及預期而以失敗而告終,讓無數期待國產化替代的行業內外人士不勝噓唏。

                回過頭來看,造成這種結果的原因是多方面的。如前文所述,除了Wintel聯盟已經構建的聯盟體系不可撼動之外,新的趨勢尚未到來、產業基礎不牢等方方面面的掣肘,都是造成這個中國人心心念念的“造芯行動”中道夭折的外部誘因,但回歸到市場環境上來看這種“失敗”還有另一種解釋。

                其一,要讓用戶在軟硬件系統上“改換門庭”必須是自動發生的過程,用戶與廠商之間的信任是其中的關鍵紐帶。縱觀軟硬件協同體系的演進史不難發現,從最早的IBM+DOS一統江湖,到Wintel聯盟抓住圖形化個人電腦崛起,再到移動時代ARM制霸移動市場,這其中的后來者都曾有過與“前輩”交鋒的記錄,但都是后來抓住新的機會才實現真正突圍的,而這個過程是自然發生的。

                其實,這些軟硬件體系在設計之初,比國內的軟硬件生態體系缺點更多、性能更差。但是勝在有體系的配合,平臺能夠根據用戶實際需求和應用場景有的放矢,用戶在解決問題的過程中將成果反饋到生態之中使已有體系獲得迭代成長,廠商與用戶之間在解決問題過程中形成的信任,推動體系不斷變強。但方舟一號作為后來者,無法再用相同的方式“慢慢變強”,因為用戶已經體驗到了“最好的系統體驗”,再次遷移的成本太高,這也是方舟一號雖然曾經有過北京市政府采購幾萬臺的記錄,卻終究未能改變其“失敗命運”的原因所在。

                其二,面對新的市場需求變化,應該緊緊抓住機會全面推動整個生態體系的“配套演進”,為新架構生態的軟硬件協同體系構建完整的體系閉環。如前文所述,跟隨者很難完成對已有領先者的“完全超越”,那既然如此何不“換道超車”呢?站在當下的時點來看,如今國內物聯網生態已經漸成規模,應用廠商配套服務商眾多,市場化、商業化條件逐漸成熟。因此,接下來的核心關鍵在于國內架構廠商要發揮核心推動作用,帶領整個協作體系伙伴一起推動物聯網生態的體系化配套演進,從而為高水平的生態建設開辟道路。

                簡而言之,無論是抓住市場趨勢還是推動廠商與用戶之間建立信任都應該立足市場規律。唯其如此,國產化替代才有望真正打開一條希望之門。

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                劉曠

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