统一指令集,中国算力芯片的“新十年”统一指令集,中国算力芯片的“新十年” \u003cdiv class=\"rich_media_content\"\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e\u003c!--IMG_0--\u003e\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e文丨唐志敏 深圳理工大学算力微电子学院院长、象帝先董事长\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e编辑丨苏扬\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e过去40年,处理器芯片呈现出“否定之否定”的螺旋式发展道路:自研-放弃自研-自研。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e最近5年,越来越多的整机和平台厂商,重新加入自研的“芯片战争”,并且显现出一个新趋势——\u003cstrong\u003e以CPU为中心的同构计算系统,转变成CPU联合xPU的异构计算。\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e“芯片战争”中的选手要直面几个问题:其xPU架构创新有多少,持续创新空间有多大、应用规模能否摊薄硬件、生态的创新成本。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e刚刚公布的“十五五”规划建议稿也提到,加快科技高水平自立自强,全面增强自主创新能力,大力实施“卡脖子”迭代攻关,聚焦半导体等关键技术环节。那么,\u003cstrong\u003e接下来的五年、十年,对于国产“算力芯片”来说,突破口在哪里?\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e我们认为是指令系统结构(指令集架构)的统一。\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e系统结构的一致性,更能推动架构层面的创新,比如把RISC-V作为统一指令系统,所有CPU/GPU/xPU都基于RISC-V及其扩展来开发,在扩大规模效应的同时,高效利用研发资源。\u003c/p\u003e\u003cdiv data-exeditor-arbitrary-box=\"image-box\"\u003e\u003c!--IMG_1--\u003e\u003c/div\u003e\u003cp\u003e指令集相当于软硬件“连接器”,按标准编写软件,即可向硬件发出计算指令。\u003c/p\u003e\u003ch1\u003e\u003c!--HPOS_0--\u003e\u003cstrong\u003e\u003c!--AIPOS_0--\u003e01 经济规模与生态成本,决定架构的“生与死”\u003c/strong\u003e\u003c/h1\u003e\u003cp\u003e计算机差不多经历了八十多年的历史,早期特点是集中式处理,少数专业人员通过终端设备才能访问到昂贵的计算资源。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e20世纪80年代后以微处理器为基础的PC和计算机网络出现,计算模式从集中式转化为分布式。后来又有了智能手机和云计算系统,计算模式进化为集中式的云中心和“泛在分布”的智能终端构成的复杂体系,且云中心本身又是一个巨大的分布式系统。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e计算进化到今天,最为核心的CPU,以两种主导式的指令集为代表:PC和服务器领域是x86架构,智能手机领域是ARM架构\u003c/strong\u003e。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003c/p\u003e\u003cp style=\"text-align: center\" data-exeditor-arbitrary-box=\"image-box\"\u003e\u003c!--IMG_2--\u003e\u003c/p\u003e\u003cp style=\"text-align: center\" class=\"qqnews_image_desc\"\u003e\u003c!--NO_READ_BEGIN--\u003e\u003cspan style=\"font-size: 14px\"\u003e\u003cspan style=\"color: rgb(102, 102, 102)\"\u003ex86等架构及相应特征\u003c/span\u003e\u003c/span\u003e\u003c!--NO_READ_END--\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003ex86和ARM占主导,是市场洗牌的结果。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e时间往回倒退,过去40年业内出现了许多有特色的架构和产品,但大部分都逐渐凋零了。例如:英特尔开发的RISC架构i860/i960、摩托罗推出的68000以及跟IBM、Apple联合开发的PowerPC架构等等。\t\u003c/p\u003e\u003cp\u003e指令集架构,从几十款到几款,快速收敛的原因各有不同。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003ex86战胜RISC,靠的是不断向高端RISC“抄作业”,同时根据新应用需求不断增加指令子集,拓展新功能\u003c/strong\u003e;PC与服务器的CPU同为x86架构,芯片出货量大,分摊了服务器CPU的研发成本,也是x86从竞争中脱颖而出的客观条件。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003eRISC CPU的失意,表面上是巨额的软硬件投入成本,根源则是无法颠覆已有软硬件生态系统\u003c/strong\u003e——大量已存在的标准或事实标准的接口,如指令架构系统,这种生态的统治力,英特尔、\u003c!--SECURE_LINK_BEGIN_0--\u003e惠普\u003c!--SECURE_LINK_END_0--\u003e曾这类联合体也无法撼动。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e回想起1990年代超算领域,如nCUBE,KSR、Thinking Machine等创业公司,既自研CPU,又开发MPP超算系统,在系统架构上提出了很多引人入胜的新方案。尤其是KSR,提出了名为Allcache的纯缓存存储架构(COMA),实现了第一个基于纯缓存的并行超算系统,其CPU只跑20MHz,功耗、散热等效率远远高于同期的英特尔486,后者主频达到了50MHz。\u003c!--MID_AD_0--\u003e\u003c!--EOP_0--\u003e\u003c/p\u003e\u003c!--PARAGRAPH_0--\u003e\u003cp\u003e最终,各种创新性的架构都“输给了”x86。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e不是说这些架构没有创新性,根本上在于\u003cstrong\u003e架构创新敌不过经济规律。所以,在文章开头,我们就呼吁,未来五年、十年,中国的算力芯片应该统一指令集架构,\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003ch1\u003e\u003c!--HPOS_1--\u003e\u003cstrong\u003e\u003c!--AIPOS_1--\u003e02 架构创新难,生态构建更难:壁垒在软件与协同\u003c/strong\u003e\u003c/h1\u003e\u003cp\u003e英特尔于2000年左右推出Pentium 4处理器,时钟频率已达到4GHz。25年后的今天,很多产品时钟频率还停留在这个水平。这是因为\u003cstrong\u003e进入纳米工艺后,摩尔定律逐渐失效,晶体管开关速度放缓。\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e现在,\u003cstrong\u003e业界依赖晶体管数量的累积来提升性能,其基本的思路是并行\u003c/strong\u003e,如增加数据位宽、增加功能部件、增加处理器核的数量等等。但增加了这么多的部件,如何控制与管理?就要看计算机体系结构。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e计算机体系结构既是硬件与软件的接口界面,也决定了硬件与软件的分工,根据硬件与软件分工的不同逻辑,大致可分为三种类型:\u003c/p\u003e\u003cul style=\"--ul-list-style-type: \u0026#39;\\25EF\u0026#39;\" class=\"nonUnicode-list-style-type\" data-list-style-type=\"circle\" classname=\"ex-list\" data-ex-list=\"ul\"\u003e\u003cli\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e激进的结构(完全动态优化):\u003c/strong\u003e类似上文提到的纯缓存存储架构,强调软件在动态分析和优化方面能力有限,因此在硬件上做尽可能多的动态优化, 但这样往往导致硬件过分复杂、功耗过高;\u003c/p\u003e\u003c/li\u003e\u003cli\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e保守的结构(静态优化):\u003c/strong\u003e硬件仅提供必需的设施, 如大量的寄存器或SRAM,依赖软件来实现高性能,这种方案的好处是硬件简化了,缺点是编程不便、性能没有保障;\u003c/p\u003e\u003c/li\u003e\u003cli\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e折中的结构(动静态相结合的优化)\u003c/strong\u003e:硬件做一些动态的优化, 如高速缓存,软件也仍有优化的余地,通过软硬件协同解决性能和编程问题。\u003c/p\u003e\u003c/li\u003e\u003c!--MID_AD_1--\u003e\u003c!--EOP_1--\u003e\u003c/ul\u003e\u003c!--PARAGRAPH_1--\u003e\u003cp\u003e由于需要运行操作系统、编译器及各种复杂控制应用,涉及的串行因素比较多,\u003cstrong\u003e高端CPU经常采用激进的结构,但由于结构异常复杂,导致正确性难以验证,研发工作量极大\u003c/strong\u003e。随着熔断、幽灵等硬件漏洞的出现,这类结构也易受瞬态执行攻击的问题也暴露出来。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e目前业界更倾向于基于这种结构——增加处理器核的数量,来提升性能,比如代表算力的xPU芯片,就是典型的众核(Many Core)结构。\u003c/strong\u003e这种架构可以匹配图像处理、神经网络等天然依赖并行计算的特点,只要硬件提供足够的运算部件、存储单元、互连机制,并由软件程序把并行性表达出来,就可以在并行硬件上高速地执行。\u003c/p\u003e\u003cdiv data-exeditor-arbitrary-box=\"image-box\"\u003e\u003c!--IMG_3--\u003e\u003c/div\u003e\u003cp style=\"text-align: center\" class=\"qqnews_image_desc\"\u003e\u003c!--NO_READ_BEGIN--\u003e\u003cspan style=\"font-size: 14px\"\u003e\u003cspan style=\"color: rgb(102, 102, 102)\"\u003e英伟达PASCAL和TURING架构GPU,拥有大量CUDA计算核心\u003c/span\u003e\u003c/span\u003e\u003c!--NO_READ_END--\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e英特尔Xeon Phi,Google TPU等,都是专门设计的众核加速器,而更流行的GPGPU则阴差阳错的成为众核加速器——一开始只用于图形渲染,非专门为AI设计。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e不管是TPU还是GPGPU,\u003cstrong\u003e众核结构xPU的“算力芯片”大规模应用,首先要解决的还是生态系统问题\u003c/strong\u003e——在处理器上运行的各类软件的总和,包括各种应用软件,及支撑应用软件开发运行的系统软件、中间件、库函数等。在这方面,用户之所以喜欢使用英伟达的产品,就是因为CUDA拥有成熟的并行软件生态。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e前面提到英特尔和惠普的合作项目。双方于1994年,联合开发了不与x86兼容的EPIC架构的IA-64安腾处理器,前后花了十余年时间,耗资巨大,终究未能成功。关键就在于经过40多年演进的x86架构,形成了任何处理器架构都无法比拟和复制的产业生态环境。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e英特尔、惠普的新架构、新产品,解决不了新的生态问题。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e这里面还有一个洞察——Gartner分析了从2009到2018年的企业软件市场,十年间,x86软件的市场份额持续上升,到2018年,全球投入在x86软件(含企业应用软件、基础设施软件、垂直专用软件)开发上的费用高达600亿美元,IDC 2019年同期的数据表明,全球服务器硬件的总收入也就800亿美元。\u003c!--MID_AD_2--\u003e\u003c!--EOP_2--\u003e\u003c/p\u003e\u003c!--PARAGRAPH_2--\u003e\u003cp\u003e也就是说,软件开发的费用远远高于硬件,新搞一个处理器架构已经很费钱了,基本不会有人给更多投资去开发配套的软件。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e基于这一点,\u003cstrong\u003e可以预判,未来很长一段时间,服务器市场上x86 CPU仍居主导地位。\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e有人也许要问,ARM-64的机会在哪里?它的核心看点在于打破英特尔在x86服务器市场一家独大的格局,因为英特尔的CPU毛利太高了,谁都想去分一杯羹,正如AI芯片厂商想去分英伟达的蛋糕一样。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e最终,ARM服务器未来能够取得成功,几个原因可能是决定性的:\u003c/p\u003e\u003cul style=\"--ul-list-style-type: \u0026#39;\\25EF\u0026#39;\" class=\"nonUnicode-list-style-type\" data-list-style-type=\"circle\" classname=\"ex-list\" data-ex-list=\"ul\"\u003e\u003cli\u003e\u003cp\u003e一是掌控了全栈技术(应用)的大厂放弃x86,如苹果、亚马逊,它们的生态迁移完全可控,产量或毛利率也是可控的\u003c/p\u003e\u003c/li\u003e\u003cli\u003e\u003cp\u003e二是端云融合,ARM在终端的优势弥漫到云端,如Android Cloud,ARM服务器更适合支持Android Apps,应用可在云和端间随便迁移。还有云游戏在云端也不需要依赖虚拟机。\u003c/p\u003e\u003c/li\u003e\u003c!--MID_AD_3--\u003e\u003c!--EOP_3--\u003e\u003c/ul\u003e\u003c!--PARAGRAPH_3--\u003e\u003cp\u003ex86的故事仍在继续,ARM攻势迅猛,开源的RISC-V则还需要努力。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e关于RISC-V,业内有很多讨论,既有ARM“价格贵”的问题,也有开放性、可研究性的问题,但主要还是商业化的困境。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e近年来,\u003cstrong\u003eRISC-V应用较多且相对成功的,都是软件比较简单的场景\u003c/strong\u003e,即以微控制器(MCU)为代表的嵌入式领域,如希捷、西数等企业的存储类产品。而以物联网为代表的嵌入式场景,其需求非常碎片化,RISC-V虽然可以针对应用特点自定义对指令集的扩展,但这样分门别类地定制芯片,就失去了集成电路产业的规模效应。\u003c!--MID_AD_4--\u003e\u003c!--EOP_4--\u003e\u003c/p\u003e\u003c!--PARAGRAPH_4--\u003e\u003cp\u003e软件、应用之外,\u003cstrong\u003eRISC-V的硬件生态也还不成熟——有竞争优势的高性价比处理器核的种类少,也缺乏支持多核互连的高性能片上网络(NOC)\u003c/strong\u003e,尤其是片上网络,业内都还在用ARM方案,不过ARM不会单独向RISC-V项目授权片上网络IP,而要搭售ARM CPU核心,成本又被拉上来了。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e一些观点认为,随着JAVA、Python等跨平台的语言/工具越来越流行,通过虚拟机技术实现应用的跨平台迁移,还可以用仿真的方法用一种指令集模拟另一种指令集,\u003cstrong\u003e寄希望于指令集架构重要性变低,进而重构x86、ARM的“垄断”格局。\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e不过,这也存在另一些相反的事实,例如英特尔一直在持续地扩展其指令集,增加新指令(子集),如近年看到的SGX、AVX512、AI扩展指令集等,说明硬件指令的直接支持对性能、能效比至关重要。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e又如,由于业界的各类基础软件和应用软件,主要都是针对英特尔CPU优化的,即使同样是x86的AMD CPU,能流畅支持的软件配置种类就少得多。所以,阿里的公有云平台只用英特尔的CPU产品,它们可以自如地支持各种老旧的OS类型、版本、配置。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e从这个角度来看,\u003cstrong\u003eRISC-V进入以计算机为代表的通用平台,还有一段旷日持久的路程要走\u003c/strong\u003e。\u003c/p\u003e\u003ch1\u003e\u003c!--HPOS_2--\u003e\u003cstrong\u003e\u003c!--AIPOS_2--\u003e03 统一指令集:中国算力芯片规模化的关键路径\u003c/strong\u003e\u003c/h1\u003e\u003cp\u003e近年来,系统和平台厂商又开始研发计算芯片了:美国有苹果公司、谷歌、亚马逊、微软,中国公司也很多。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e所有自研的场景当中,云厂自研芯片的模式是行得通的,因为企业盈利的基础在于增值服务,不在硬件。云厂商由于掌控全栈软硬件,生态移植的困难也较小,且因为自身规模大,可以负担芯片研发的费用。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e不过,现阶段多数企业自研还是用于内部,因此外部客户仍然需要独立的芯片供应商。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e众多自研芯片的系统厂商当中,苹果公司是一个非常成功的案例,基本实现了核心产品线处理器的全线自研——手机为A系列、平板和PC为M系列、手表为W系列、耳机为H系列。\u003c/p\u003e\u003cdiv data-exeditor-arbitrary-box=\"image-box\"\u003e\u003c!--IMG_4--\u003e\u003c/div\u003e\u003cp style=\"text-align: center\" class=\"qqnews_image_desc\"\u003e\u003c!--NO_READ_BEGIN--\u003e\u003cspan style=\"font-size: 14px\"\u003e\u003cspan style=\"color: rgb(102, 102, 102)\"\u003e苹果自研芯片矩阵,数据更新至2025年9月\u003c/span\u003e\u003c/span\u003e\u003c!--NO_READ_END--\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e“产品定价高”可以作为评判苹果自研成功与否的一个表面指标。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e和公版的ARM CPU核相比,苹果公司自研的CPU性能高、成本也高,但配合自研的系统软件,整体达到优化的用户体验,同时加上营销体系的助力,形成“高大上”的形象,就可以卖出高价钱。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e只不过,很多失败的项目,只看到了苹果公司“自研芯片”的表面指标,\u003cstrong\u003e“自研芯片”,如果只是为了“使用芯片”,或者只是聚焦在纸面参数上,而忽略掉软件的差异化、生态能力提升,进而共同推动用户体验的优化,未必有价值。\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e软件定义一切,也包括“成败”。\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e无论CPU还是GPGPU,都需要在软件生态上,与现有成熟产品形成差异化,实现附加值提升,但这不等于一切都需要重构和创新,比如指令系统——指令系统越多,软件生态方面就需要投入越多,“统一”起来困难重重。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e前面提过,软件方面的投入比硬件研发的投入还要大,而软件掉队的负面现象,目前大量出现在当前的领域专用架构(DSA)和其它xPU研发领域。比如很多国产智算中心,投资规模很大,但受配套软件不全等问题限制,实际利用率并不高,这其实就是软件跟不上硬件“步伐”带来的后遗症。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e回想架构之争的年代,诸神混战,最后也只有少数几个架构活了下来。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e实际上,体系结构创新,未必一定要新架构,也可以在现有的指令系统框架内实现,RISC-V恰好在这方面具备很好的支撑。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e例如,国外Tenstorrent等企业基于RISC-V指令集,扩展支持AI的子指令集,进而开发了基于RISC-V的AI加速计算方案。又如,国内外不少大学和科研机构都在RISC-V上扩展了密码学相关的子指令集,并在此基础上实现了对后量子密码的支持等等。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e所以,我们呼吁:\u003cstrong\u003e把RISC-V作为统一指令系统,所有CPU/GPU/xPU都基于RISC-V及其扩展来开发\u003c/strong\u003e,避免重复劳动和研发资源的无谓浪费。\u003c/p\u003e\u003cp style=\"text-align: center\" data-exeditor-arbitrary-box=\"image-box\"\u003e\u003c!--IMG_5--\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003ci\u003e\u003cspan style=\"color: rgb(153, 153, 153)\"\u003e关于作者\u003c/span\u003e\u003c/i\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003ci\u003e\u003cspan style=\"color: rgb(153, 153, 153)\"\u003e唐志敏是我国处理器芯片领域核心研究者,现任高性能GPU芯片研发国家高新技术企业象帝先计算技术(重庆)有限公司董事长、深圳理工大学算力微电子学院院长、中国科学院计算技术研究所主任研究员。唐志敏长期深耕高性能计算与处理器架构,对中国自主芯片的技术演进与产业趋势有深刻洞察。\u003c/span\u003e\u003c/i\u003e\u003c/p\u003e\u003cdiv powered-by=\"qqnews_ex-editor\"\u003e\u003c/div\u003e\u003cstyle\u003e.rich_media_content{--news-tabel-th-night-color: #444444;--news-font-day-color: #333;--news-font-night-color: #d9d9d9;--news-bottom-distance: 22px}.rich_media_content 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