缺芯少魂：加速過去式

原標(biāo)題：缺芯少魂：加速過去式

每次談及卡脖子問題，缺芯少魂（操作系統(tǒng)）總是繞不開的話題。近年來隨著國家逐步加大對國產(chǎn)芯片和操作系統(tǒng)的研發(fā)支持力度，一批具備實(shí)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(gòu)方面，龍芯推出的Loong Arch指令集，已經(jīng)具備完全自主、技術(shù)先進(jìn)、兼容生態(tài)三方面的特點(diǎn)。除了完全自主架構(gòu)之外，X86、ARM、RSIC等架構(gòu)也作為備選被納入了選擇范圍之內(nèi)；在資本支持方面，科創(chuàng)板、創(chuàng)業(yè)板紛紛向相關(guān)的公司敞開了大門，基于國產(chǎn)架構(gòu)的龍芯以及基于X86架構(gòu)的海光（上市首日暴漲66%），都創(chuàng)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(chǎn)化替代前景的日漸認(rèn)可。

配圖來自Canva可畫

國產(chǎn)化CPU加速起跑

CPU是中央處理器的簡稱，是對計(jì)算機(jī)的所有硬件資源進(jìn)行控制調(diào)配、執(zhí)行通用運(yùn)算的核心硬件單元。計(jì)算系統(tǒng)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(jī)、筆記本電腦）、服務(wù)器、移動端CPU（手機(jī)、平板、手表等）和嵌入式CPU（汽車電子、工業(yè)控制與自動化、智能電網(wǎng)）等領(lǐng)域，應(yīng)用極其廣泛。正因?yàn)镃PU本身的用途廣泛，因此我國在推動CPU國產(chǎn)化方面做了全方位的布局。

一是結(jié)合不同架構(gòu)、不同生態(tài)，推出面向不同市場的CPU架構(gòu)。據(jù)目前公開的資料顯示，目前國內(nèi)共有6家國產(chǎn)的CPU廠商，即龍芯、申威、飛騰、鯤鵬、海光和兆芯。根據(jù)各個(gè)廠商模式特點(diǎn)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?yàn)楹Ｍ馐跈?quán)方停止授權(quán)，紛紛切換到了自研指令集，因此無海外授權(quán)糾紛風(fēng)險(xiǎn)；第二類是飛鵬和鯤鵬，擁有ARM架構(gòu)永久授權(quán)；第三類是海光和兆芯，與海外成立合資公司獲得X86技術(shù)授權(quán)。

不難看出，在現(xiàn)有的CPU廠商中，國產(chǎn)廠商已經(jīng)擁有了覆蓋海外架構(gòu)、自研架構(gòu)等豐富架構(gòu)的完整CPU生態(tài)。由于各家CPU生態(tài)構(gòu)建有所差異，因此其指向方向也不同，因而具備很強(qiáng)的互補(bǔ)性。

比如，依托X86架構(gòu)的海光和兆芯擁有最強(qiáng)生態(tài)，能夠兼容目前存在的數(shù)百萬款基于X86指令集的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件；鯤鵬和龍芯基于ARM架構(gòu)在移動端一家獨(dú)大，并逐步向桌面端和服務(wù)器端延伸，生態(tài)建設(shè)較為繁榮；龍芯和申威從MIPS和Alpha 轉(zhuǎn)向自主指令集，逐漸構(gòu)建起自主生態(tài)。在市場格局方面，龍芯和飛騰分別在政府信創(chuàng)市場中占據(jù)了大部分市場份額；PC端則以X86架構(gòu)的兆芯為主；服務(wù)器端目前只有海光和鯤鵬可以滿足市場需求。總之，各類不同主體主導(dǎo)細(xì)分市場的格局，共同構(gòu)建了完整系統(tǒng)的國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

二是商業(yè)化基礎(chǔ)不斷夯實(shí)、協(xié)作伙伴加速形成。以鯤鵬計(jì)算產(chǎn)業(yè)為例，目前這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)集合了包括華為、ARM中國等在內(nèi)的重要行業(yè)巨頭，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈基于鯤鵬處理器構(gòu)建的全棧IT基礎(chǔ)設(shè)施、行業(yè)應(yīng)用及服務(wù)，已經(jīng)形成了包括PC、服務(wù)器、存儲、操作系統(tǒng)、中間件、虛擬化、數(shù)據(jù)庫、云服務(wù)、行業(yè)應(yīng)用以及咨詢管理服務(wù)等在內(nèi)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，并與華為已有的包括 openEuler、openGuass、TaiShan 服務(wù)器內(nèi)在的自主化軟硬件體系結(jié)合。

目前相關(guān)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)進(jìn)展順利，部分領(lǐng)域還取得了超出預(yù)期的效果。據(jù)悉，目前鯤鵬應(yīng)用認(rèn)證伙伴超過了3500家，認(rèn)證方案超過了10000個(gè)，華為鯤鵬硬件足以支持運(yùn)營商超過80%的虛擬化場景應(yīng)用。商業(yè)化方面，已經(jīng)上市的海光、龍芯等廠商，均已經(jīng)有了相當(dāng)好的盈利表現(xiàn)，相信隨著未來場景化的拓展和其在相關(guān)市場市占率的進(jìn)一步提升，相關(guān)廠商的表現(xiàn)還會有進(jìn)一步的表現(xiàn)。

強(qiáng)性能和補(bǔ)生態(tài)一起抓

不過，目前以飛騰為首的ARM處理器企業(yè)也面臨著生態(tài)不夠完善的問題，一些基于X86設(shè)計(jì)的軟件同樣面臨著適配和性能提升的問題。因此，放在當(dāng)下來說，提升性能和補(bǔ)齊生態(tài)仍是當(dāng)務(wù)之急。

一是持續(xù)強(qiáng)化芯片性能。以智能手機(jī)為例，此前別家的手機(jī)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(diǎn)都不卡。究其根本，主要在于蘋果將軟硬件結(jié)合起來一起優(yōu)化，從而極大地彌補(bǔ)了單品的性能差距，這種方法或許對于國產(chǎn)CPU的替代也發(fā)揮了不小的啟發(fā)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(tuán)旗下，而在該集團(tuán)之內(nèi)從芯片、操作系統(tǒng)、整機(jī)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用幾乎一應(yīng)俱全，在集團(tuán)之內(nèi)即可完成內(nèi)部優(yōu)化。

另外，緊隨先進(jìn)技術(shù)加速產(chǎn)品迭代，也能夠?qū)a(chǎn)CPU性能提升帶來更多可能。以最近芯片領(lǐng)域大熱的 Chiplet來說，它可以把一些預(yù)先生產(chǎn)好的實(shí)現(xiàn)特定功能的芯片裸片，通過先進(jìn)的集成技術(shù)，封裝成一個(gè)系統(tǒng)芯片。

按照AMD在EPYC發(fā)布會上的說法，在之后的幾年內(nèi)，AMD將通過只迭代某個(gè)die的方式來加速產(chǎn)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(jìn)工藝本身的依賴。

二是持續(xù)補(bǔ)齊生態(tài)短板。以完全自研的龍芯Loong Arch指令集架構(gòu)來說，由于手機(jī)端要求比PC端高很多，所以其暫時(shí)還不能應(yīng)用到手機(jī)上；另外，就是純自研的龍芯在使用時(shí)需要進(jìn)行二進(jìn)制的再次編譯，這是使用X86等成熟架構(gòu)時(shí)所沒有的問題。

不過，目前針對性的解決方案也在陸續(xù)出現(xiàn)，比如華為正在自研的全新編程語言—倉頡以及鴻蒙系統(tǒng)，或許會成為相關(guān)國產(chǎn)替代方案的關(guān)鍵力量?？偟膩砜?，現(xiàn)階段國產(chǎn)CPU的發(fā)展，持續(xù)強(qiáng)性能和補(bǔ)生態(tài)短板仍是當(dāng)務(wù)之急。

不可或缺的突圍要件

除了強(qiáng)性能和補(bǔ)生態(tài)之外，把握好行業(yè)的趨勢，也是一眾新型架構(gòu)廠商們突圍必不可少的要件。

首先，從芯片架構(gòu)發(fā)展的歷史來看，一旦新型架構(gòu)被認(rèn)為是最適配的架構(gòu)，就有可能成為市場中占據(jù)統(tǒng)治地位的最大甚至是唯一供應(yīng)商。比如，IBM與微軟形成的Wintel聯(lián)盟，如今已經(jīng)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(dāng)時(shí)的微軟實(shí)際上有兩條業(yè)務(wù)線，一條專用支持X86架構(gòu)，另一條則考慮了操作系統(tǒng)的可移植性，支持RISC架構(gòu)的計(jì)算機(jī)。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(zhuǎn)而全力支持X86架構(gòu)，這也使其成為了個(gè)人電腦的標(biāo)準(zhǔn)化平臺，并成為了有史以來市場上最成功的CPU架構(gòu)。

隨著移動時(shí)代的到來，X86架構(gòu)開始受限于AMD和英特爾復(fù)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(yōu)勢更足的ARM架構(gòu)則日漸崛起，借著移動智能設(shè)備的大規(guī)模發(fā)展逐漸顯示出咄咄逼人的態(tài)勢，其覆蓋的領(lǐng)域不僅涉及移動端設(shè)備、嵌入式設(shè)備，還逐漸拓展到了服務(wù)器、筆記本等x86傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域，發(fā)展勢頭如日中天，在移動市場更是占有了高達(dá)90%的市場份額，成為該領(lǐng)域無可匹敵的“王者”，這與從前相比可謂是大相徑庭。

實(shí)際上，很早之前ARM就曾想過要在服務(wù)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(bǔ)、生態(tài)尚有缺陷，加上X86在PC端市場已經(jīng)一統(tǒng)天下，與之直接爭奪對于一個(gè)新興的架構(gòu)而言非常之難。因此，此后ARM一邊加強(qiáng)了生態(tài)建設(shè)，另一邊積極發(fā)揮自身的性能和低功耗優(yōu)勢布局加速崛起的移動、云服務(wù)等新興市場，這才有了如今強(qiáng)勢追趕X86的大好局面。

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

其次，從現(xiàn)實(shí)條件來說，當(dāng)下國產(chǎn)系統(tǒng)替代具備了比十幾年前更為優(yōu)厚、充分的外部條件和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，趨勢和力量站在我們一邊。

除了外部物聯(lián)網(wǎng)、5G等大趨勢之外，國產(chǎn)替代、科技自主等國家級的大趨勢，也為國內(nèi)的架構(gòu)創(chuàng)新和替代創(chuàng)造了歷史性機(jī)遇。說起國產(chǎn)替代，上世紀(jì)90年代國內(nèi)就有了相關(guān)的聲音和實(shí)踐，但由于受信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，國內(nèi)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(chǎn)替代并沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

但今時(shí)不同往日，以上影響要素在當(dāng)前的國內(nèi)已經(jīng)在全面發(fā)生轉(zhuǎn)變。一是如今中國的信息化產(chǎn)業(yè)覆蓋到了方方面面，科技產(chǎn)品市場化意識日益增強(qiáng)，這為國產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)入市場創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境；二是國家處于深度轉(zhuǎn)型期，科技轉(zhuǎn)型的呼聲比以往要更加強(qiáng)烈，科技破局不只是發(fā)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(nèi)“卡脖子”的技術(shù)短板仍然存在，但相比從前已經(jīng)大為改善，發(fā)展新興架構(gòu)和技術(shù)的人力、物力、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)都更勝以往。在此背景下，國產(chǎn)廠商有了比以往任何時(shí)候都更加充分的條件來推進(jìn)國產(chǎn)化替代。

市場化或成未來破局關(guān)鍵

值得注意的是，除了大力推動技術(shù)發(fā)展迭代和創(chuàng)新之外，更為重要的是將國產(chǎn)化替代納入到市場化運(yùn)營的框架之內(nèi)，而在這一點(diǎn)上我們是有歷史教訓(xùn)的。

在2001年之前，中國在集成電路方面已經(jīng)探索多年，但國產(chǎn)軟硬件一直用于特定領(lǐng)域，比如計(jì)算原子彈爆炸的103專用計(jì)算機(jī)，但這些都離真正的市場化太遙遠(yuǎn)了。面臨英特爾和微軟的包圍，國產(chǎn)芯片在純市場化條件下很難有一戰(zhàn)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(diǎn)是面向市場的通用處理器。2001年，由倪光南院士領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)成功的方舟一號橫空出世，一度在國內(nèi)引起廣泛轟動，但其卻因?yàn)楹罄m(xù)推廣不及預(yù)期而以失敗而告終，讓無數(shù)期待國產(chǎn)化替代的行業(yè)內(nèi)外人士不勝噓唏。

回過頭來看，造成這種結(jié)果的原因是多方面的。如前文所述，除了Wintel聯(lián)盟已經(jīng)構(gòu)建的聯(lián)盟體系不可撼動之外，新的趨勢尚未到來、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)不牢等方方面面的掣肘，都是造成這個(gè)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(huán)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(tǒng)上“改換門庭”必須是自動發(fā)生的過程，用戶與廠商之間的信任是其中的關(guān)鍵紐帶。縱觀軟硬件協(xié)同體系的演進(jìn)史不難發(fā)現(xiàn)，從最早的IBM+DOS一統(tǒng)江湖，到Wintel聯(lián)盟抓住圖形化個(gè)人電腦崛起，再到移動時(shí)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(jī)會才實(shí)現(xiàn)真正突圍的，而這個(gè)過程是自然發(fā)生的。

其實(shí)，這些軟硬件體系在設(shè)計(jì)之初，比國內(nèi)的軟硬件生態(tài)體系缺點(diǎn)更多、性能更差。但是勝在有體系的配合，平臺能夠根據(jù)用戶實(shí)際需求和應(yīng)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(tài)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(qiáng)。但方舟一號作為后來者，無法再用相同的方式“慢慢變強(qiáng)”，因?yàn)橛脩粢呀?jīng)體驗(yàn)到了“最好的系統(tǒng)體驗(yàn)”，再次遷移的成本太高，這也是方舟一號雖然曾經(jīng)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(yùn)”的原因所在。

其二，面對新的市場需求變化，應(yīng)該緊緊抓住機(jī)會全面推動整個(gè)生態(tài)體系的“配套演進(jìn)”，為新架構(gòu)生態(tài)的軟硬件協(xié)同體系構(gòu)建完整的體系閉環(huán)。如前文所述，跟隨者很難完成對已有領(lǐng)先者的“完全超越”，那既然如此何不“換道超車”呢？站在當(dāng)下的時(shí)點(diǎn)來看，如今國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)已經(jīng)漸成規(guī)模，應(yīng)用廠商配套服務(wù)商眾多，市場化、商業(yè)化條件逐漸成熟。因此，接下來的核心關(guān)鍵在于國內(nèi)架構(gòu)廠商要發(fā)揮核心推動作用，帶領(lǐng)整個(gè)協(xié)作體系伙伴一起推動物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的體系化配套演進(jìn)，從而為高水平的生態(tài)建設(shè)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(yīng)該立足市場規(guī)律。唯其如此，國產(chǎn)化替代才有望真正打開一條希望之門。

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