国产 CPU 群雄逐鹿的局面正在结束。
2016 年 3 月,24 家研究软硬件关键技术和应用的国内单位,共同发起成立了一个非营利性社会组织「信息技术应用创新工作委员会」,一个新的名词「信创」由此出现在人们眼前。
随着时间的推移,全国各地相继成立了大量信创产业联盟,催生了庞大的信息技术应用创新产业。甚至在 A 股中,也出现了一个专门的信创板块。
在中美贸易摩擦,面临百年未有变局的今天,信创概念越来越被人们频繁提及,大多数人都听说过它另一个更通俗的称呼:解决核心技术「卡脖子」问题。
解决最关键的问题
信创的核心在于构建信息技术软硬件底层架构和全周期的生态体系,本质是实现自主可控,目的在于让关键部门用上安全可信的技术产品。
由于历史原因,我国在信息技术领域长期处于跟随地位。国际 IT 巨头占据大量市场份额,制定了科技行业的底层技术标准,并控制着大部分信息产业生态。随着国内企业在产业链位置的不断爬升,在基础软硬件领域,国内厂商正在实现从无到有,从可用到好用的发展,研发实力逐渐强大。
如今在国际环境变化的背景下,信创正在加速向行业的深水区迈进。
信创产业体系全景图。资料来源:众诚智库,2021.01
在国内,最常被提及的「卡脖子」技术就是芯片,中央处理器(CPU)对于计算机的算力至关重要,它是支撑 IT 系统运作的发动机,覆盖从服务器到移动终端等不同设备。在不同的场景下,人们对 CPU 的各类性能指标提出了严苛的需求,覆盖数据处理能力、可靠性、功耗等等。
我国是全球最大的芯片消费国,2013 至 2021 年间,中国集成电路行业市场规模由 2509 亿元增长至 10348 亿元,年均增长率为 19.38%。但相对而言,芯片行业发展却显得较为落后。
在全球视角下,芯片产业的竞争也是产业链的综合实力的竞争。不同于其他产业,IT 基础设施存在显著的「木桶效应」,在硬件 - 软件 - 服务的完整链条中,任何位置国产化能力的缺失都将影响自主体系发展。
群雄并起的局面
随着需求的推动,国内芯片行业正在经历大发展。自 2011 年算起,我国芯片半导体赛道披露的融资总金额已超万亿元人民币。但在架构的选择上,国产芯片厂商出现了路径的不统一,覆盖了三大技术路线:X86、Arm 和自研指令集。
其中,海光和兆芯选择了最主流架构 X86,它是当前大多数服务器和计算机 CPU 使用的架构,其芯片性能强大,也因为大规模应用获得了良好的兼容性。然而众所周知,X86 来自于行业巨头英特尔,国内厂商仅有 IP 内核级使用授权,完全自主可控难度大。
龙芯、申威等公司则选择构建自研指令集。目前来看,这一方向的产品用户数量一直较少,仍未出现规模可用的生态。
相比之下,华为和飞腾等厂商选择走 Arm 架构的技术路线,这或许是当前国产芯片突围最好的选择。
Arm 架构 CPU 始于低功耗、计算量小的移动端场景,在移动端、IoT 等领域占据着压倒性的市场及技术优势,随着人工智能等技术的发展,数据价值提升了边缘计算的重要性,端边云协同发展、架构统一为趋势,为 Arm 架构朝云端、PC 端生态发展带来机会。从硬件层面来看,Arm 的可扩展性能让产品线实现统一。从软件层面看,基于 Arm 的共同架构可以方便开发者面向整个生态进行开发。
而对于信创而言,使用 Arm 架构也可以做到自主可控:Arm 公司是一家知识产权(IP)供应商,通过转让设计方案的方式由合作伙伴生产出各自的定制化芯片。其中某一版本的架构层级授权通常是永久性的。对于信创来说,已获得的 Arm 授权设计可以持续改进,保持先进性,同时满足自主可控的需求。
有人把这三种路线的选择比喻成写论文:X86 的 IP 内核授权模式受制于人,就像论文核心部分永远在引用别人的旧结论;自研指令集如同从零开始开拓一个新领域,在芯片行业已经历多年发展的现在难度很大;而经由 Arm 永久授权的基础进行研发,相当于在一个正在发展的领域上添砖加瓦,是可以深度改进,并持续研发的技术路线。
Arm 架构的兴起
在 PC 和服务器端,X86 一直占据主流,但在全球范围内,Arm 是最流行的芯片架构。
仅在 2021 年,Arm 就报告全球生产了 290 亿片 Arm 架构芯片,而 X86 架构芯片每年的产量大约在 3.5-3.6 亿。Arm 芯片几乎垄断了移动端市场,市场占比超过 90%,由此催生的大量应用带动了服务器和 PC 端的 Arm 市场。
图片来源:Arm 官网。
另一方面,基于 Arm 架构的服务器和 PC 芯片也在快速演进。
2018 年,云服务巨头亚马逊发布的自研 CPU Graviton 开启了半导体行业的新时代。Graviton 为 Arm 架构冲击高端市场打开了局面,引发了科技巨头的造芯热潮。在 AWS 的产品中,基于 Arm 架构的算力拥有最多达 40% 的性价比优势,而且还涵盖了广泛的工作负载和场景。
在此之后,英伟达、阿里云等公司也纷纷宣布开始研发面向云服务的 Arm 架构 CPU。在全球各大云厂商的服务中,基于 Arm 架构的算力如今已经占有相当比例。
在 PC 端的 Arm 架构处理器上,2020 年苹果推出的 M1 彻底打开了局面,其部分性能指标超过了同时代的 X86 架构芯片英特尔酷睿 i9,同时还保持了很低的功耗。Arm CPU 在 PC 处理器市场的份额如今已经达到 9.5%,占比虽然还不算大,但要知道在 2020 年第三季度,这个数字仅为 2%。
繁荣的产业生态背后,Arm 架构的优势逐渐显现:每个 Arm 架构版本都可以衍生出多种处理器内核,可以针对不同应用场景推出不同的芯片;其采用的 RISC 流水线指令集相对适用于 Linux,推动了基于 Linux 的安卓不断壮大。还有大中小核的设计,让 Arm 芯片可以兼顾从服务器到重度生产力再到低功耗的场景。
谁会成为破局者?
Arm 架构的授权方式有三种:架构层级授权、内核层级授权(IP 核)和使用层级授权。其中最高层级的架构授权意味着获得授权者可以对 Arm 架构进行大幅度改造,甚至对指令集进行扩展或缩减。苹果就曾在 iPhone 5 使用的 A6 芯片上,使用 ARMv7-A 架构基础扩展出了属于自己的 Swift 架构。
Arm 的 CPU 架构,资料来源:Arm 官网。
由于信创的推动,国产芯片的竞争的重点在于桌面级 CPU 市场。对信创而言,走 Arm 路线同样可以获得其生态体系的加持。如今的各类国产 OS 都基于 Linux,其内核与安卓一脉相承。Arm+Android 生态丰富的应用经验可以快速移植到桌面端上。
而对于芯片开发厂商来说,在 Arm 的设计之上进行研发可以降低技术门槛,缩短研发周期,在较短的时间内推出性能强大的 CPU,并共享 Arm 生态的丰富资源。
在国内,华为和飞腾都已获得 ARM V8 指令集的永久授权,这意味着它们可以在原指令集上继续发展,构建相关驱动,为 Linux 内核共享源代码,甚至在此基础上发展出自己的生态。
我们或许可以认为,Arm 架构是目前信创领域的最优发展道路。走在这条道路上的参与者,也已交出了他们的第一份答卷。目前,飞腾、华为等公司已经掌握了 Arm64 处理器核、微架构及芯片设计相关技术,并发布了一系列基于 Arm 架构的 PC、服务器产品。
其中,华为的产品已经获得了市场的青睐:在擎云系列 PC 上,麒麟 990 实现了超过千万的发货量,是国产化台式机处理器中当前唯一超过这一里程碑的芯片,在芯片的性能、稳定性、安全性、可靠性上经过了市场的充分检验。
目前,我们在基于 Arm 的大量软硬件上已经实现了自主可控。在麒麟和盘古芯片平台上,华为已适配上万软件,并兼容了超过 1.9 万硬件,充分满足了信创办公的需求。除了钉钉、WPS、微信、飞书等应用之外,腾讯会议等在线会议应用也加入了适配,Arm 架构与 X86 架构版本功能近乎一致。
在消费级产品的生产、服务能力和技术上,华为复制了终端移动生态的成功经验。或许在寒冬过后,它即将扛起信创这面大旗。
结语
对于 PC 信创来说,从 X86 转向 Arm 方向不是一个选择题,而是基于业务和成本,在长期路线上的最合理规划。
随着技术的发展,国产自研 PC 逐渐拥有了强大的性能和活跃的生态,展现出了顽强的生命力。目前,中国信创产业正在与时间赛跑,目标是实现全面、全流程的自主可控。越来越多的垂直行业正在获得满足业务需求的产品。在金融、电信等领域,搭载国产自研 CPU 的计算机也即将实现规模化应用,这将进一步促进软件生态的成熟。
我们正在亲历科技领域的一个重要历史事件,在前方不远处,终点已经逐渐清晰。