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国产CPU走到十字路口谁来取代英特尔芯片?

作者:电子信息产业网来源:OFweek电子工程网发布时间:2016-05-23 09:32我要评论

国内的几支CPU研发力量各自选择的指令体系都有自己的优点和问题,选择其中的哪一支都会有对应的成本和风险。最终谁能担大任,且拭目以待。

用上内置国产CPU的个人电脑是不少国人的梦想,中国的IT产业也为这个目标奋斗了将近二十年。

然而在过去,由于技术落后、成本高昂、软件兼容性较差等因素,国产CPU的市场竞争力低下,只能在实验室和特定领域少量应用,无法在商业市场同进口处理器正面抗衡。

随着技术进步、IT产业变革及国际形势的变化,如今以国产CPU取代进口产品已经不是一个遥远的梦想。在政府机关、国企单位等关键领域,换用国产CPU也成为一项需要尽早完成的任务。

那么,这项任务该如何执行,由谁来肩负取代进口处理器的使命,成了摆在决策机关面前的一项现实问题。

为什么要改用国产处理器?

如果CPU产业不存在“软件兼容”这个问题,中国或许早就有能力在关键领域大规模应用国产处理器了。遗憾的是,CPU的设计直接决定了其能够运行哪些应用程序,这成了摆在国产CPU面前最大的障碍。

从上世纪90年代开始,微软和英特尔分别以Windows系统和奔腾处理器横扫个人电脑市场,并确立了x86体系的垄断地位。

x86是一种计算机底层指令规范,其专利主要掌握在英特尔公司手中。个人电脑上使用的Windows系统和奔腾、酷睿等处理器以及成千上万的应用软件,都是在这一规范基础上设计的,因此即便是2005年生产的电脑也可以运行新一代的Windows 10系统和相应的软件,反之亦然。

其它厂商想要设计制造兼容x86指令规范的CPU,就要得到英特尔公司的授权,但是英特尔出于自身利益的考虑,极少同意这样的授权请求。

这样一来,新晋CPU研发企业要开发CPU就只能使用不同于x86的指令规范,开发出的产品也就无法运行基于x86规范设计的操作系统和应用软件。由于x86在个人电脑领域的垄断地位,其它企业也就很难与英特尔公司正面较量。

IT产业的变革速度超过了大多数人的想象。虽然x86体系在PC产业一直保持着垄断,但到了最近几年,这一状态有了松动的迹象。这也为中国自主CPU的大规模应用创造了条件:

首先,为非x86体系的CPU开发操作系统和应用程序变得不像从前那么困难,只要有足够的需求、资金支持,在一个新的体系上建立一套软件生态环境,是可以做到的;

其次,英特尔CPU的性能增长速度在最近几年大大放缓,给了后起之秀追赶的机会。即便国产CPU在性能、功耗等指标上达不到英特尔高端产品的水平,依旧可以满足一般用户的需求;

最重要的一点是,政府、国企、军队等关键领域迫切需要用国产芯片取代进口产品,消除信息安全隐患,并预防可能的贸易封锁。

近年来,美国多次对国内敏感单位、国营企业签发出口禁令,更加剧了相关行业、单位对过度依赖进口CPU的忧虑。长远来看,重要部门、企业在CPU、操作系统等IT产品使用方面实现国产化,是无可争议的目标。

国产CPU的体系之争

虽然重要领域换用国产处理器已经是一项亟待完成的任务,但是在具体的实现方式上,中国如今面临着“选择困难症”的尴尬。

当年国内研发自主CPU的相关机构在选择CPU使用的底层指令规范时,因为谁都无法获得英特尔的x86授权,因此大家各自选择了其它的规范体系。

其中,中科院计算所的龙芯使用了名为MIPS的标准,并在此基础上发展出了自己的一套规范;江南计算技术研究所的申威芯片选择了Alpha规范;国防科大的飞腾芯片则最终确定使用了ARM规范。

除了这几家国家级科研机构外,民营企业中也有佼佼者在进行自主CPU的开发。最典型的是华为,其正在使用ARM规范开发自己的CPU核心。

最近,上海的兆芯和中科院的曙光相继同境外企业合作,提出了与外方合作开发x86体系CPU的计划。

由于x86专利授权的限制,两家单位无法完全掌握CPU的研发流程,因而在自主性上差于上面提到的单位。但在合作研发的过程中,兆芯和曙光还是能做到避免产品出现后门,并获得自主生产的决定权。因此这两家的产品也可以作为决策部门的备选方案。

综合下来,现阶段国内CPU研发单位选择的指令体系就存在MIPS、Alpha、ARM、x86四种。为其中一种体系开发的操作系统、应用软件无法直接运行在其它体系上,这就成了国内需求方面临的最大困境。

出于软件兼容性、便利性和成本等因素考虑,国内市场未来只可能容纳一个CPU指令体系,也就必须在现有的几种方案中做出选择。一旦选定某个体系并在此基础上发展出一套软件生态,其它体系就基本告别大规模应用的可能,顶多在特定领域小范围部署。

换句话说,决策部门的选择将直接影响几大研发单位的市场前景,乃至影响全球CPU市场的产业格局。

谁更适合中国国情?

那么,国产CPU的几大备选体系方案各有什么特点和优劣呢?我们一一来看。

Alpha:申威芯片选择的Alpha的优势是,其指令体系的相关专利大都过了保护期,可以自由使用。但问题在于,当前软件行业对Alpha体系的支持薄弱,如果选择这一体系,就需要在软件生态方面投入大量资源进行建设,并需要较长时间来完善。

MIPS:大名鼎鼎的龙芯选择的是MIPS指令体系,并在此基础上进行了扩展,发展出了自己的一套标准,完全掌握了指令体系的修改权利,未来根据国内需要进行相应的改进无需再向国外企业寻求授权,因而在自主性方面拥有最佳条件。

不过,龙芯同申威一样面临着软件生态支持薄弱的困境,因此虽然多年来龙芯一直以主流PC市场为目标,但实际成果不如人意。如果决策部门最终选定龙芯体系,也需要付出很大的代价来建设软件生态。

ARM:国防科大和华为都选择了在智能手机、平板设备中广泛应用的ARM体系来开发CPU。原因是ARM体系的软件生态已经相当成熟,未来的发展基本不需要国家的支持。

从全球市场的大趋势来看,ARM体系也是最有希望和x86体系直接竞争的一方。当然,选择ARM体系的问题在于,国内机构和单位需要每隔五年向ARM公司购买一次授权,灵活程度上无法与Alpha、MIPS相比。

x86:兆芯和中科曙光分别与台湾VIA、美国AMD合作,计划推出合作开发的CPU产品。他们的方案的自主程度远不如以上三种,长远来看也难以避免被“卡脖子”的风险。

但合作开发意味着国内单位可以直接获得CPU的原始代码并检查其中是否存在后门,因此能满足关键部门基本的信息安全需求。

与此同时,x86体系几乎没有软件兼容方面的问题,可谓“拿来就用”。短期来看,如果相关需求方需要迅速过渡到没有安全隐患的国产CPU产品上,兆芯和曙光的方案是最现实的选择。

国产CPU:中国该如何选择?

显然,国内的几支CPU研发力量各自选择的指令体系都有自己的优点和问题,选择其中的哪一支都会有对应的成本和风险。

如果需求方面临的形势不是那么迫切,那么国家大可多等几年,待各家研发的产品足够成熟后再作出最终的决定。只是现实情况可能不允许长时间的等待,短期内中国就需要为进口芯片确定一个国产替代方案,并在此基础上投入大量资源进行相关的软件生态体系的建设。

综合来看,ARM体系是几种方案中的一个较为折衷的选择,既满足了自主研发的相关要求,又有着成熟的软件配套资源,很容易发展出一套软硬件生态满足政府、国企等单位的办公PC、服务器等需求。

当然,前提是国内各单位和企业使用ARM指令授权开发真正自主的CPU核心,而不是直接买ARM的CPU核心来制造芯片,那样和直接进口并没太大区别。

如果选择龙芯或申威的自主方案,国家需要迅速确定方向并尽快开始配套软件生态体系的建设,并大大增加对研发单位的投入,前期付出的代价会比较高昂,但长远来看,这种选择能够彻底摆脱对国外厂商的依赖。

至于兆芯和曙光的合作开发方案,很适合应付眼下的急迫需要,但并不是彻底治本的选择。

无论中国选择哪种体系来取代进口CPU,最终都会对全球IT产业格局乃至国际形势带来深远的影响。今天的国产CPU产业已经走到了十字路口,未来将由谁来主导大局、完成在重要领域取代进口处理器的重任,让我们拭目以待。


责任编辑:陈炳欣
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