国产CPU走到十字路口：谁来取代英特尔芯片？（少写了一个Open）

Posted 2020-07-14

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。

文 | 瞭望智库特约科技观察员 王强

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。

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