中國需要怎樣的指令集架構？

這些天，中美貿易戰的話題到處刷屏，國人在看到中國在各領域取得重大進步的同時也不得不面對在晶片領域高達2000多億美元進口額的現實。

在傳統機械領域，中國已經實現了引進消化吸收，許多人也期待電子信息領域能重現這一幕，但電子信息產業具有高度整體性的特點，軟體和硬體高度綁定，軟體依賴於晶片，晶片銷售又由軟體帶動，構成了複雜的生態系統，不可能只在晶片領域突破，也不可能只在作業系統領域突破。

而晶片事關國家信息安全，國家又有安全可控的要求。

對於半導體從業人員來說，一方面需要能跟上國際主流技術，不能閉門造車，另一方面又要保證安全，不可受制於人，晶片設計的路徑選擇就成了關鍵，其中的焦點是處理器指令集的選擇。

目前市面上處理器指令集眾多，可以說是百花齊放，但從產業發展的角度和國際市場的發展規律來看，眾多指令集不是常態，最後會統一到1-2家指令集架構之上。

我們這裡不妨分析展望一下這幾種指令集的現狀和未來的發展前景。

首先是Intel的X86指令集。

X86指令集在PC和伺服器市場得到廣泛應用，市場占有率基本是100%。

單單是在雲計算市場，中國每年要購買500萬片以上的伺服器晶片，花費超過40億美金。

在PC市場，中國一年出貨量8000萬台，進口金額更是巨大。

但是，這些晶片大都是Intel生產的，中國廠商只能採購Intel晶片，自己做外圍電路。

因為X86指令集和PC軟體和伺服器軟體的高度耦合，Intel可以通過自己的晶片設計得到大部分利潤，不會願意向更多廠商授權其指令集。

另外兩家能拿到X86指令集授權的廠商是AMD和VIA，但是Intel對X86專利授權有重重限制，只有在AMD和VIA是公司大股東的情況下才能使用X86授權。

國內海光通過與AMD的合資獲得了x86的技術授權，股權結構就設計的相當複雜，不適宜向其他廠商擴散。

VIA則是通過與上海市政府下屬公司合資的兆芯設計X86 CPU，按照其股權結構，專利授權是有瑕疵的。

兆芯設計的晶片在國內賣或許可以，但要走出國門去參與國際競爭是不可能的。

對中國大部分晶片設計公司來說，得不到X86授權沒法拿到門票，無法在PC市場和伺服器市場與Intel競爭。

僅有的兩家合資公司或許能完成進口替代，但從產業競爭和安全可控角度都面臨明顯的天花板。

可以預料，在伺服器和PC領域X86還將擁有很強的地位，但X86指令集不會成為中國晶片設計公司的主流。

然後是Arm指令集。

Arm指令集從誕生至今聚焦於低功耗設計，一直在嵌入式領域耕耘。

在移動網際網路大發展的這幾年，Arm指令集得到了蘋果iOS和Google的Android的支持，成為了事實上的標準。

蘋果，高通，三星等國外大廠都選擇了Arm指令集。

國內廠商如華為海思，紫光展銳，瑞芯微，全志科技等也通過Arm IP參與到全球競爭，在手機和平板市場取得了較好的成績。

在物聯網領域，基於Arm指令集的處理器也占據了主導地位，占據了一半的MCU市場份額。

這其中，國外廠商ST，NXP，Infenion等都有基於Arm指令集的產品，國內廠商如兆易創新，同方微電子，大唐微電子，華大半導體等也通過Arm核進入了相關領域，蠶食國外廠商的市場份額。

因為都是基於同一套指令集，軟體兼容問題不構成瓶頸。

Arm的授權方式又極其靈活。

晶片設計公司如果沒有足夠的晶片設計能力，可以拿Arm基於其指令集開發的公版核，低成本切入晶片設計市場。

如果設計能力足夠強，可以自己拿指令集授權，自主開發CPU 核，從Arm軟體系統生態受益的同時實現處理器的安全可控。

藉助Arm的商業授權模式，中國的晶片廠商早已解決了有沒有的問題，並在好不好的問題上不斷向上突破，復現在其他領域中國產業崛起的故事。

未來很可能出現的情形是：中國進入移動晶片領域以後高中低端通吃，尤其是低端，直接做成白菜價，讓已開發國家的企業在低端無法生存只能往高端突破，也讓後面的發展中國家進入這個行業無利可圖，投資回報時間延長，工業化難度加大，中國則在這中間吃掉了產業大部分的市場份額。

Arm 以其開放生態的模式撬動了中國晶片設計千億美元以上的市場，其槓桿作用是巨大的。

現在Arm合作夥伴高通等又在切入伺服器市場，英偉達在於Arm合作切入AI市場，Arm也在不斷完善其物聯網產業生態，推出了自己的物聯網平台安全標準，這些都是國內廠商可以跟隨進入的點。

可以預料，以Arm指令集為基礎的晶片設計產業在中國還將有長足的發展。

再就是學院派比較青睞的MIPS指令集。

MIPS指令集用來做教學和研究用或許可以，但實驗室意義上的成功和商業市場的成功是兩個完全不同的概念。

技術上，MIPS和Arm指令集都是RISC架構，商業上，授權模式也沒有什麼區別，MIPS也曾一度開放授權，但MIPS指令集這些年發展的並不好。

因為早先定位於高性能，錯失了移動網際網路的發展機遇，沒有大規模出貨的支撐，其生態系統相當薄弱，技術開發也慢慢陷入邊緣化，在傳統路由器電視機頂盒領域也不斷被Arm蠶食，這也是龍芯君正等公司一直未能有所突破的原因。

就在去年，有中方背景的資本收購了MIPS的母公司Imagination，為了避開美國政府的審查還是不得不把MIPS從Imagination剝離出來。

從現狀看，要基於MIPS獲得商業成功並在國際市場競技，其難度遠遠高於基於Arm指令集。

MIPS在中國也不會成為主流晶片設計廠商的選擇。

國內也有好些公司出了自己的指令集和架構，但是一方面是技術還不夠成熟，另一方面是更加薄弱的生態系統，需要投入大量人力物力去完成工具鏈，作業系統和相關軟體的開發和推廣，還不能得到用戶認可，可謂事倍功半，其發展前景也難以預料。

最近比較火的還有RISC-V，以開源架構的名義吸引了很多注意力。

開源不是一個新事物，軟體開源也有很多成功案例，如Linux等，但硬體架構開源完全是另一個故事。

軟體開源，是因為代碼容易更新和升級，可以快速疊代更新版本，其代價極低。

而如果要搞硬體開源，涉及到巨大的線下成本，糾錯成本極高，完全無法實現快速版本更新和重新部署。

而且從指令集到IP核實現過程中有很多的坑要趟，再到SoC，產品設計周期很長，一個錯誤就可能導致整個項目延期，對商業公司來說其風險也很高。

另一方面，從指令集角度，開源相當於另立一套標準，全盤建立全新的生態，這就意味著完全不能藉助現有的生態優勢和人力資源，這種方式沒有二三十年的積累根本發展不起來。

開源架構還面臨碎片化的問題。

從指令集定義要晶片實現，這中間還有很長的路要走，不同公司即使基於同樣的指令集，其實現也可能是大相逕庭，不同的功能擴展也可能導致晶片實現的碎片化，對開發工具和軟體的選擇也會碎片化，造成巨大的開發和維護成本。

很多人強調指令集免費，但指令集免費不等於IP核設計免費，基於指令集設計IP核的公司也是要盈利的，加上碎片化導致的開發成本增加等問題，又能省多少錢呢？我對此是有疑慮的。

或許RISC-V可以在一些對生態系統依賴性不那麼強的領域獲得一定的市場份額，但也因此意味著很多經驗和人才無法復用，造成巨大的資源浪費，這樣又回到當年TI/Motorola/ST/Toshiba等各自有一套自己的指令集的狀態，似乎也不符合商業社會成本最低的發展趨勢。

RISC-V在中國的發展前景目前看不太清，或許幾年以後我們能看得更清楚。

現在網上關於各種指令集PK的帖子很多，不由得讓人想起上世紀90年代通信市場對GSM/CDMA/小靈通等各種路線的爭論和選擇，最終決定性的力量還是市場的選擇，正如黨的19大報告所說，建立以企業為主體、市場為導向、產學研深度融合的技術創新體系，讓我們拭目以待，期待中國晶片設計行業再創輝煌。