漫談“芯”

一直想寫一篇關於芯片的文章，然而內容一展開就發現隨便一點都是一大篇，還是漫談一下吧。

“芯”的熱度由於中興事件，可以說已經達到了全民關注的程度。這次美國禁止向中興出售任何電子技術或通訊元件，槍口對準的是中國的高新技術企業，對中興的禁售令，卻並不是只針對中興。貿易戰大炮對準了中國薄弱的高新科技尤其是半導體領域，芯片是中國對美國依存度最高，也是貿易量最大的品種。中興被制裁這件事，讓大家知道中國半導體工程、芯片製造上與美國的巨大差距，這個差距造成的根本原因是中國的工業化起步晚，又被髮達國家禁售（《瓦森納協定》），“引進-消化-吸收-再創新”模式從第一步就被封鎖。

與我們所知的不同，中國早就在試圖突破這一切了，只不過任重道遠，歷史的欠債太多，基礎科學、材料工藝還和世界發達水平有著很大差距，所以，我們看到的成果也不多，但確確實實一直都在做，從未停下腳步。而最近寒武紀發佈AI芯片，阿里巴巴收購芯片廠商，龍芯，華為麒麟970等等，也引發了關於芯片自主化的新一輪討論。

指令集->微架構->CPU->操作系統->生態

現在世界上商用指令集有5種，分別是X86、ARM、POWER（只用在IBM的服務器上）、MIPS、C6000（DSP），其中X86是Intel和AMD兩家技術相互授權的合體，與windows系統並稱Wintel霸權。要用windows，就必須X86。ARM和MIPS都是精簡指令集，其中ARM現在制霸移動設備，MIPS早先是學院派創造的，比較開放、到處授權、而且不限制各自新增指令另搞一套，MIPS從技術上來說，在當時是領先的，龍芯在2009年花了不到500萬美元，永久買斷了MIPS的指令集授權，發展出了自己的指令集，叫LoongISA，並且增加了很多指令，實際已經趨近於複雜指令集。在這些指令集上面，只能運行Linux系統。

指令集並不是什麼技術，在網上都可以下載到，關鍵是如何做出基於指令集的微架構，也就是我們說的IP內核。x86架構下的Intel是從指令集到生產CPU都是自己做，AMD只設計CPU，生產外包給代工廠。而ARM不製造、不銷售任何芯片，只設計IP內核，然後授權，提供三種授權模式：

• 架構/指令集層級授權
• 內核層級授權（IP內核授權）
• 使用層級授權

使用層級授權就不用說了，內核層級授權就是以IP內核為基礎，增加外設形成自己的MCU，比如三星、TI、高通、華為。

架構/指令集層級授權就是可以在指令集的基礎上進行擴展或縮減，比如蘋果的swift架構就是在ARM的基礎上擴展出來，並自己實現了基於此的微架構以及芯片。在這一層面上，龍芯和蘋果是一樣的，都是買別人的指令集，自己做IP內核以及芯片，只不過一個用的是MIPS，一個用的是ARM。有意思的是龍芯的微架構取名“GS”，來自中文“狗剩”，取個賤名好養活，GS264就是狗剩2號64位（《致龍芯15週年 胡偉武披露龍芯3號開發歷程》）。

在自主化這個層面上，比龍芯更厲害的就是寒武紀了，因為寒武紀的指令集是自主開發的，叫“DianNaoYu”，是世界首個深度學習指令集，寒武紀推出的人工智能芯片型號名字叫“DianNao”，用的也是寒武紀的自主架構。

寒武紀人工智能芯片和傳統的通用處理器如何比較？寒武紀是人工智能的專用芯片。請注意專用兩個字，因此寒武紀的芯片和通用處理器並非替代關係。由於CPU和GPU基本框架結構都不是為人工智能設計，如果要用通用處理器搭建一個人腦規模突觸的神經網絡，可能需要建一個電站來給它供電。AlphaGo下一盤棋動用了1000個CPU和200個GPU，每分鐘的電費就高達300美元，而網絡規模只有人腦的千分之一。寒武紀AI芯片恰恰解決了這一問題——它能在計算機中模擬神經元和突觸的計算，對信息進行智能處理，還通過設計專門存儲結構和指令集，每秒可以處理160億個神經元和超過2萬億個突觸，功耗卻只有原來的十分之一，未來甚至有希望把整個AlphaGo的系統都裝進手機。寒武紀的AI芯片在兩個大型產業都可以有廣泛的應用，一個是雲端，一個是終端。在目前雲計算蓬勃發展的情況下，雲端服務器面臨更大的大數據計算壓力，AI芯片逐漸必不可少。另外終端的智能化程度和計算要求不斷提升，也需要使用AI芯片。2017年9月2日，華為在德國IFA展上發佈麒麟970處理器，首先用於華為Mate10智能手機上，雖然沒有公開宣佈，但其背後的AI芯片就是來自寒武紀，麒麟970整合的人工智能芯片，華為稱之為NPU（NeuralProcessingUnit，神經處理單元）。

寒武紀的創始人之一陳雲霽在2002年跟隨胡偉武碩博連讀，25歲成為了8核龍芯3號的主架構師。

關於MIPS，國內知名的有兩家，一個是龍芯，一個是君正。君正主要做民用市場，低功耗，比如華米智能手錶用的就是君正的芯片。而對於龍芯，輿論的爭議很大，龍芯在專業領域已經有一些市場，早幾年已經開始盈利，但對於民用市場，因為其生態發展不足，還需要很長的路要走。我們不妨有個大膽是設想，設想一般都是不會成立的，“ARM不再授權給中國市場，x86芯片禁售中國”，在這個設想前提下，國內的巨頭們對於MIPS芯片的投入肯定會加大，研發進度會加速，軟件生態會豐富，龍芯的春天也就來了。對於我們研發工程師來說，對龍芯的支持，來源於將龍芯列入設計方案考慮範圍之內，來源於開發板的購買，來源於基於龍芯的產品的面市，來源於我們的自強。

芯片研發難，製造難，找市場更難，但是請別悲觀，到目前為止，中國芯片大體上啥都有，各方面落後世界最新0.5-10年，局部世界領先，總體是落後一些，這個差距，大概需要一代人可以填上。15年後中國芯能否趕超美國，我們拭目以待。