2．君正

國內的MIPS系還有另外一家公司——北京君正。君正和龍芯同屬于MIPS陣營，與龍芯著力于桌面PC處理器不同，北京君正是國內較早專注于可穿戴、物聯網領域的本土IC設計公司之一。由于嵌入式芯片的軟件一般按需求定制。這導致在智能可穿戴市場，相當一部分可穿戴產品和應用軟件具有專用性，軟件生態鏈相對較短，加上應用需求的多樣化，因此不能用一套通用方案來滿足所有人的要求，所以在這個領域沒有某個廠商可以實現壟斷。因此，在智能穿戴市場不容易出現PC和移動手機市場那樣被x86與ARM架構壟斷的情況。

智能穿戴芯片和物聯網芯片對性能要求不高，大部分應用場景更關注低功耗、廉價和尺寸等因素，君正的產品完全滿足性能要求，x86處理器不可能應用于該領域，ARM陣營IC設計公司受制于相對較高的授權費，在芯片產量較小的情況下，并不具備價格上的競爭力。君正擁有十多年的芯片設計經驗和技術積累，其最大的特點就是具有較高的性能功耗比。國內第一批上市的智能手表包括果殼的第一代智能手表、土曼一代、土曼二代智能手表等都采用了君正的方案。

x86系——北大眾志、兆芯和海光

1．北大眾志

北京北大眾志微系統科技有限責任公司成立于2002年11月，是國家集成電路設計行業的重要骨干企業。2005年，AMD與中國政府達成了協議，科技部指定北大微電子中心接收AMD Geode-2處理器的技術授權，AMD的處理器無疑是x86架構，中國因此獲得了x86技術。不過Geode處理器屬于AMD嵌入式處理器，因此AMD授權給北大的x86技術屬于嵌入式架構。

2．兆芯

另外一家使用x86架構的國內企業——兆芯，也許被更多的人所熟知。眾所周知，核心的x86架構是 Intel和AMD公司的核心技術，美國政府也會嚴格控制其技術的授權。不過，除了Intel和AMD，另外一家中國臺灣公司威盛（VIA）也曾經擁有x86架構授權。據稱，如圖1-8所示，兆芯自主研發的ZX-C處理器于2015年4月量產，28nm工藝，4核處理器，主頻可達2.0GHz，并且支持國密算法加密。2017年兆芯宣布其最新一代ZX-D系列4核和8核通用處理器已經成功流片，并透露將在2018年推出16nm的ZX-E 8核CPU。

3．海光

除了上海兆芯，還有一家誕生不久的新銳公司——天津海光。2016年，AMD宣布與中國天津海光投資公司達成了協議，將x86技術授權給海光公司，獲得授權費，并且雙方還會成立合資公司，授權其生產服務器處理器。據稱，為了打開中國高性能服務器市場，AMD這次授權給中國公司的x86很可能是最尖端的x86技術。對于海光的表現，也值得我們拭目以待。

Power系——中晟宏芯

藍色巨人IBM的Power架構一直是高性能的代言。IBM于2013年聯合NVIDIA等公司成立OpenPower開放聯盟，其他公司也可以獲得Power架構授權。此后還推動成立了中國POWER技術產業生態聯盟，與多家中國公司簽署了授權協議，中晟宏芯就是其中的一家。中晟宏芯成立于2013年，相信宏芯能用若干年的時間實現技術的消化吸收和推陳出新。

Alpha系——申威

申威處理器或申威CPU，簡稱“SW處理器”。

申威對自主的Alpha架構在不斷深化升級，在雙核Alpha基礎上拓展了多核架構和SIMD等特色擴展指令集，主要面向高性能計算、服務器領域，在2016年國際超算大會評比中，基于申威26010處理器的“神威太湖之光”超級計算機系統（如圖1-9所示）首次亮相并奪冠，其峰值性能達每秒12.5×108億次浮點運算，成為世界首臺運行速度超109億次的超級計算機。

ARM系——飛騰、華為海思、展訊和華芯通

為了更好地理解本節的內容，有必要先對ARM的授權模式進行介紹。簡而言之，ARM公司的主要授權模式可以分為兩種。

1．飛騰

飛騰公司是中國國防科技大學高性能處理器研究團隊建立的企業，國防科大多年來在CPU領域的耕耘積累了雄厚的技術實力。2016年天津飛騰公布了最新產品FT2000，它最早亮相于2015年的HotChips大會，代號“火星”，定位于高性能服務器、行業業務主機等。FT2000采用ARMv8指令集，但是使用自研內核，不同于市面上ARMv8的Cortex-A53\A57\A72（直接購買于ARM公司的內核）。

FT2000之所以引人注目還因為它在性能方面，包括高達64個FTC661處理器核，其公布的Spec 2006測試中，成績為整數672、浮點585，足以和Xeon E5－2699v3相媲美。這也是國產服務器芯片第一次在性能上追平Intel，存儲器控制芯片總聚合帶寬為204.8GB/s，超過目前的E5V3和E7V3，接近IBM POWER8（230GB/s）。跑分與Intel的Xeon E5－2699v3相媲美意味著飛騰2000對于很多商業應用來說已經完全夠用了，只要軟件生態跟得上，完全可以在商業市場上取代Intel的某些產品。

2．華為海思

華為海思目前是我國技術最強大的芯片開發商之一。華為的麒麟芯片在性能上與高通、三星這些領先的芯片企業處于一個水平。同時華為目前也是國內四大服務器提供商之一，華為、聯想、浪潮等國產服務器企業占有中國服務器市場的份額已經超過65%。華為在幾年前便已經購買了ARM指令集架構授權，開始研發自有的處理器核，主攻服務器市場。

在“十二五”科技創新成就展上，華為展出了其第一臺ARM平臺服務器“泰山”，配備自主研發ARM架構64位處理器“Hi1612”，采用臺積電16nm工藝，擁有多達16個核心，兼容ARMv8-A指令集。憑借華為強大的研發實力與市場運作能力，相信一定會有不俗的表現。

3．展訊

除華為之外，展訊是另一家國內手機芯片的翹楚。2016年展訊的芯片出貨達到67000萬套，2017年6月宣布成功研發其自主的ARM架構處理器，展訊宣稱在SC9850 4核（Cortex-A7）芯片同樣大的面積上實現了6核的設計，功耗和性能都可以按照自己的需求調配，標志著展訊成為了除蘋果、三星兩家智能手機廠商之外（三星和蘋果的自主芯片主要都是自用），繼高通之后，第二家擁有自主ARM CPU關鍵技術的手機芯片廠商。

4．華芯通

2016年，高通與中國貴州政府合資在華成立了一家芯片公司——華芯通半導體，旨在專門為中國市場設計與開發服務器專用芯片的公司。華芯通已獲ARM v8-A架構授權，并表示中國成為全球第二大數據中心市場，該授權將幫助華芯通半導體在快速擴張的中國服務器市場推出先進服務器芯片組技術，幫助中國企業在本土市場提供基于ARM的服務器技術，從而推動高效服務器解決方案的大規模部署。

背鍋俠ISA

從上述幾個章節中，我們已經了解了國內CPU設計的英雄榜。但是如前文所述，目前在民用商業領域內，仍然沒有看到太多國產CPU的身影?？梢哉f，國產處理器在民用商業領域至今尚未足夠成功的主要原因在于ISA，這口鍋ISA必背無疑。

論述了指令集架構（ISA）對于CPU的重要性，那么對于一款CPU而言，絕對的硬件技術水平不是最重要的。

目前商業主流的指令集架構在不同的領域已經各自出現了明顯的霸主格局。

因此作者之前一直認為，只有依附于x86與ARM陣營的商業公司，才能夠真正地實現全面的商用化。相信這也是為什么在近幾年來國內CPU設計的英雄榜上涌現出來的大多為x86或者ARM系的原因。

但是，國產自主對我國的國計民生又至關重要，追求國產自主安全可控是我國在戰略上必須堅持的方向。從這個角度上來看，選擇x86或者ARM架構終究也有其局限性，分別論述如下。

1．x86架構

· 由于Intel與AMD本身是芯片公司而不是知識產權（IP）公司，因此x86架構是其生命線，假設其他得到授權的芯片公司使用x86架構生產的芯片對Intel和AMD造成了實質威脅時，Intel與AMD完全可以拿起專利的大棒停止授權。

· x86架構的授權費用極為高昂，遠非普通公司或者組織能夠染指。

2．ARM架構

· ARM架構的局面會樂觀很多，因為ARM架構雖然也是屬于ARM公司且受專利保護的架構，但是ARM公司的商業模式是以開放共贏為基本原則。ARM公司是ARM生態的主導者和核心規則的制定者，通過基礎架構授權、IP核授權等方式獲得經濟收益。而生態系統中大量的上下游軟硬件企業則遵循ARM統一制定的標準規范，對接眾多客戶需求而實現經濟利益的獲取。

· 國內基于ARM生態的CPU產業已有較好基礎，華為海思、展訊、聯芯和飛騰等眾多企業均已累積多年的ARM芯片研發經驗，在移動終端領域我國芯片設計技術已與國際主流水平同步，國外的巨頭高通、三星和谷歌等也屬于ARM生態系統陣營的成員。因此，從全球范圍來看，國內外的芯片公司能夠在開放共贏的生態下進行公平的競爭?；谏鲜鲈?，國內CPU英雄榜上使用ARM架構的CPU公司，其成就更加令人可期。

· 盡管如此，ARM架構畢竟屬于ARM公司，一方面需要為ARM公司支付極其高昂的授權費（一次數千萬美金），另一方面被軟銀收購后ARM現在屬于一家日本公司。因此，從絕對的自主可控的角度來看，受制于人那是在所難免的。

所謂“成也蕭何，敗也蕭何”，讀到此處，讀者可能要問，難道就沒有一種ISA具備如下幾個特點嗎？

（1）它開源共享，不屬于某一家商業公司私有，因此也就不會有受制于人與自主可控的隱憂，更加不需要向商業公司支付高昂的授權費。

（2）它以開放共贏為基本原則，有一個統一的非盈利組織作為主導者和核心規則的制定者，任何公司和個人都可以永久免費地使用其架構。

相信很多人都與作者一樣，在很長的一段時間內，非常期待有這樣一種ISA的出現，業界甚至出現過希望由國家主導指定一種國家標準ISA，從而統一國內CPU各ISA派系的聲音。然而，國家標準ISA這種被局限在一國范圍內的技術在當今全球化的趨勢下，必然是格格不入且不可能成功的。于是所有人都認為不可能出現這樣一種ISA了，作者作為一名CPU設計的老兵，也不得不用一首詩來表達一下彼時的心情：“死去元知萬事空，但悲不見九州同。王師北定中原日，家祭無忘告乃翁”。

然而在2016年，有一位叫做RISC-V的新生突然自帶光環登場。它完全符合上述提到的兩個條件，屬于全人類的免費開放架構，無任何專利的桎梏，眾多國際知名大公司均加入其中，將以開放共贏的生態下進行公平的競爭。作者隱隱感到，如果這個ISA真能夠發展起來，這似乎可能是國產CPU崛起的真正機會。剛才我們提到曾有人建議制定一種國家標準的指令集架構，而當RISC-V誕生不久，我們的鄰國印度迅速地采用了RISC-V作為其國家標準的指令集，推薦其國內的大學和研究機構均采用RISC-V架構，并且已經制定規劃且投入專項資金用于開發幾個不同系列的RISC-V處理器。

有道是“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”，有關新生的RISC-V架構。

人生已是如此艱難，你又何必拆穿——CPU從業者的無奈

對于每一個行業的普通從業者而言，都希望所在行業能夠蓬勃發展、欣欣向榮，能夠有大量的商業公司參與并產生大量工作崗位的需求。倘使所在的行業或是日暮西山，或是走向寡頭化成為一潭死水，自然也就無法誕生大量的工作需求，那普通的從業者們可能就只有“尋尋覓覓，冷冷清清，凄凄慘慘戚戚”，或者“門前冷落鞍馬稀，老大嫁作商人婦”了。

處理器設計便是一個典型的例子。雖然處理器設計是一門開放的學科，其所需的技術均已成熟，很多的工程師與從業人員都已經掌握，也具備開發的處理器的能力。但是：

· 由于處理器架構長期以來主要由以Intel（x86架構）與ARM（ARM架構）為代表的商業巨頭公司所掌控，及其軟件生態環境衍生出的寡頭排他效應，成為了普通公司與個人無法逾越的天塹。

· 由于寡頭的排他效應，眾多的處理器體系結構走向消亡，國產的商用CPU也無法足夠成功，從而造成了CPU設計這項工作變成了極少數商業公司的“堂前燕”，普通平民“只可遠觀，而不可褻玩焉”，國內長期沒有形成有足夠影響力的相關產業與商業公司。

綜上，作者作為曾經在國際一流公司任職的CPU高級設計工程師，竟一度在換工作時面臨擇業無門的窘境，更扼腕嘆息眾多同仁被迫轉行的情形。正可謂“曲高者和寡，大音者稀聲”，CPU設計從業者，頗無奈也。讀至此，被迫轉行的同仁們可能已經老淚縱橫：“人生已是如此的艱難，你又何必拆穿啊”。

好消息是最近幾年來國內CPU產業的情形終于發生了的改觀，由于中國的巨大市場與產業支持，國內涌現出了如上節中我們提到的兆芯、飛騰、華為、展訊、海光和華芯通等從事CPU設計的公司，且隨著《手把手教你設計CPU》介紹的RISC-V架構之誕生，都將催生更多的市場需求。

東邊日出西邊雨，道是無晴卻有晴——RISC-V登場

RISC-V架構主要由伯克利大學的Krste Asanovic教授、Andrew Waterman和Yunsup Lee等開發人員于2010年發明，并且得到了計算機體系結構領域的泰斗David Patterson的大力支持。伯克利大學的開發人員之所以發明一套新的指令集架構，而不是使用成熟的x86或者ARM架構，是因為這些架構經過多年的發展變得極為復雜和冗繁，并且存在著高昂的專利和架構授權問題。并且修改ARM處理器的RTL代碼是不被支持的，而x86處理器的源代碼根本不可能獲得到。其他的開源架構（譬如SPARC、OpenRISC）均有著或多或少的問題（第2章將詳細論述）。有感于計算機體系結構和指令集架構已經過數十年的發展非常成熟，但是像伯克利大學這樣的研究機構竟然“無米下鍋”（選擇不出合適的指令集架構供其使用）。伯克利大學的教授與研發人員決定發明一種全新的、簡單且開放免費的指令集架構，于是RISC-V架構誕生了。

有關RISC-V的誕生，有興趣的讀者可以自行到網絡中查閱文章《伯克利希望將RISC-V開源架構推向主流》。

RISC-V（英文讀作“risk-five”），是一種全新的指令集架構。“V”包含兩層意思，一是這是Berkeley從RISC I開始設計的第五代指令集架構；二是它代表了變化（Variation）和向量（Vectors）。

經過幾年的開發，伯克利大學為RISC-V架構開發除了完整的軟件工具鏈以及若干開源的處理器實例，得到越來越多的人的關注。2016年，RISC-V基金會（Foundation）正式成立開始運作。RISC-V基金會是一個非盈利性的組織，負責維護標準的RISC-V指令集手冊與架構文檔，并推動RISC-V架構的發展。

RISC-V架構的目標如下。

RISC-V基金會負責維護標準的RISC-V架構文檔和編譯器等CPU所需的軟件工具鏈，任何組織和個人可以隨時在RISC-V基金會網站上免費下載（無需注冊）。

RISC-V的推出以及基金會的成立，受到了學術界與工業界的巨大歡迎。著名的科技行業分析公司Linley Group 將RISC-V評為“2016年最佳技術”，如圖1-12所示。

開放而免費的RISC-V架構誕生，不僅對于高校與研究機構是個好消息；為前期資金缺乏的創業公司、或成本極其敏感的產品、或對現有軟件生態依賴不大的領域，都提供了另外一種選擇，而且得到了業界主要科技公司的擁戴，包括谷歌、惠普、Oracle和西部數據等硅谷巨頭都是RISC-V基金會的創始會員，如圖1-13所示。眾多的芯片公司已經開始使用（譬如，三星、英偉達等）或者計劃使用RISC-V開發其自有的處理器用于其產品。

RISC-V基金會組織每年舉行兩次公開的專題討論會（Workshop），以促進RISC-V陣營的交流與發展，任何組織和個人均可以從RISC-V基金會的網站上下載到每次Workshop上演示的PPT與文檔。RISC-V第六次Workshop于2017年5月在中國的上海交大舉辦，如圖1-14所示，吸引了大批的中國公司和愛好者參與。

簡單就是美——RISC架構的設計哲學

RISC-V架構作為一種指令集架構，在介紹細節之前，讓我們先了解設計的哲學。所謂設計的“哲學”便是其推崇的一種策略，譬如我們熟知的日本車的設計哲學是經濟省油，美國車的設計哲學是霸氣等。RISC-V架構的設計哲學是什么呢？是“大道至簡”。

作者最為推崇的一種設計哲學便是：簡單就是美，簡單便意味著可靠。無數的實際案例已經佐證了“簡單即意味著可靠”的真理，反之越復雜的機器則越容易出錯。一個最好的例子便是著名的AK47沖鋒槍，正是由于簡單可靠的設計哲學，使其性價比和可靠性極其出眾，成為世界上應用最廣泛的單兵武器。

在格斗界，初學者往往容易陷入追求花式繁復技巧的泥淖，迷信于花拳繡腿。然而頂級的格斗高手，最終使用的都是簡單、直接的招式。所謂大道至簡，在IC設計的實際工作中，作者曾見過簡潔的設計實現其安全可靠，也曾見過繁復的設計長時間無法穩定收斂。簡潔的設計往往是可靠的，在大多數的項目實踐中一次次得到檢驗。IC設計的工作性質非常特殊，其最終的產出是芯片，而一款芯片的設計和制造周期均很長，無法像軟件代碼那樣輕易地進行升級和打補丁，每一次芯片的改版到交付都需要幾個月的周期。不僅如此，芯片的制造成本費用高昂，從幾十萬美金到成百上千萬美金不等。這些特性都決定了IC設計的試錯成本極為高昂，因此能夠有效地降低錯誤的發生就顯得非常重要?，F代的芯片設計規模越來越大，復雜度也越來越高，并不是要求設計者一味地逃避使用復雜的技術，而是應該將好鋼用在刀刃上，將最復雜的設計用在最為關鍵的場景，在大多數有選擇的情況下，盡量選擇簡潔的實現方案。

作者在第一次閱讀RISC-V架構文檔之時，不禁贊嘆。因為RISC-V架構在其文檔中不斷地明確強調其設計哲學是“大道至簡”，力圖通過架構的定義使硬件的實現足夠簡單。其簡單就是美的哲學，可以從幾個方面看出，后續小節將一一加以論述。

無病一身輕——架構的篇幅

如果對ARM的架構文檔熟悉的讀者應該了解其篇幅。經過幾十年的發展，現在的x86與ARM架構的架構文檔多達數千頁，打印出來能有半個桌子高，可真是“著作等身”。

想必x86與ARM架構在誕生之初，其篇幅也不至于像現在這般長篇累牘。之所以架構文檔長達數千頁，且版本眾多，一個主要的原因是其架構發展的過程也伴隨了現代處理器架構技術的不斷發展成熟，并且作為商用的架構，為了能夠保持架構的向后兼容性，不得不保留許多過時的定義，或者在定義新的架構部分時為了能夠兼容已經存在的技術部分而顯得非常的別扭。久而久之就變成了老太婆的裹腳布——極為冗長，可以說是積重難返。

那么現代成熟的架構是否能夠選擇重新開始，重新定義一個簡潔的架構呢？可以說是幾乎不可能。Intel也曾經在推出Itanium架構之時另起灶爐，放棄了向前兼容性，最終Intel的Itanium遭遇慘敗，其中一個重要的原因便是其無法向前兼容，從而無法得到用戶的接受。試想一下，如果我們買了一款具有新的處理器的計算機或者手機，之前所有的軟件都無法運行，那肯定是無法讓人接受的。

現在推出的RISC-V架構，則具備了后發優勢。由于計算機體系結構經過多年的發展已經是一個比較成熟的技術，多年來在不斷成熟的過程中暴露的問題都已經被研究透徹了，因此新的RISC-V架構能夠加以規避，并且沒有背負向后兼容的歷史包袱，可以說是無病一身輕。

目前的“RISC-V架構文檔”分為“指令集文檔”和“特權架構文檔”。“指令集文檔”的篇幅為100多頁，而“特權架構文檔”的篇幅也僅為100頁左右。熟悉體系結構的工程師僅需一兩天便可將其通讀，雖然“RISC-V的架構文檔”還在不斷地豐富，但是相比“x86的架構文檔”與“ARM的架構文檔”，RISC-V的篇幅可以說是極其短小精悍。