漫谈“芯”

一直想写一篇关于芯片的文章，然而内容一展开就发现随便一点都是一大篇，还是漫谈一下吧。

“芯”的热度由于中兴事件，可以说已经达到了全民关注的程度。这次美国禁止向中兴出售任何电子技术或通讯元件，枪口对准的是中国的高新技术企业，对中兴的禁售令，却并不是只针对中兴。贸易战大炮对准了中国薄弱的高新科技尤其是半导体领域，芯片是中国对美国依存度最高，也是贸易量最大的品种。中兴被制裁这件事，让大家知道中国半导体工程、芯片制造上与美国的巨大差距，这个差距造成的根本原因是中国的工业化起步晚，又被发达国家禁售（《瓦森纳协定》），“引进-消化-吸收-再创新”模式从第一步就被封锁。
与我们所知的不同，中国早就在试图突破这一切了，只不过任重道远，历史的欠债太多，基础科学、材料工艺还和世界发达水平有着很大差距，所以，我们看到的成果也不多，但确确实实一直都在做，从未停下脚步。而最近寒武纪发布AI芯片，阿里巴巴收购芯片厂商，龙芯，华为麒麟970等等，也引发了关于芯片自主化的新一轮讨论。

指令集->微架构->CPU->操作系统->生态
现在世界上商用指令集有5种，分别是X86、ARM、POWER（只用在IBM的服务器上）、MIPS、C6000（DSP），其中X86是Intel和AMD两家技术相互授权的合体，与windows系统并称Wintel霸权。要用windows，就必须X86。ARM和MIPS都是精简指令集，其中ARM现在制霸移动设备，MIPS早先是学院派创造的，比较开放、到处授权、而且不限制各自新增指令另搞一套，MIPS从技术上来说，在当时是领先的，龙芯在2009年花了不到500万美元，永久买断了MIPS的指令集授权，发展出了自己的指令集，叫LoongISA，并且增加了很多指令，实际已经趋近于复杂指令集。在这些指令集上面，只能运行Linux系统。
指令集并不是什么技术，在网上都可以下载到，关键是如何做出基于指令集的微架构，也就是我们说的IP内核。x86架构下的Intel是从指令集到生产CPU都是自己做，AMD只设计CPU，生产外包给代工厂。而ARM不制造、不销售任何芯片，只设计IP内核，然后授权，提供三种授权模式：

• 架构/指令集层级授权
  
• 内核层级授权（IP内核授权）
  

• 使用层级授权
  

  使用层级授权就不用说了，内核层级授权就是以IP内核为基础，增加外设形成自己的MCU，比如三星、TI、高通、华为。
  架构/指令集层级授权就是可以在指令集的基础上进行扩展或缩减，比如苹果的swift架构就是在ARM的基础上扩展出来，并自己实现了基于此的微架构以及芯片。在这一层面上，龙芯和苹果是一样的，都是买别人的指令集，自己做IP内核以及芯片，只不过一个用的是MIPS，一个用的是ARM。有意思的是龙芯的微架构取名“GS”，来自中文“狗剩”，取个贱名好养活，GS264就是狗剩2号64位（《致龙芯15周年 胡伟武披露龙芯3号开发历程》）。
  
  在自主化这个层面上，比龙芯更厉害的就是寒武纪了，因为寒武纪的指令集是自主开发的，叫“DianNaoYu”，是世界首个深度学习指令集，寒武纪推出的人工智能芯片型号名字叫“DianNao”，用的也是寒武纪的自主架构。
  寒武纪人工智能芯片和传统的通用处理器如何比较？寒武纪是人工智能的专用芯片。请注意专用两个字，因此寒武纪的芯片和通用处理器并非替代关系。由于CPU和GPU基本框架结构都不是为人工智能设计，如果要用通用处理器搭建一个人脑规模突触的神经网络，可能需要建一个电站来给它供电。AlphaGo下一盘棋动用了1000个CPU和200个GPU，每分钟的电费就高达300美元，而网络规模只有人脑的千分之一。寒武纪AI芯片恰恰解决了这一问题——它能在计算机中模拟神经元和突触的计算，对信息进行智能处理，还通过设计专门存储结构和指令集，每秒可以处理160亿个神经元和超过2万亿个突触，功耗却只有原来的十分之一，未来甚至有希望把整个AlphaGo的系统都装进手机。寒武纪的AI芯片在两个大型产业都可以有广泛的应用，一个是云端，一个是终端。在目前云计算蓬勃发展的情况下，云端服务器面临更大的大数据计算压力，AI芯片逐渐必不可少。另外终端的智能化程度和计算要求不断提升，也需要使用AI芯片。2017年9月2日，华为在德国IFA展上发布麒麟970处理器，首先用于华为Mate10智能手机上，虽然没有公开宣布，但其背后的AI芯片就是来自寒武纪，麒麟970整合的人工智能芯片，华为称之为NPU（NeuralProcessingUnit，神经处理单元）。
  寒武纪的创始人之一陈云霁在2002年跟随胡伟武硕博连读，25岁成为了8核龙芯3号的主架构师。
  关于MIPS，国内知名的有两家，一个是龙芯，一个是君正。君正主要做民用市场，低功耗，比如华米智能手表用的就是君正的芯片。而对于龙芯，舆论的争议很大，龙芯在专业领域已经有一些市场，早几年已经开始盈利，但对于民用市场，因为其生态发展不足，还需要很长的路要走。我们不妨有个大胆是设想，设想一般都是不会成立的，“ARM不再授权给中国市场，x86芯片禁售中国”，在这个设想前提下，国内的巨头们对于MIPS芯片的投入肯定会加大，研发进度会加速，软件生态会丰富，龙芯的春天也就来了。对于我们研发工程师来说，对龙芯的支持，来源于将龙芯列入设计方案考虑范围之内，来源于开发板的购买，来源于基于龙芯的产品的面市，来源于我们的自强。
  
  芯片研发难，制造难，找市场更难，但是请别悲观，到目前为止，中国芯片大体上啥都有，各方面落后世界最新0.5-10年，局部世界领先，总体是落后一些，这个差距，大概需要一代人可以填上。15年后中国芯能否赶超美国，我们拭目以待。