指令集是計算機運行指令的集合，是一本計算機運行的“詞典”，也是CPU底層的核心技術之一。國外指令集技術的先發(fā)優(yōu)勢和技術沉淀，使國產CPU廠商很難在指令集層面上自研開發(fā)，只能通過授權引進再開發(fā)的方式，研發(fā)自己的CPU。

于是，授權引進哪一種指令集，就成了國產CPU不同的發(fā)展方向。目前，海光和兆芯采用主流的x86指令集，華為鯤鵬和飛騰基于ARM指令集開發(fā)，龍芯和申威則是走“授權+自研”指令集的路線。

底層技術的差異，決定了各廠商不同的發(fā)展方向，也形成了不同的商業(yè)版圖和創(chuàng)新路線。盤點三條不同的指令集路線，就是在預見國產CPU發(fā)展上潛力和挑戰(zhàn)。

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指令集的背后

計算機硬件只能識別和處理由一串二進制數碼組成的機器語言，而人操作計算機使用的是人類語言，這就需要經過計算機軟件和操作系統(tǒng)的“翻譯”，形成由計算機能理解的指令，并由CPU和其他硬件處理這些指令。

指令集，就是由CPU執(zhí)行各項指令的集合。指令集相當于計算機進行運算處理時，需要用到的最底層的“詞典”。有了這本詞典，CPU才能最終理解人類的操作，并執(zhí)行人類的命令。

然而，盡管計算機的結構都是一樣的，最終都要運行二進制代碼，但指令集卻并非只有一種。這就如同人類世界中有多種不同語言。也正如不同人類語言會造成溝通效率上的差異一樣，不同的指令集也會影響計算機的運行速度、功耗等性能表現。

而且，不同的指令集意味著最底層的“詞典”不一樣，對應的軟硬件系統(tǒng)就要使用不同的“語言”。這就像一個團隊中所有人都說英語，那么不能聽說英語的人就無法溝通一樣。所以，圍繞不同的指令集，必須有說同一種”語言”的硬件和軟件系統(tǒng)，才能操作計算機，也就是說，不同的指令集必將衍生出不同的軟硬件配套。

語言是有壟斷性的，一種語言越流行，則說這種語言的人也就越多。指令集也是一樣，一種指令集越流行，圍繞這種指令集進行配套開發(fā)的計算機軟硬件企業(yè)就越多，進而使這種指令集應用更加廣泛。目前全球CPU市場上，x86指令集占據領先地位，市場份額超過90%，就是因為x86指令集軟硬件生態(tài)早已建立，其他指令集已經很難取代x86指令集的統(tǒng)治地位。

指令集不僅僅是一項獨立的技術，更是一種技術生態(tài)和商業(yè)生態(tài)。這是國產CPU不得不引進指令，而無法完全獨立開發(fā)指令集的關鍵原因之一。目前，x86指令集在PC和服務器CPU上占據壟斷地位，ARM指令集在移動設備上有優(yōu)勢。這就相當于，目前最大的兩個市場上的參與者，都不說漢語，那么不管我們有多么不情愿，都只能去學習對方的語言，才有機會進入這個市場。

所以，目前國產CPU廠商這本質上都是在學習應用別人的語言。海光和兆芯采用主流的x86指令集，華為鯤鵬和飛騰基于ARM指令集開發(fā)，龍芯則是先引進了MIPS，通過借鑒，自研創(chuàng)新出了LoongArch指令集，申威也一樣，在引進Alpha指令集后，開發(fā)SW-64指令集。也因此，六家廠商將基于四條指令集，走出不同的發(fā)展之路。

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x86指令集：形成性能和商業(yè)生態(tài)的雙輪驅動

無論在服務器市場還是PC市場，x86處理器是絕對的主流。Counterpoint Research的調研數據顯示，2022年全球服務器市場上，x86指令集仍然是服務器CPU市場的主導，占到了91%左右。而根據IDC數據，2021年，國內x86服務器出貨量為382.0萬臺，在國內服務器市場中的占比高達 97.7%。

因此，x86指令集已經完全建立起了其軟硬件生態(tài)，應用廣泛，有較強的兼容性，商業(yè)回報也最為豐厚，從而能夠投入更多的研發(fā)資源，進一步提升CPU的性能，進而帶動商業(yè)生態(tài)繼續(xù)擴大。

這種基于性能形成的商業(yè)生態(tài)，是CPU廠商真正的市場壁壘。目前，x86指令集的知識產權掌握在Intel和AMD手中，而國產CPU廠商中，海光通過與AMD的交叉許可授權，獲得基于x86指令集做自主開發(fā)的權力，兆芯則通過臺灣威盛也獲得x86指令集開發(fā)權。但因為威盛拿到的授權已經于2018年到期，因此，目前國內CPU廠商中，只有海光能夠不受相關專利限制，自由開發(fā)x86指令集CPU。

能夠基于x86指令集開發(fā)CPU產品，意味著海光兼容度更高，這能極大地降低了國產化替代過程中的遷移成本，并獲得廣泛的軟硬件生態(tài)支持，從而打開規(guī)模龐大的市場空間。

而真正把機會變成現實的是海光在研發(fā)上的投入。2019年度至2021年度，海光累計研發(fā)投入為35.39億元，占營業(yè)收入比例高達到95.35%。這讓海光能夠在消化AMD的Zen架構之后，形成自己對技術的認知，并進而三年推出三代產品。據評測對比，海光三號在性能上比海光二號提升了40%左右，接近于Zen3產品水平，而且，海光二號之后的迭代，主要通過對微架構的設計創(chuàng)新和芯片架構升級，提升單核與多核性能并重，這表明海光已經與AMD走上不同的技術路線。

目前，海光的CPU廣泛應用于電信、金融、互聯網、教育、交通等重要行業(yè)。根據海光2022年財報顯示，2022年營業(yè)收入增長121.83%，凈利潤增長145.65%。顯然，海光已經形成了市場回報促進技術升級，技術升級保障產品優(yōu)勢，產品優(yōu)勢又贏得市場回報的飛輪效應，未來，只要海光能在研發(fā)上保持高投入，持續(xù)提升產品性能，就有機會像Intel和AMD一樣，在市場上建立起自己的生態(tài)壁壘。

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ARM指令集：高歌猛進與壯士扼腕

與x86指令集掌握在兩家企業(yè)手中不同，ARM指令集是一種可以開放授權給任何一家CPU廠商的指令集。這是因為ARM指令集的創(chuàng)造者，英國Advanced RISC Machines（縮寫為ARM）公司是一家CPU架構設計公司。ARM公司將設計好的指令集和架構授權給CPU開發(fā)企業(yè)收取授權費用，但自身不直接參與CPU的開發(fā)和生產。

ARM指令集像手機的Android操作系統(tǒng)一樣開放，獲得授權的CPU廠商都可以基于ARM指令集設計自己需要的CPU。而且，ARM指令集CPU功耗低、能效比優(yōu)秀，在移動端設備和消費電子類產品中廣泛應用。

因此，ARM指令集就成了國產CPU廠商一條新的選擇，華為鯤鵬和飛騰均獲得ARM v8指令集永久授權，可以研發(fā)設計自己的CPU產品，并都取得了不錯成績。

目前，最有代表性的是2019發(fā)布的鯤鵬920，作為7nm數據中心ARM處理器，專為大數據處理以及分布式存儲等應用而設計，在非x86指令集產品中算力有明顯優(yōu)勢。而飛騰則建立了KPS體系，用飛騰CPU（Phytium）和麒麟操作系統(tǒng)（Kylin）和S-Security”的立體防護安全鏈，安全性較有保障。

但是，ARM公司已經宣布不再向國內廠商提供ARM v9指令集的授權。ARM v9被視作自Armv8以來的重大變革，在AI與安全性能上均有大幅度升級，這使得鯤鵬和飛騰都將面臨技術迭代斷檔的風險，而且，基于ARM公司的授權協議，即便鯤鵬和飛騰在ARM v8基礎上自行研發(fā)出了與ARM v9相同的功能，也同樣構成侵權。鯤鵬背后的華為，飛騰背后的中國電子，有實現迭代開發(fā)的技術能力，卻受困于知識產權限制而難以發(fā)揮自身實力。

這種”斷供”違背了ARM公司走開放、中立路線的承諾，也會使其失去規(guī)模巨大的中國市場，但也截斷了鯤鵬、飛騰等國產廠商的迭代努力。這一令人扼腕的局面，只能再次說明核心技術只能靠自身的研發(fā)投入，才能掌握在自己手中。

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授權+自研指令集：自主研發(fā)前路可期

與ARM指令集面臨“斷供”局面不同，龍芯和申威走的“授權+自研”指令集路線，確實將底層技術牢牢地掌握在了自己手中，但這也意味著，龍芯和申威都要補足生態(tài)上的短板，這可能是一條比自主研發(fā)指令集更難的道路。

龍芯在獲得MIPS指令集授權后，借鑒創(chuàng)新出LoongArch指令集，申威則是在Alpha指令集基礎上自研SW-64指令集。這可以簡單理解為指令集技術的“逆向工程”，先買別人的來研究仿制，再獨立開發(fā)，并一步步迭代。

這條路走的艱難，在沒有前人領路，只能“自學”的情況下，龍芯完成研究到獨立開發(fā)迭代。目前，在性能方面，龍芯制程工藝達到12nm節(jié)點，性能逐步達到七八年前主流水平。這表明授權+自研指令集路線的CPU，雖然還沒有追上主流CPU的性能，已經取得了不小的進步。

而更大的困難在于，“授權+自研”指令集路線較難形成軟件應用齊全、硬件適配廣泛的生態(tài)。無論是LoongArch指令集還是SW-64指令集，本質上都是只有特定領域的極少數人使用的“方言”。就像出門在外必須說漢語普通話，走向世界必須能說英語一樣，只會說“方言”是無法參與主流生態(tài)中的，也就無法形成真正的市場競爭力。因此，目前龍芯和申威，都只能在軍工、航天、超算等特種領域中應用。

目前看，海光代表的x86指令集路線，有機會形成自己獨立的技術和生態(tài)上雙輪驅動，要更廣闊的商業(yè)前景。鯤鵬和飛騰代表的ARM路線如果能解決版本迭代問題，可望必將迎來新一輪快速增長，而龍芯代表的授權+自研路線，則在自立更生道路上試探前行。

CPU行業(yè)的規(guī)律是強者恒強，因此指令集不僅僅是技術問題，更決定了商業(yè)版圖。我們只能在別人已經確定市場格局中，尋找自己創(chuàng)新發(fā)展的空間。這是必須面對的挑戰(zhàn)，是后來者的必經之路，但絕不會讓國產CPU產業(yè)停下腳步。