CPU产业漫谈（一） 破解开源迷思

谈到CPU，国人心情是复杂的，其中不乏慷慨激昂要大干一番的豪情，也有很多恨铁不成钢的遗憾，在当前全球贸易、尤其是中美贸易异常复杂的大环境下，更有担心被限制、被攻击的隐忧，关于CPU安全自主可控的声音也越来越大。当前，“中国应该发展什么样的CPU技术”的讨论日趋热烈，但是技术层面还能探讨一二，说到商业上手段不外乎专项投入、市场垄断、国家扶持，对CPU本身的特性、技术依赖、法律风险、商业推广上的考虑很少提及，因而陷入诸多迷思。笔者打算抛砖引玉，说说自己的一些看法。首先，从开源开始。

提到开源，国人的第一印象往往是：免费下载，自由使用，不需要授权费用，还有社区的支持，众人贡献一起把技术生态建立起来。殊不知，这些想法都是偏颇的，甚至有时是有害的。

事实上，在多年的运营实践中，开源社区本身也在探索更合理的运作方式，来获取商业公司的支持和技术反哺，当今的开源社区运作方式甚至可以类比于商业公司内部经营：

•基金会，类似于公司的管理层和董事会，作为开源生态体系的权威合法组织，协调技术演进，定义公共接口，确定开源生态的授权条款和资源分配，把相应的开源生态当作商业品牌运作。

•开发社区，类似于产品开发团队，以委员会的形式管理，通过控制代码的审核权和提交权来保证全球联合开发和写作模式，进而推进技术本身的演进；注意：开发社区的核心开发人员大多数都是全职工作者担任。

•商业公司，类似于产品交付和维护团队，负责将开源技术产品化，通过技术授权，维护升级等方式获得商业利益；商业公司与主流社区保持着紧密联系和互动，开发社区的核心开发人员大多数都是商业公司全职雇员担任，以保证公司在技术趋势和资源分配上的优先权和影响力。

基于以上事实，我们探讨一下CPU开源（包括Power，Sparc，MIPS，RISC-V等）给大众可能带来的迷思。

迷思之一：开源意味着免费

Free 这个词在英文的语境中，既有自由的涵义，也有免费的涵义。看看GNU关于Free Software的定义：“要说一个软件是‘自由’的，这意味着它尊重用户的基本自由：自由地运行这个软件，学习和修改它，以及重新发布它的原版或修改版。这是个关于自由权利的问题，而非价格高低。”

事实上，开源的系统也受到各种授权协议的限制，包括GPL，BSD，Apache等，围绕着开源的系统，需要足够多的商业公司围绕着开源的生态在做商业上的运营，才能保证开源系统的长期投入和技术演进。知名的Linux供应商红帽公司Redhat近期卖了340亿美元的好身价，比软银收购ARM还多了20亿美元，这家20亿美元年收入的公司主要的商业模式，就是使用订阅模式提供商业版的Linux操作系统，和基于操作系统的虚拟化平台和云计算平台。值得一提的是，MIPS/RISC-V可以免费获得指令集设计规范，但是具体的处理器芯片实现，是需要商业CPU IP公司正式授权的。另外，使用RISC-V的商标，也是需要付费的。

迷思之二：开源意味着自主

一个CPU芯片能够保证自主需要看具体的场景定义：

•是否所有硬件实现代码都是自己编写或者充分审核的。

o在这个场景下，答案是肯定的，的确有可能所有的代码都是自己编写和审核。同样，大多数商业CPU IP也能满足同样的要求：ARM和MIPS授权的CPU IP也是明文的RTL源代码；国内ARM和MIPS的授权客户的CPU芯片同样是自主可控的。

•是否CPU相关的配套软件（编译器等工具链）是自己编写或者充分审核的。

o在这个场景下，答案是肯定的，的确有可能编译器等工具链都是自己编写和审核。同样，大多数商业IP也能满足要求：ARM和MIPS授权的CPU IP的配套工具链有开源社区(GNU)支持，源码可以自由的下载和审阅。

•是否CPU设计不会遇到专利问题。

o在这个场景下，答案是不确定。开源指令集只能保证“指令集”相关的专利可以自由的使用。在CPU设计的具体实现中，具体的处理器设计和实现专利，也是不容忽视的。只能由商业IP公司来保证或者自己在设计中花费足够的精力去做专利检索和排除。

•是否CPU未来的技术演进可以由自己定义。

o在这个场景下，答案是不确定。前面说过了，公共接口定义，技术路线和资源分配是掌握在开源生态基金会手里的，商业公司无法主导技术路线的选择和公共接口的定义，基金会是否有可能会趋向于某些主导公司或者组织的技术路线而让整个联盟都缴纳相应的专利费用呢，只能说不能排除这种可能；

o是否有可能自组类似基金会的组织，从主线中拉出分支做为新的主线自己维护？这个的确满足自主的要求了，但是开源生态最大的优势（软硬件工具，操作系统，应用软件支持）也就丧失了，可能需要像Google之于Android系统一样投入大量的人力维护自己的技术体系和商业体系，时间一长，这又和自己做一套指令集没什么区别了。

迷思之三：开源意味着成熟稳定

芯片行业是一个非常严谨，错误成本非常昂贵的行业：投片失败，所有投入打水漂。无论是芯片，还是芯片内部的IP部件开发，都需要大量的，严谨的，全面的测试和验证，验证的工作量往往占到整个芯片开发的70%左右。就算如此，设计的缺陷和使用上产生问题也在所难免，需要后继的技术支持和缺陷修复才能保证芯片安全量产。在开源社区的分工上，这些工作是由商业公司完成的，至于商业公司本身能投入到什么样的程度，确保什么样的质量标准，也许需要长时间大规模量产才能验证。

另外需要强调的一点是软件开源社区和硬件开源社区的差异，软件开源社区可以容忍有限度的错误，并用快速迭代的方式去修正错误和增加新的功能，推动整个技术前行。硬件开源社区对错误的容忍度非常低，意味着很难用一个松耦合的方式整合第三方的资源进行开发而是更倾向于一个完整的团队紧密配合进行开发。

迷思之四：开源意味着丰富的生态系统支持

有道是做芯片很难，做核心芯片更难，做需要生态系统的CPU芯片，比大家想象得都要难。做成功的生态系统的CPU芯片要满足三个门槛：

1、技术有足够大的革新，解决当前亟需解决的技术难题。

以英特尔为首的X86系统正是因为PC兼容机满足了市场对个人电脑的需求而崛起的，当时正在面临工作站小型机不能进入家庭和简单办公场景的问题。整个崛起的过程也经历了与MOTOROLA的竞争，与PowerPC联盟的竞争，最后胜出的。

ARM公司的处理器，满足了使用电池的移动设备对于极低功耗的需求，通过与MIPS的竞争脱颖而出，在手机和便携设备领域开拓出了新的市场。而在所谓的物联网设备领域，无论是ARM的32位MCU，还是传统的8051类8位CPU，目前处于共存的状态。满足一部分物联网设备极低功耗的需求，目前业界更多寄望于制造工艺和存储介质的技术演进来满足。

2、商业模式要被业界广泛的接受。

在PC时代，Wintel联盟降低了个人电脑的使用门槛，普及了家用和办公电脑的使用，通过横向的整合让整个PC产业链（硬件提供商，软件提供商）受益，奠定了在PC产业的霸主地位。英特尔的优势在于，丰富的产品列表，前向兼容平台，符合摩尔定律的性能增长，基于Windows和Linux的丰富生态系统。近几年，由于虚拟化技术的完善，X86在一些专用处理器的领域也大有斩获（比如网络处理器）。

在移动通讯时代，ARM采取IP授权的方式，与以TSMC为代表的代工厂通力合作，回避了设计和生产芯片的技术和资源劣势，与诸多新兴IC设计公司合作，一起打造了整个ARM在移动终端上的生态体系，更借着智能手机的爆发增长建立了完整的生态支持。ARM的优势在于，不追求和Intel一样把CPU的芯片设计，制造和销售整合在一起，而是与IC产业的所有厂商合作，用IP授权费和权利金的商业模式和业界合作伙伴共同分享成长收益。

3、有足够的第三方和应用方支持

一个CPU芯片在2~3年的开发周期中越过重重障碍，成功量产，芯片上市开始销售，对于芯片厂商，问题可能刚刚开始。跑操作系统Kernel没问题，内部开发和使用的时候都验证过了。编译器的稳定性和安全性问题，第三方的硬件驱动适配问题，开源的公共软件库的兼容问题，其他指令集应用程序的移植问题，一些特殊的应用（安全应用，特殊硬件的加速应用）的运行问题，都需要CPU厂商长年的支持和修正。相对而言，相对闭源的体系虽然丧失了一定的灵活性，但是也保证了所有厂商开发和使用体验的一致性。对大的OEM厂商，尤其是工业控制等高可靠性应用场景的厂商，更倾向于长效的，稳定的架构来保证产品的长期可靠性。

迷思之五：开源意味着可能的弯道超车

经过多年的发展，芯片行业已经是一个规模巨大，应用广泛，分工明确，技术更新频繁，年销售额4000~5000亿美元的行业。

1、从产业分工上看，EDA设计软件，芯片设计（尤其是模拟芯片），制造设备，圆晶代工，封装测试等领域，国外的厂商都经过多年的发展，都占据了领先的地位。中国的芯片工业虽然在设计，制造和封测领域形成了一些规模不小的企业，但是都不成体系，并没有形成类似日本当年半导体行业一样的闭环体系。

2、在一些基础设施上，比如核心基础零部件，先进基础工艺，关键基础材料和产业技术基础上，还相对薄弱，没有办法通过简单的复制解决高端芯片的问题。

3、在整个产业链上，芯片下游客户大多是承接产业转移，因此一方面对产业转移的发源地存在技术依赖，另一方面还处于消化吸收最新技术，追赶国际潮流的阶段。

4、做为一个成熟的行业，在没有出现革命性的需求变革之前，是很难培育出另一个完整的CPU生态的，而国内产业在产业分工和基础设施上的缺失，让基础技术有弯道超车的可能性的很低。更合理和务实的选择的，是利用规模庞大的市场实现应用领域的技术突破，利用技术需求重新定义本土的芯片，本土芯片的出货来保证技术团队的长期研发投入，从而逐渐实现点到面的突破。

如果说，在某种程度上，芯片是工业的皇冠，CPU芯片则是皇冠上的明珠，那么，它同样是一系列制度的结晶。这些制度包括企业长远和稳定发展的预期，完善的知识产权保护体系，透明、公开的科研体系，和公平竞争的商业氛围。在制定长期计划的时候，我们应该在思想上做好以下准备：

1、产业政策，财政补贴，不可或缺，但也需警惕过犹不及。

2、技术的获取，既可以用自我研发的方式获得，也可以用资本的方式收购。

3、在国际分工的格局中，只要做到你中有我，我中有你，贸易冲突就是双输的结局。

4、中国的产品要走出国门，走向世界，就需要在技术体系上和国际通行标准保持一致，而不是闭门造车。

5、产业繁荣的标志，应该表现为涌现出一大批有规模有技术的代表性企业，并能影响和主导国际标准的制定。

6、未来的中国，不仅应该追求产品的输出，更应该追求智力的输出。

中国作为近几十年来国际分工和贸易体系最大的获益国家之一，有什么理由不相信自己能用充分市场竞争的方式获得成功呢？