不权威的国产CPU发展历程 2.0

背景

2019年时曾经写过第一版.
现在开始写第二版..
跟三年前不一样的是自己多学习了一些操作系统
和数据库以及硬件的知识. 
所以这次想着基于之前的文件版本进行一些优化和完善
当然了硬件发展比我年龄大很多. 
还是只能管中窥豹.

1.0 远古时代 大型机和夹缝生存的通用型CPU

现代计算机历史其实可以追溯到图灵和ENIAC
当时当时最多是电子管,真空管.离着现代计算机还有很大的距离
随着晶体管和集成电路的发展, 才慢慢有了新时代的CPU的发展: 

通用型CPU的发展历程感觉可以追溯到1970年代的intel的4004
当时世界上还是没有PC这个概念的，都是各个大厂自己生成大型服务器，
并且几乎都不兼容。
主要的大厂有IBM、王安电脑、SGI等，
60年代IBM赌上身家性命研发出来System360大型机,是计算机发展历史的重要里程碑.
像是intel这样的半导体厂商，主要是做内存芯片的，出售给主机厂商。

最开始主机厂商不仅需要研发CPU，还需要制作相应的操作系统和编译器等软件。
当时很主机非常昂贵，操作系统和软件都是附赠的。
1960年代末贝尔实验室联合多家主机厂商希望可以研发 新一代操作系统，
但是经过多年的辛苦工作，发现因为制定的目标过高，无法完成。
结果unix创始人，通过不到一个月的假期时间，自己使用B语言编写了一个unix的简单版本。
1970年代初 他们重写了 B 语言然后改名为C语言，并且使用C语言重新写了unix 并且提供给大家使用，
因为AT&T 因为当时反垄断法的策略，不允许销售计算机软件相关，所以bell 实验室就免费给各个学校和厂商使用了。
1980年代后 因为AT&T被拆分了，所以想通过unix赚钱 就出现了非常多的利益纠纷和官司。
也给了windows和linux机会，然后他们就有了长足的发展。

1.0 远古时代 国产CPU的发展

抗美援朝保家卫国之后
还没有成为苏修的苏联给了中国158个援助项目
中国的基础工业得到了巨大的发展.
其中中国也研制了自己的计算机.
1958年在苏联提图纸的基础之上,中国自己组装生产出来第一台计算机.
依照苏联的M-3型计算机,研发生产了中国的第一台103计算机
1959年又生产了104型计算机
在二弹一星的研发生产中, 103计算机也提共了巨大的帮助
解密的于敏的档案里面也说1962年左右于敏研发聚变弹时只能使用104计算机10%左右的时间.

国产的计算机产业其实不是很落后.很早就切入了计算机的生产与研发
但是因为中苏交恶, 以及巴统的禁运(现在还有)导致中国计算机的发展步履蹒跚. 
苏联因为迷信三进制, 以及不信任晶体管在核大战时的稳定性导致自己的发展也离世界越来越远.

2.0 windows和intel的机会

1970年代初期  intel 本身是做内存芯片的，因为给日本厂商开发集成电路板的机会，
研发了4004芯片，也是因为制定的目标过高，严重拖期，最终intel付出了5万美金，收回了4004系列芯片的全部所有权。
1970年代末期，IBM因为想提高低端电脑市场的发展，开发出PC的标准。当时也给了微软的机会，使用微软的操作系统。
但是windows当时没有自己的操作系统，然后就花费了可能不到五万到买了一套PC-DOS系统源码，自己进行了修改为MS-DOS系统。
当时微软与IBM的PC机器捆绑销售，硬件采取了intel当时的8086类型的芯片。
其实当时最好的芯片应该是摩托罗拉的，但是因为摩托罗拉的地位比intel高太多（当时），
本着不能扶持一个重要对手的原理。IBM选择了intel作为第一供应商， 又为了供应链安全，选择了AMD作为第二供应商，AMD从此作为intel的备胎开始发展。

IBM没有想到PC市场如此蓬勃发展，又因为使用廉价的通用硬件，所以各个厂商都可以发展自己的硬件，微软也可以直接销售自己的操作系统。逐渐发展成为世界上最大的软件公司。
题外话 微软第一款产品是 编译器。与borand保兰德公司 有相同的产品线 c#的创始人 海尔斯伯格 当时就是在保兰德公司 开发了 turbo c 编译器。
intel 给各个厂商提供8086系列的芯片，然后同时提高芯片制程工艺，有了长足的发展，但是当时最赚钱的应该还是内存业务。
1980年代日本的内存极为廉价和质量优异，intel出现了巨额的亏损，为了止损intel抛弃了内存产品线，专攻CPU，也是之后intel发展迈上了快车道。
2020年后Intel将自己最新的傲腾相变非易失性内存的产品线卖给了镁光, 从此Intel彻底脱离了内存以及闪存产品线.

说一句题外话的是:
最开始做PC的其实还是 施乐, 他们做了一套图形化界面系统
但是被乔布斯和比尔盖茨偷师了. 
现在苹果只不过拿回了上世纪八十年代初属于他们的科技荣光.

3.0 指令集百花齐放的时期

• 合久必分 分久必合

21世纪第二个十年，从CPU的角度 看起来就是intel的世界
但是在上世纪的80年代，却是一个百花齐放的时期 指令集有了长足的发展。
80年代初期，学术界非常不爽intel的CISC指令集，
认为太过缓慢和不优美（unix也是认为一个进程只干一个事情最好了）
21世纪的第三个十年开始,感觉CPU又开始了群雄并起的局面.
我们可以简单的总结一下

指令集介绍

1. IBM的指令集Power以及Z

1. IBM自己的power指令集和IBM的i指令集以及最高端的IBM Z系列的处理器。
说明一点的是POWER是 80年代开始研发的 i 系列 没太有资料 Z系列应该是大型机时代的产物，到现在一直在发展。
POWER指令集曾经是与apple和摩托罗拉组件了AIM联盟 对抗 WinIntel联盟。结果乔帮主2003年反水联盟，投入intel的怀抱。
2019年已经开源。2013年时组件了openpower联盟。2017年 浪潮全面代理了大中华区的POWER产品线，组件了浪商公司。
估计后续也会有power系列的国产指令集了。因为这是最高性能和最高商用性质已经开源的处理器了。
需要补充说明的是IBM最开始的PC以及Thinkpad都是基于X86架构的. SystemX的服务器也是X86架构的,但是都卖给了联想.
IBM自己还持有的就是Power指令集CPU以及Z大型机的CPU

国产化情况
去IOE其实基本上对IBM的产品都进行了否决.
虽然IBM开源了Power的指令集,但是IBM的很多东西国产化的进展不是非常好.

1. HP的VLIW指令集。

HP的指令集其实不全是惠普自己的. 
HP收购过康柏,康柏收购的Dec都有自己研发CPU指令集的经验和历史.
HP90年代末将指令集和相关的开发人员以10亿美元的价格卖给了intel，
但是注意一点，是HP给了intel10亿美元，而不是intel花钱买的。
然后intel 合并研发出64位的指令集，通过扩展VLIW的指令，
开发出来IA64 安腾处理器。但是因为不兼容x86 32位的指令集，
以及VLIW非常依赖编译器的优化,无法做到快速研发编译器等软件.
在发展了安腾1和安腾2两代之后已经彻底死掉了。
主机厂商就是hp还有inspur两家。最终也没有开源，因为太过昂贵了。
也没有国产化的价值。（之前有厂商国产化过貌似）

国产化的情况
浪潮的K1是基于intel的IA64架构,但是随着最后28nm的安腾9500的退市
VLIW指令集彻底消失在历史的长河中.

1. SUN（Oracle）的SPARC指令集。

SUN Stanford University Network。
是斯坦福大学的研究生创立的公司.
90年代的SUN就好比2010年代的Google在科技届中的地位
但是他在2009年时被oracle以74亿美元收购。
话说回来。sun公司当时有非常强大的技术实力，与IBM实现了全方位的竞争。
语言方面有 java 语言2006年开源
数据库方面有mysql数据库，也是最大的开源数据库（另外一个是postgresql数据库）
指令集方面有SPARC指令集。2006年之后因为越来越难发展，将第一代和第二代指令集开源了。
曾经飞腾就是用SPARC指令集开发出来FT1000和FT1500的处理器。
现在除了oracle 曾经还有日本的富士通也发展过SPARC指令集，浪潮K1在宣传时说自己是美国、日本之后第三家具有大型机能力
其中日本的大型机就是基于日本有富士通的SPARC大型机来说的。
不过富士通的最新的超级服务器 京 好像也转用ARM架构了。
SUN也发展了自己的存储还有服务器 好像也有网络产品。
不过最近Oracle已经将所有的硬件人员全部裁员，Oracle 的Exadata也完全使用了x86的架构了。

国产化情况:
飞腾1000以及飞腾1500使用过SPARC指令集
但是之后飞腾1500A 彻底转向了ARM的怀抱.

1. MIPS

MIPS也是一家80年代很红火的公司，
他的指令集在嵌入式和网络设备中曾经非常高的占有率。
只不过21世纪之后被x86攻击的很弱势了，两次被收购。
现在可能属于SGI公司。

国产化情况:
中科院的龙芯曾经在2006年左右购买过完整的指令集，花费应该不到千万美元，
然后龙芯在MIPS指令集的基础上面进行扩展。指令集名字就是MIPS64EL 或者是 LoongSon
虽然MIPS是精简指令集据说不到200条指令,但是龙芯的指令集都接近上千条了.
国产的办公领域使用较多,服务器性能较差.

1. DEC的ALPHA

DEC在上世纪七十年代研发的指令集，
号称当时最先进的64位处理器，
Windows NT的开发boss 大卫 卡特勒就是当时DEC的最牛B的开发人员。
DEC 因为PC市场的蓬勃发展，而逐渐放弃了自研处理器的路线，比尔盖茨趁机将大卫招致麾下
但是Alpha的指令集就无疾而终了.

国产化情况
中电科的申威3231 1621 26010等国产化CPU 就是基于Alpha指令集的.
这种指令集对大并发内存乱序访问好像有一定的风险, 需要人为手写memory barrier
主要是用于军工以及超算领域. 通用服务器领域的适应性不是很强.

1. ARM的崛起

上世纪90年代英国剑桥开始营业的公司，
当时苹果还是最早的投资人之一，
只不过90年代末之后 因为苹果的经营困难，
以及后续的调整，苹果逐渐出让了所有的ARM的股份。
ARM的公司不生产具体的芯片，还是将IP核出售给公司，
公司自行设计研发然后找代工厂进行生产，现在苹果、安卓、win10 RT都有arm内核的处理器。
以及很多嵌入式也使用了ARM内核，包括树莓派也采取了ARM内核。
但是最近ARM因为跟高通的关系好像要收紧ARM的授权. 要求必须使用公版. 
进入21世纪的第三个十年, 微软, 亚马逊, 高通,阿里都可以追随苹果的脚本可以走自研CPU的脚步
其中ARM是最大的倚仗, 虽然ARM是英国公司,但是现在属于日本软银的资产
英伟达收购失败,加上着急套现的孙正义,ARM的发展可能会比较坎坷一些.

国产化情况
飞腾,华为,阿里以及展讯等都具有ARM的指令集授权
飞腾2000+ 飞腾S2500 
以及鲲鹏920 
阿里的倚天710
其中现在性能最好的是阿里的倚天710
5nm 128核心的CPU. 鲲鹏的属于第二档次
需要注意的是. 鲲鹏和飞腾都是ARMv8.2的架构
因为阿里没有上制裁名单, 所以他使用的是最新的ARMv9架构.

1. RISC的进攻

RISC已经发展到了RISC-V 并且印度已经将这个指令集设置为国家指令集进行支持发展。
华为前段时间也说，如果ARM真断供的话，可以尝试将指令集切换到RISC-V中来。
是学术界一个非常好的指令集，但是也跟微内核架构的处理器内核一样，一直处于学术界，工业界还没有见到具体的产品。
前段时间华米的只能穿戴设备可能已经使用上了RISC-V的指令集，据称非常节能。

国产化情况
生态圈不太好,但是最近进展的可能是阿里的平头哥
可能直接上生产上ERP比较难,但是IoE万物互联的场景非常满足.

1. x86架构

现在服务器领域超过90%都是x86架构的天下.
Intel和AMD是x86架构双雄.
从上世纪70年代开始.风风雨雨50年的时间.
最近几年AMD凭借chiplet以及Intel的挤牙膏操作,已经占有了X86架构20%+的份额
Intel最近祭出的大小和以及第三代至强可扩展终于有点可以赶上来的趋势. 
不管怎么用现在x86是世界上最强和最广泛的CPU(服务器领域,生产力领域)

国产化
海光,兆芯,紫光
海光现在已经上市,并且发展的也最好, 但是有被断供晶圆的风险.
海光走的是与AMD合资的道路,购买了第一代ZEN架构的IP,晶圆可能主要基于三星或者是格罗方德(IBM前身晶圆厂)
兆芯是购买了VIA威盛的资产和技术,VIA是基于与intel的专利交叉授权协议可以生产x86的芯片
兆芯的芯片算力和水平比海光要差很多,晶圆的生产可能依托于中芯国际

4.0 芯片的生产。

最开始芯片生产都是每家进行生产，
独立封装、独立出售的，但是随着制程工艺的发展，
每一代制程的提升需要花费太高，资本支出达到百亿级别。
现在除了intel和三星 已经没有主流的芯片厂商能够支撑的起先进制程的研发。
这一块自己不是业内人士，只能够简单分析一下。

芯片的生产，主要有晶圆的生产，以及光刻机，刻蚀，封装，测试等多个步骤。
现在先进制程的三家主要的生产商：
中国台湾的台积电  、韩国的三星 、美国的intel 

其他的还有：美国的 格罗方德（原来AMD的生产工厂，以及剥离并且放弃了14nm以下的制程研发。）
IBM的铜芯片工厂也已经出售给了格罗方德，IBM的芯片以后可能也会找台积电代工。
中国上海的 中芯国际  据称14nm 已经试产 2019年年底上市。EUV光刻机已经订购，下半年or明年到位。
(2022年消息是 7nm 使用多层曝光DUV光刻机来实现, 但是良率较差几乎无法商用)
欧洲主要是在ASML的光刻机牛B一些，其他的比如意法半导体可能还停留在上两三代制程工艺上面
（龙芯的处理器前面几代就是用的意法半导体流片生产的。）
日本主要是 半导体耗时部分，比如最近很出名的氢氟酸，直接卡住了三星的脖子。
现在华为的不管是鲲鹏还是麒麟都是台积电代工的，其实也不完全是大陆产的，如果出现争端也会被卡脖子的。
(2019年写的, 现在华为已经完全断供,飞腾和海光据说也断供.但是据说可以通过代理或者是其他新公司的名义交付台积电生产)
(但是通过代理或者是其他方式生产的折扣和工期较难. 并且容易受到美国驻场的排查. )

5.0 操作系统简史。

前几天简单理了下国产操作系统的历史
简单来说国产操作系统完全是基于linux的Kernel+GNU工具链的.
主要的流派就是 Debian以及红帽

但是现在阿里和华为的还是基于红帽的CentOS进行开发
主要是龙蜥和欧拉两种开源操作系统
其他国内的OSV Operating System Vender 则是基于两者进行发型商业版
基于开源和商业版
2021年 龙蜥宣称有100万装机量. 欧拉宣称有300万装机量.

感觉国内来说还是需要走可信计算的路子, 手中有粮心中才不慌.

6.0 国产CPU的情况。

6.1 完全购买国外技术：

天津海光：
购买AMD的ZEN1的技术。AMD快破产时花三亿美刀购买了ZEN1 几乎全部的资料，业内认为还是非常值得的。
可能使用台积电代工工艺，技术水平比较高，能够达到三五年前intel的主流处理器的水准

上海兆芯：
上海国资委与VIA合资的项目，VIA是90年代 逆向x86还活下来的位数不多的几个公司。
据称协议已经过期，而且可能使用了中芯国际16nm左右的工艺，技术水平大概是七八年前intel的水准。

兆芯的KX系类处理器。
上面两个最大的卖点是可以支持windows 操作系统。并且能够使用国内的加密组件。

江苏盛芯
已经破产。基于OPENPOWER

紫光国微
宣称intel曾经注资建立合资企业.用于进行x86的国产化操作.
具体产品不详.

6.2 所谓完全自主路线。

龙芯：
购买了完全的MIPS指令集架构，并且进行自研。使用中芯国际代工。性能比较差。估计为十年前intel的水准。
优点是完全自己发展了，国际上也卡不住脖子，
但是没有生态，很难发展自己的生态.
龙芯在北斗以及工控OA领域发展的比较好.
但是在ERP和服务器领域发展的不是非常好.

申威：
总参无锡五十六所研发的，
使用的应该是 DEC的ALPHA指令集
优点 DEC被康柏收购之后，康柏又被惠普收购，惠普当时有自己的安腾指令集，
也就放弃了DEC的指令集。申威作为军方背景的研发机构的产品，民品开发比较少，
并且也不会有国际市场的销售，所以比较安全。也没有专利的纷争，缺点就是跟龙芯类似，
缺少生态的支持，现在查了一下就是有一个基于linux内核的神威睿思操作系统，应用软件的兼容可能比较痛苦一些。

最新的26010处理器有 256个计算核还有4个管理核，其实很负责现在ChipLet的理念。
但是单核性能还是太差，主频应该也不是很高。需要进一步提升。
2021和2022年最新的CPU 应该是申威3231 我当时1621的OpenJDK都无法启动.
感觉性能提升还是很大的. 

飞腾1500之前的处理器。
飞腾在1500A之前曾经使用SUN开元的SPARC的指令集，
但是存在单核性能低和生态不健全的情况，后续转头ARM怀抱，
但是也不是用的公版的ARM A57架构，没法用QEMU进行模拟。

6.3 购买自研结合路线

飞腾：
飞腾1500A以及飞腾2000+ 飞腾S2500
当年的芯片大会上面 飞腾团队的火星PPT，让大家误以为这是汉芯第二。
现阶段看起来，飞腾走的ARM路线也还不错，
中国电子旗下的长城主机厂商已经购买了飞腾接近50%的股份，
有了中国电子这个十大军工之一的背后强大支撑，以及中美贸易战，
中国重视独立自主的东风，飞腾应该能有较快的提升才是。
优点：飞腾ARM平台能够较简单的使用很多开源的软件，设置可以通过模拟器的方式运行安卓的应用，
      生态非常丰富，并且发展也会比较顺畅一些。
缺点：ARM已经被孙正义收入囊中，以后出现争端会不会断供不好说。
现在飞腾S2500已经上线了, 感觉速度比1500A的提升非常大, 但是比飞腾2000+提升有限.


华为：
鲲鹏920 也就是 Hi1620 处理器，最近一段时间非常红火，基
于最新的ARMv8架构最高能够支持到64core，多
核性能据说能够战平两年前的intel 志强旗舰。
采用了台积电7nm 制程工艺，非常先进的工艺了。
山东移动、浙江移动、以及部分电力企业已经商用了华为使用鲲鹏920的泰山系列服务器。
鲲鹏920 最强大的并不是制程工艺、多核性能，还是华为强大的技术栈，
鲲鹏920支持8通道DDR4内存，设置讲2个100G的支持ROCE（RDMA）的网卡放到了封装内部，这一点是非常难能可贵的。
而且自身也支持k8s，支持微服务，性能和稳定性有业内足够的制程。非常看好这个行业的发展。
优点：华为强大的技术栈，网络以及内存甚至PCI-E的融合，这一点超出所有的国内甚至是国际的CPU厂商。
     华为鲲鹏甚至是ARM业内首家支持四路服务器的厂商, 虽然性能可能不是非常好,但是比较优秀了.
缺点：贸易战断供，指令集非自有。

华芯通：
2019年5月份已经破产。
时也命也，要不是博通要收购高通，兴许高通还想能够在服务器市场与intel竞争一下，但是因为博通的收购案
高通被迫离开与贵州人民政府的合资公司，继续将目标锁定在高收益的项目上面来。
华芯通已经没有产品了。
最近高通又想切入到服务器CPU,已经收购了一架芯片公司, 并且因为授权的问题与ARM在打官司.

展讯：
展讯现在属于紫光集团的子公司，紫光集团属于清华控股控股的集团公司。
展讯主要是做中低端的嵌入式以及移动设备CPU，大部分也是基于ARM指令集来研发的。
紫光集团非常迅猛，现在有CPU（展讯）、内存事业群（据称内存DDR4颗粒今年下半年正式量产）、
长江存储（SSD存储颗粒以及产品），除了没有主板，大件基本上都有了。
展讯这边 应该还没有桌面级别的CPU出来，但是不知道后续有没有相应的计划。就是不知道生产时用的自家的还是中芯国际的。

华米：
基于RISC-V指令集进行自主研发。
具体情况不是很清楚。

阿里:
阿里的达摩院和平头哥一直在自研很多CPU
其中最火的就是阿里倚天710还有基于RSIC-V的一些CPU
倚天710是128核心的高配置ArmV9的服务器CPU
而且也有公测的阿里云倚天虚拟机值得期待.
基于RISC-V的用于物联网领域也是未来IoE的一个火热场景.

7. 最近的发展

国家最近有一个东算西数的国家政策. 
其实也是对服务器的一大利好. 
有一个数据是:
全世界每年卖出14亿手机 3亿PC 1千万服务器
中国每年也卖出3亿手机  5千万PC 300万多的服务器

随着2020.9美国彻底断供华为, 一滴血的认证方案来不给华为提供配件.
2022.10美国针对中国的芯片制造以及成本出售有了更大的门槛. 
现在最新的芯片领域中美几乎已经脱钩.

最近国资委还是发改委的7x号文也是给信创产业打了一个巨大的强心针
教育,医疗,军工,政府,交通,能源行业需要巨量的安全可靠的软硬件. 
东算西数需要巨量的服务器进行承载.
物联网, 互联网+也需要更多的国内巨头来进行发展.
非常看好国产化CPU的发展局面. 虽然道阻且长,但是行则将至

8. 简单总结

其实不管信创还是国产化，虽然行政手段能够获得一时的蓬勃发展，但是终归需要市场的手段来检测。
国产CPU需要在一定的价格优势上面，做到可用，能有，好用。
其实《创新者的窘境》里面有非常清晰的描述
挑战者一般都是自底向上来攻城拔地的。
Intel和ARM也是这样慢慢的像霸权CPU来挑战。

国产的CPU也应该如此。慢慢的发展。
其实从最近几年看来，国产化CPU的算力与兼容性都在稳步提升。
基于全球开源运动的发展，国产CPU的生态也越来越好。
但是感觉一个很大的核心是需要有一拨人能够沉下心来去做事情。
而不是整天高大上的PPT进行宣讲。有时候金玉其外的。