中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員 唐志敏

在中國(guó)的具體條件下，發(fā)展CPU，不僅是企業(yè)行為，很重要的是政府應(yīng)當(dāng)做什么，很有必要先談?wù)務(wù)疄槭裁匆鲞@件事情。搞清楚了為什么做，才能確定做什么和如何做。

一、為什么做

有人認(rèn)為，對(duì)“中國(guó)要不要做CPU”的回答只有一個(gè)，即“要做！”。這個(gè)答案我是同意的。但具體的理由，卻未必都一致，所以還是有必要再拿出來(lái)議一議。

一般說(shuō)來(lái)，政府認(rèn)為需要大力支持的事情，主要有三種類型：一是對(duì)國(guó)家安全至關(guān)重要，二是可能有重大經(jīng)濟(jì)利益，三是社會(huì)公益需要。就CPU而言，與第三個(gè)方面關(guān)系不大，所以我們只說(shuō)前兩個(gè)。

CPU有巨大的市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)CPU產(chǎn)品可能獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益。但是，必須看到，CPU已經(jīng)是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，要想在技術(shù)我們十年乃至更多年的巨無(wú)霸企業(yè)占據(jù)的地盤上分一杯羹，談何容易。有人說(shuō)，正是因?yàn)檫@樣，單靠企業(yè)不能成事，才需要政府的支持?？墒?，WTO的游戲規(guī)則，是不允許政府花大力氣去支持CPU這樣競(jìng)爭(zhēng)中的技術(shù)的。在面向市場(chǎng)方面，政府只能支持對(duì)競(jìng)爭(zhēng)前技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。

CPU對(duì)信息系統(tǒng)安全乃至國(guó)家安全的重要性，已經(jīng)討論得很多了，這里不必多說(shuō)。但對(duì)龐大的信息系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，影響安全的因素，又何止CPU一個(gè)？隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息系統(tǒng)越來(lái)越呈現(xiàn)出大服務(wù)器+小客戶端這樣的兩極分化趨勢(shì)：關(guān)鍵的數(shù)據(jù)資料存儲(chǔ)在服務(wù)器端，主要的信息處理工作也都在服務(wù)器端做，客戶端只是提供方便的使用界面及與界面相關(guān)的簡(jiǎn)單處理。所以，從這個(gè)意義上說(shuō)，服務(wù)器端的安全是重要的，服務(wù)器的CPU才是需要自主解決的。

二、做什么

雖然人們常常談?wù)撏ㄓ肅PU和嵌入式CPU，但從結(jié)構(gòu)上看，并沒(méi)有通用和嵌入式之分。通用和嵌入式的分別，主要是根據(jù)應(yīng)用模式的不同而劃分的。通用CPU芯片的功能一般比較強(qiáng)，能運(yùn)行復(fù)雜的操作系統(tǒng)和大型應(yīng)用軟件。嵌入式CPU芯片在功能和性能上有很大的變化范圍，有些嵌入式CPU（如SONY的PS2）比通用CPU更為復(fù)雜。隨著集成度的提高，在嵌入式應(yīng)用中，人們傾向于把CPU、存儲(chǔ)器和一些外圍電路集成到一個(gè)芯片上，構(gòu)成所謂的系統(tǒng)芯片（簡(jiǎn)稱為SOC），而把SOC上的那個(gè)CPU稱為CPU芯核。

有人認(rèn)為，嵌入式CPU有巨大的市場(chǎng)空間，可針對(duì)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，目前在業(yè)界也沒(méi)有特別強(qiáng)大的壟斷者，所以應(yīng)該是的開(kāi)發(fā)目標(biāo)。這是對(duì)的，但這應(yīng)該是企業(yè)自主做的事，不是政府應(yīng)該做的事。也有人認(rèn)為，目前我們實(shí)力較差，很難開(kāi)發(fā)出高水平的CPU芯片，所以應(yīng)根據(jù)電子政務(wù)對(duì)安全性的要求，開(kāi)發(fā)適用于網(wǎng)絡(luò)終端機(jī)的CPU芯片。但如前所述，信息系統(tǒng)的安全性主要體現(xiàn)在服務(wù)器端，終端上的CPU即使很安全，也于事無(wú)補(bǔ)。

所以，政府應(yīng)該支持的，是通用CPU芯片，尤其是應(yīng)用于服務(wù)器系統(tǒng)的高性能通用CPU芯片的研制?？v觀各類CPU芯片，我們可以發(fā)現(xiàn)，通用CPU芯片領(lǐng)導(dǎo)著技術(shù)發(fā)展的主流，提高芯片性能的各類技術(shù)，都是首先在通用CPU芯片中得到應(yīng)用和推廣，然后再逐步應(yīng)用到嵌入式CPU中去的。同時(shí)，人們經(jīng)常談?wù)摰纳婕鞍雽?dǎo)體技術(shù)發(fā)展速度的摩爾定律，也主要是針對(duì)通用CPU芯片而言的。

三、難點(diǎn)在哪里

國(guó)內(nèi)在CPU體系結(jié)構(gòu)研究方面有一定的基礎(chǔ)，但實(shí)際開(kāi)展的CPU芯片研制工作還比較初步，高水平的工作不多，與國(guó)際水平相比，差距還很大。這些差距，體現(xiàn)在從工業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)積累、人才培養(yǎng)、研發(fā)模式到產(chǎn)業(yè)化途徑的諸多方面。

從技術(shù)和實(shí)現(xiàn)的角度看，的差距，既不在CPU體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，也不在集成電路制造工藝上，而是在體系結(jié)構(gòu)與微電子工藝的結(jié)合部，即高性能CPU芯片的物理設(shè)計(jì)方面。若以廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)，以常規(guī)的ASIC流程來(lái)做，CPU設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的工作量雖然小了，但即使一直做到版圖設(shè)計(jì)，芯片主頻只能達(dá)到工藝水平所能提供性能的一半甚至更低。為了進(jìn)一步提高性能，必須在基本單元和宏單元的物理設(shè)計(jì)方面下大的功夫，投入大量的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)與版圖設(shè)計(jì)人員，聯(lián)合攻關(guān)。

四、走兼容的道路，問(wèn)題不是攔路虎

兼容性和問(wèn)題是一個(gè)說(shuō)到做CPU就必被提到的問(wèn)題。

從設(shè)計(jì)CPU的角度看，兼容一般指的是指令系統(tǒng)兼容（雖然二進(jìn)制兼容與指令系統(tǒng)兼容并不完全一樣，但在很多場(chǎng)合可以把二者視為等同）。兼容的好處很多，如大大減少系統(tǒng)軟件和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的成本，可以利用現(xiàn)有的大量應(yīng)用軟件等。如果做到引腳級(jí)兼容，則還可以有效地利用各類硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和外圍芯片。因?yàn)橹噶钕到y(tǒng)不兼容而失敗的例子，在國(guó)內(nèi)外也很多，原DEC公司的Alpha芯片，就是一個(gè)很好的例子。

有人認(rèn)為，采用已有的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)CPU芯片，就無(wú)法掌握完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。這里估且不論是否有必要追求所謂完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，先分析一下，指令系統(tǒng)本身，是否屬于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的范疇。答案是否定的。

知識(shí)產(chǎn)權(quán)主要包括著作權(quán)（版權(quán)）及其鄰接權(quán)、商標(biāo)權(quán)、權(quán)、技術(shù)或商業(yè)秘密等類型。指令系統(tǒng)的定義是公開(kāi)的，所以不屬于技術(shù)秘密。它顯然也不是一種注冊(cè)的商標(biāo)或標(biāo)記。據(jù)查證，沒(méi)有人或企業(yè)為某種指令系統(tǒng)申請(qǐng)，也沒(méi)有人為其申請(qǐng)著作權(quán)。因此，指令系統(tǒng)，就其內(nèi)容本身而言，不涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

當(dāng)然，指令系統(tǒng)本身沒(méi)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題，并不意味著已有的成熟指令系統(tǒng)就可以隨便使用。一方面，很多廠商已經(jīng)為指令系統(tǒng)的某些具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)申請(qǐng)了，因此，使用已有的指令系統(tǒng)，或者要回避這些實(shí)現(xiàn)方面的，或者就要取得相應(yīng)的實(shí)施許可。另一方面，某些指令系統(tǒng)的名稱可能是一種商標(biāo)，使用前需要取得許可。

同時(shí)，在CPU芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，也不存在不可回避的概念型。設(shè)計(jì)通用CPU，不可避免地要使用像cache這樣的基本結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)調(diào)度的方法也難以完全脫離Tomasulo算法而另起爐灶。但是，這些成熟技術(shù)本身并沒(méi)有。雖然目前已注冊(cè)的CPU設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試相關(guān)有數(shù)萬(wàn)項(xiàng)，且其中大部分都掌握在國(guó)外一些大公司的手里，但這些都是針對(duì)某項(xiàng)具體的實(shí)現(xiàn)方法的，而所有的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，都是跟CPU所采用的微體系結(jié)構(gòu)的方案密切相關(guān)的。只要我們?cè)O(shè)計(jì)出有自己特色的CPU微體系結(jié)構(gòu)，那么在具體實(shí)現(xiàn)方面，就可以通過(guò)新的實(shí)現(xiàn)方法，基本上避開(kāi)已有中描述的實(shí)現(xiàn)方法。

另外，即使存在個(gè)別我們無(wú)法回避，或者特別適用于我們?cè)O(shè)計(jì)的CPU芯片的，我們也完全可以通過(guò)正常的渠道，與權(quán)人協(xié)商，支付一定的使用費(fèi)，取得合法的實(shí)施許可。而且，通過(guò)我們自己的技術(shù)創(chuàng)新可以形成一批自主的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與其它權(quán)人的交叉許可。

總之，實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)的兼容性并沒(méi)有本質(zhì)上的困難，但仍需要注意在具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面的回避問(wèn)題，必要時(shí)也可以通過(guò)付費(fèi)的方式，獲得實(shí)施許可。當(dāng)然，更重要的，還是在保證指令系統(tǒng)兼容的前提下，實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)上的自主創(chuàng)新。事實(shí)上，芯片集成度的不斷增加，給CPU的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的創(chuàng)新空間。尤其是在芯片體系結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全性的支持方面，我們是大有可為的。因此，完全有可能通過(guò)自主的體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)CPU技術(shù)的跨越式發(fā)展。

五、發(fā)展策略

國(guó)外CPU芯片的發(fā)展迄今已走過(guò)了30年的歷程，通用CPU技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)比較成熟。如果我們簡(jiǎn)單地采取跟蹤戰(zhàn)略，先做低端，再做高端，亦步亦趨地跟在別人后面，是沒(méi)有前途的。應(yīng)盡可能從高起點(diǎn)出發(fā)，突破真正的技術(shù)，再逐步向低端發(fā)展。我們沒(méi)有歷史包袱，可以直接采用的設(shè)計(jì)，借鑒國(guó)外的許多研究成果，一步到位，實(shí)現(xiàn)跳過(guò)中間階段的跨越式發(fā)展。

在采用先進(jìn)工藝技術(shù)，加強(qiáng)物理設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)該通過(guò)處理器體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新來(lái)提高性能，強(qiáng)調(diào)各個(gè)層次的并行性的開(kāi)發(fā)。如除了通過(guò)多發(fā)射開(kāi)發(fā)指令級(jí)并行性外，還可以開(kāi)發(fā)線程級(jí)的并行性。同時(shí)通過(guò)操作系統(tǒng)、編譯、以及處理器的軟硬件協(xié)同來(lái)提高性能，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，降低功耗。

通用CPU芯片的研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，長(zhǎng)期的科學(xué)積累是成功的基礎(chǔ)，高水平的研發(fā)隊(duì)伍是成功的關(guān)鍵，穩(wěn)定的微電子工藝線是成功的保障，大量的應(yīng)用是持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。因此，搞通用CPU研制，絕不能一哄而上。應(yīng)集中優(yōu)勢(shì)隊(duì)伍，聯(lián)合攻關(guān)。建議在全國(guó)范圍內(nèi)，選擇1-2個(gè)在CPU設(shè)計(jì)方面有科研基礎(chǔ)和人才優(yōu)勢(shì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制單位，聯(lián)合有實(shí)力的微電子設(shè)計(jì)單位，建立通用CPU芯片設(shè)計(jì)基地，由國(guó)家給予重點(diǎn)支持。