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          揭秘中國首家國產處理器架構,MVP核能否打破國際巨頭的壟斷?2019-09-05

          研發一款完全自主的國產芯片架構有多難? 

          隨著手機、PC等智能終端的普及,在終端廠商有意無意的營銷下,越來越多的普通消費者也開始對“CPU、架構、ARM、X86”這些名詞有了一定的了解,但是也很容易混淆。特別是近期越來越多的手機廠商的營銷變得越來越硬核,除了擺參數,也開始談到“指令集、編譯器、芯片架構”這些業內人都不一定能完全懂的名詞。


          對于普通消費者來說,其實并不關心電子產品中用的是什么架構的芯片,他們只需要更便宜、更高性能和低功耗的電子設備。所以對于終端廠商和芯片廠商來說,以往更傾向于直接購買國外已經成熟的內核技術,如ARM、MIPS來開發最終產品。用這些架構開發產品,在商業上是正確的,因為有了成熟的生態和工具支持,可以節省大量的時間和人力成本,快速上市搶占市場。 


          以手機芯片領域的代表廠商高通、華為、聯發科、紫光展銳為例,他們都是在ARM提供的芯片架構基礎上進行的二次開發設計。簡單來說,ARM提供的微架構相當于房地產開發商提供的毛坯房,而高通等芯片商在毛坯房的基礎上進行精裝修。由于這種模式大大降低了芯片廠商的開發難度,使得芯片上市時間大大縮短,加上ASIC簡單指令集在低功耗領域表現優異,因此ARM在追求低功耗的移動終端市場取得了巨大成功。 


           近年來,盡管國產IC設計公司蓬勃發展,但是芯片架構領域依然是歐美公司獨大。以X86、ARM為代表,除了ARM是英國(被日本孫正義收購)的外,其余的全是美國的。其中移動處理器主要使用ARM架構(華為海思、小米澎湃等),而PC處理器(桌面和服務器)主要使用MIPS(龍芯)和X86架構(兆芯、海光等),而物聯網主要使用RISC-V(阿里中天微、松果電子等)架構。 


          真正自主掌握,為什么我們需要MVP核? 

          因為過于依賴國外的芯片架構,一旦遭遇類似中美貿易戰這樣的不可抗力,國產芯片很容易遭到針對性的打壓。比如最近就出現了幾件在業內頗具影響力的事情:一是ARM說要暫停與華為的合作,二是AMD中止了X86架構后續的授權給海光。盡管ARMv8技術專利權已被華為永久買斷,但后續的ARMv9華為很可能面臨“無米下鍋”的窘境。 


          隨著芯片架構市場逐漸壟斷化,采用ARM架構授權的成本其實也越來越高,動輒千萬起跳。除了在手機等市場的玩家還能支付ARM高昂的授權費用外,針對IOT領域碎片化市場的玩家已經無法承擔了。 

          盡管業內有人認為華為可以采用最近比較熱的RISC-V來作為“備胎”,但RISC-V在手機芯片等消費領域面臨不少天然的缺陷。此外RISC-V雖然是開源芯片架構,但依然來自于美國伯克利大學。依賴國外的芯片架構來設計芯片雖然省時省力,但卻是受制于人,“技術無國界”在真實世界其實是不存在的。 


          正是看到了芯片架構領域的壟斷,包括高通、三星等芯片商都開發過自己完全主導的芯片架構。而據說國內的紫光展銳、方舟科技也開發過自主芯片架構,從IC CORE設計,指令集設計,編譯器設計,都是自主研發。不過在與ARM的競爭中,都面臨生態系統不夠成熟的問題,而在市場上也沒有真正出現過采用自研芯片架構的產品。至于其它的國產芯片,當時龍芯用的是MIPS架構,中天微用的是C-core,至于RISC-V那是很后來的事情了。 


          在屈指可數的自研國產芯片架構的先行者中,2009年成立的中微電具有非常重要的意義,其自研的MVP核在技術上非常超前。 


          所謂MVP(Multi-threaded Virtual Pipeline stream Processor),最初的意思是“多線程虛擬管線技術”。后來中微電將自研的處理器架構IP命名為MVP。 


          中微電開創性的將CPU和GPU統一在一個核內,一個核既可以當成CPU,也可以當成GPU來使用,并且支持四個線程的并行運算??梢哉f,MVP核是業界首次將CPU和GPU的功能集成在一個核上,同時也是國內第一個基于并行計算的、且具有先進的同步多線程設計的多核處理器芯片。 


          2011年12月,中國核高基及IC專家魏少軍教授,以及眾多集成電路行業專家分別到深圳中微電考察,當時專家對中微電在沒有外部幫助的情況下,獨立完成了具有完全自主知識產權的MVP核表示高度贊揚,認為融合了CPU和 GPU的指令集ISA是一個很大的創新。 


          錯失平板機會,先驅成先烈 ? 

          據了解,中微電的成立初衷源自于創始人梅思行的一個愿望。在硅谷從業多年的梅先生,一直希望為中國的技術發展做出自己的貢獻。作為Nvidia的主架構師之一,梅先生直接參與了數代Nvidia圖形處理器芯片中的流處理器架構和硬件設計 ,包括第一個GPU(第一代GeForce),第一個可編程GPU(第一代xbox),第一個GPGPU(G80),可以說是芯片設計領域不折不扣的大牛。


          正是由于有梅先生的堅持,中微電從成立之初在技術上就極具前瞻性。當時CPU和GPU的發展已經沿著并行可編程的路線走到一個競爭交叉點,CPU和GPU都在互相融合互補,越來越多的算法放到GPU中運行,希望成為未來的計算中心平臺,軟件編程的思路也在發生變化,越來越多的調用GPU的性能來進行運算。 


          按照梅先生的設想,中微電希望能用自研的MVP核來自己做芯片,對比ARM架構的芯片,MVP核芯片在并行運算上擁有功耗、成本、性能的多重優勢,多個MVP可組成一組強大計算能力的多核、多線程的處理器,特別適用在云計算服務器等需要大量多核運算的設備中??梢宰屜到y級SOC設計成本遠低于其它芯片設計公司。 

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          兩位創始人(左:周志德 右:梅思行 ) 


          2009年,梅先生與多年好友周志德先生共同成立了一家芯片設計公司ICube(中微電)。周先生是世界著名的編譯器專家,曾任MIPS首席工程師、SGI首席科學家、PathScale公司編譯工程總監。他也是編譯界普遍采用的Open64編譯器的首席架構師, 后來演化為著名的Open64編譯器,周先生因此樹立了全球編譯器頂級權威的地位。處理器大牛加上編譯器大牛,這個創業陣容堪稱豪華。 

           

          2011年,中微電流片了第一顆基于65納米的SOC產品IC3228,采用完全自主研發的芯片架構MVP核集成的SOC,也是國內第一個獨立研發的多線程處理器核。其CPU性能高于雙核ARM Cortex-A9, 且具有當時主流嵌入式GPU的性能。 


          也就在同一年,珠海一家芯片設計公司找到中微電,希望詳細了解中微電的MVP核,并采用IP授權的方式合作開發芯片。不過這家公司最終考慮到生態成熟的問題,選擇了ARM架構授權芯片,同時發布了第一顆平板處理器A10,并在當年抓住了平板電腦的機會成為黑馬。這家公司就是珠海全志科技。 


          如果當時全志和中微電的IP授權模式合作成功,可能今天的移動芯片架構的市場格局就要發生變化了。事實上,當時找中微電談合作的遠不止是全志一家,據了解華為也曾找中微電談過合作。 


          不過當時中微電更看好方興未艾的智能家電領域,同時也將賭注更多押寶在了自己流片成功的IC3138上。據介紹,當時市面上同類的,采用ARM架構的主控芯片,最便宜的也要賣到7~8美金一顆,而IC3138的定價是2美金,可以說具有極大的價格優勢。


          在方案商的選擇上,中微電選擇了跟比亞迪合作,比亞迪當時也是格力、美的、海爾等家電廠商的方案提供商。當時智能家電和物聯網的概念還不普及,可以說中微電的想法已經非常超前,要通過一個通用方案在家電中都帶上通信、觸屏功能,變成可觸控操作的智能家電。


          在中微電的辦公室,還擺放著當時與一家香港的果汁機品牌合作的智能果汁機,外掛WIFI通信模塊,帶觸屏功能,可以用手機APP操作,內置了兩千多套打果汁的菜譜。當時連手機、平板也才剛剛普及觸屏功能。據了解,當時這個果汁機賣很貴,單價達到幾千元,當時出貨了近萬套,銷往臺灣以及海外市場。


          隨后,比亞迪剛好將業務重點轉向新能源汽車,將專門做電子的五部和六部進行合并裁員,智能家電也就不再是比亞迪的發展方向了。


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          深圳中微電科技有限公司執行董事王炳煌 


          “如果當時能堅持下來,正好能趕上智能家居的一波浪潮?!鄙钲谥形㈦娍萍加邢薰究偛猛醣拖壬袊@的提到芯片行業的一個規律,“有時候做太早了,先驅就成先烈了?!?/p>


          2014年,中微電的母公司,港股上市的中國微電子科技集團(00139)由于主營業務變更,將旗下深圳中微電的業務剝離出來。而就在這一年,中微電也面臨了成立以來最大一次的人員變動,創業元老周志德離開了團隊,也間接促成了中國科技業另一件重大事件的發生。 


          方舟編譯器的誕生

          2014年,大批來自清華、中科院的博士加入了華為方舟實驗室。其中最重磅的是方舟編譯器的技術首席科學家周志德。 


          2015年,華為方舟實驗室推出了自主研發的編程語言CM。 


          2016年,華為專門成立了“編譯器與編程語言”的實驗室。 


          2019年4月,在華為P30系列國內發布會上,華為發布了一個普通觀眾不太懂,但其實意義重大的技術——“方舟編譯器”。 這也是一家國內消費電子產品公司首次把編譯器作為一大亮點來介紹。 編譯器的作用是把程序員編的高級語言代碼轉換成計算機的機器碼,起到承上啟下的作用。 


           在以前,每一家CPU架構廠商都會開發自己的編譯器,但隨著CPU架構從百花齊放走向逐漸壟斷,只剩下惠普、英特爾、英偉達、vmware等頭部的廠商仍然保留編譯器開發團隊。 


          為什么周先生這么重要? 

          40多年前,勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL:美國以核武器研發為主的兩個國家實驗室之一),啟動了名為“S-1”超級計算機項目,許多斯坦福學生/畢業生參與,其中包括周志德。 


           周志德是美國“S-1”項目編譯器的主力研發之一,于1977-1983年在斯坦福讀博,畢業后先去了Daisy Systems,該機構與世界上最早的(之一)商業EDA公司——Valid Logic Systems齊名。 


           之后,周志德先后進入MIPS和SGI任職,在SGI期間領銜開發出Pro64編譯器,后來演化為著名的Open64編譯器。因此,周樹立全球編譯器頂級權威地位,成為編譯器領域的頂級大佬。 此后,周志德又加入Cognigine,參與創立PathScale和ICube(周的LinkeIn),但隨著全球CPU體系結構走向了高度壟斷,編譯優化的價值也不再顯著,PathScale被反復賣了好幾輪。 


          周志德在離開PathScale之后,與英偉達出身的梅思行合作,共同創立了中微電,并主導了MVP的編譯器。 


          華為有了自己的編譯器,使得芯片架構定制化有了實現的可能??梢韵裉O果一樣定制自己的芯片或者直接換掉ARM架構。而對于中微電來說,盡管周志德離開了公司,但是周先生主導研發的MVP編譯器仍在發揮著作用。有了這個編譯器,應用程序開發者的源代碼可以在MVP編譯器上編譯,直接在中微電MVP上運行,大大的降低了開發難度。 


          重新出發,走IP路線 

          時間來到2019年,與10年前相比,此時的中國半導體行業發展環境發生了天翻地覆的變化。 


          這中間隔著半導體大基金的成立、各地資本對集成電路企業的熱捧、中美貿易戰、中興與華為事件……半導體上下游的國產化被重新提上日程。半導體技術也從多核多線程的潮流轉向了人工智能。 市場的變化教育了資本,也教育了從業者。經歷過低谷、重新出發的中微電,商業模式發生了悄然的改變。 據了解,中微電承擔過國家重大專項核高基項目的研發。同時承接了深圳市科創委、南山科技局的多項科技攻關項目,均已成功驗收。華為事件后,國家對于重大技術專項項目的支持力度明顯加大”,中微電總裁王炳煌先生表示, “這的確是國產集成電路設計公司的福音”。 


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          從《深圳市進一步推動集成電路產業發展行動計劃(2019 —2023 年)》的紅頭文件來看,高端通用芯片(CPU/GPU/FPGA)以及EDA、IP核都屬于核心關鍵技術。 在半導體業界都在談“國產化替代”的當下,對比其他友商,只有中微電可以真正提供完全自主知識產權指令集的架構的處理器。中微電完全可以在攻關卡脖子技術上做出貢獻”,王炳煌表示。 在芯片領域,目前中微電的通用芯片項目開發暫緩,而改為與系統廠商合作進行芯片定制。比如針對AI邊緣計算的芯片,針對AI云端服務的芯片。除此之外,中微電也在和一些國產EDA廠商合作進行推廣銷售,國產EDA也希望能推廣更多的國產芯片IP。 


          IP這一塊,中微電基于MVP內核分別提供低功耗MCU和高性能的CPU兩種IP,其中MCU采用65nm工藝,對標ARM M0/M3,主要應用到天然氣、電力計量、智能家電控制等領域。而CPU則采用28nm工藝,對標ARM、MIPS、RISC-V,主要應用到高性能SOC、智能終端領域。 


          中微電GPU演示 


          中微電同時提供高性能的GPU IP,采用28nm工藝,對標Mali、Adreno,PowerVR,主要應用移動顯示終端領域,支持OpenGLES3.1/2.0/1.1,像素填充率可達20GP/s,三角形填充率可達2GTri/s。 


          此外,中微電還提供高性能的并行計算IP-GPGPU(通用可編程并行計算處理器),采用28nm工藝,對標Nvidia CUDA核,支持邊緣計算、并行計算、人工智能。據了解,目前中微電GPGPU的核心功能已經通過FPGA驗證,軟件環境支持OpenCL和Tensorflow Lite等。 


          對標NVIDIA CUDA,什么是GPGPU?

          對于GPGPU的定義有很多種,利用GPU做一些非渲染的計算被稱為GPGPU——General-purpose computing on graphics processing units,圖形處理器通用計算。GPGPU的另一大優勢就是支持與各大CPU架構的適配,這樣兼容性變得更好。簡單來說,就是將GPU和CPU結合在一起,用來進行應用程序加速,并將一些計算密集型任務從CPU移到到GPU。 


          中微電GPGPU算法演示 


          可以說GPGPU正在重新定義數據處理和深度學習網絡方面的能力。據了解,NVIDIA CUDA的主要應用將包括極高能效的百億億次AI超級計算機。 


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          2019年6月17日,在德國法蘭克福的國際超算大會上,NVIDIA宣布其獨有的CUDA編程架構開放支持ARM CPU架構。NVIDIA CUDA就是GPGPU的典型代表。NVIDIA將在今年年底前,向ARM生態系統提供全堆棧的AI、HPC軟件,可支持所有AI框架、600多個HPC應用程序的加速。堆棧優化完成后,NVIDIA將為所有主流CPU架構提供加速,包括x86、POWER、ARM。 


          為了更好的支持ARM CPU架構,Nvidia還推出了一款形狀、外接口類似于樹莓派的嵌入式主板Jetson Nano,搭載Cortex-A57處理器,GPU則是128個NVIDIA CUDA核心,支持4K 60Hz視頻解碼。相比樹莓派,Jetson Nano要強大多了,支持深度學習、人臉識別等應用,做個自動駕駛小車控制也可以。其性能可以與搭配NPU的瑞芯微RK3399 PRO進行對比。 


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          邊緣計算算力板性能對比 


          中微電推出的邊緣計算算力板正好對標Jetson Nano,除了采用自研的GPGPU 核之外,通過PCIE接口可支持ARM架構CPU,如瑞芯微、MTK、全志等的處理器。支持的應用場景包括邊緣計算場景中的圖像識別以及人工智能算法,如汽車駕駛眾的疲勞檢測、乘客識別。人臉閘機、人臉支付場景,公共場所視頻監控場景,人數統計等。從上圖的性能參數對比可以看到,采用64個GPGPU 核,其FLOPs性能就超過128核的CUDA,同時在功耗、面積方面都更具優勢。從性能上,MVP的核心架構有自己的獨特優勢,根據FPGA的仿真驗證和流片數據,可以得出結論,功耗會小很多,面積小了流片成本也小很多。 


          除了邊緣計算,其實中微電的MVP核也可以針對服務器端市場。不過這個市場由于玩家比較集中,目前并不是中微電的目標市場。 

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          根據王炳煌先生透露,中微電接下來在繼續完善、優化以上三種IP的基礎上,還將針對可行的終端應用場景和市場,定義基于MVP-CPU+MVP-GPGPU+MVP-MCU 核心技術的芯片。目前中微電已經與自主可控信息安全領域和某商顯公司合作定義用于人臉識別和人臉支付場景的自主產權芯片,同時和人工智能物聯網公司合作定義邊緣計算芯片。 


          據了解,中微電預計到2020年將完成GPGPU芯片的MPW驗證,以及GPGPU芯片算力板的開發。 


          不過,隨著人工智能算力戰爭的日趨激烈,邊緣計算領域這個賽道的玩家和對手越來越多,對于中微電來說,目前也感覺到越來越大的緊迫感和危機感。比如南京的天數智芯、上海的登臨科技都宣稱開發出了自研的GPGPU芯片,并且拿到了一大筆錢。 


          對于現在的中微電來說,除了競爭對手,還需要考慮下一步的融資事宜。畢竟要開一顆最新工藝的芯片,是非常燒錢的。不過好在與港股上市公司剝離后,深圳中微電重新成為了一家股權結構清晰的公司,對于下一輪融資較為有利。 


          MVP或RISC-V,誰能打破ARM的生態壟斷? 

          前面提到,最近這兩年開源的RISC-V架構大熱,由于是開源的,所以被視作國產芯“自主可控”的發展契機。 有數據顯示,中國有300家以上公司在關注RISC-V或以RISC-V指令集進行開發,并且有了一定的成果,有些芯片企業已經做出了RISC-V的物聯網芯片,比如最近阿里系的“平頭哥”就大出風頭。 


          不過盡管炒得很熱,但RISC-V和MIPS、MVP等所有非主流的芯片架構一樣,都面臨生態問題。RISC-V在企業級、消費級的工控和桌面辦公領域都無法真正解決生態問題?!俺薠86和ARM,包括MIPS和RISC-V,任何不是銷量前二的指令集,都會有生態問題?!泵匪夹邢壬J為,在不需跑第三方軟件的市場,生態環境并不算什么問題,比如一些工業或行業應用?!叭绻脩舻膽密浖怯性创a的,我們可以負責移植;如果第三方應用是JAVA,生態環境問題也不大,因為MVP核可以跑Java vm?!泵废壬硎?。 


          生態環境的建立需要時間,arm在x86生態環境下的崛起過程,就是一個例子。 


          作為一個全新的CPU架構,MVP采取的策略是:1. MVP具備獨立且高效的C/C++的編譯器;2. MVP會運行Android操作系統并會繼續支持其他開源的系統;3. MVP會移植Android之上的所有應用環境及普遍應用程序;4. 如Android所提倡,MVP會有效運行獨立于CPU的Java應用程序,而事實上Android的Dalvik虛擬器也已經是一個并行編程的適合MVP的軟件平臺;5. MVP會提供高度靈活及高效率的QEMU軟件開發平臺。相信隨著時間推移,MVP的軟件生態環境會更趨成熟。 


          實際上,MVP和RISC-V架構在指令集上非常相似,MVP的獨特之處是硬件多線程,同時涵蓋了shader language,集成了GPGPU的指令。 

          此外RISC-V雖然是開源的,但那個是最基礎的,真正實現量產上市仍然需要投入大量資源進行第二次開發。相對來說,MVP似乎是介于ARM和RISC-V之間,有限的專利授權費,但是又提供成熟的開發工具。對于國產芯片設計公司來說,MVP顯然既能滿足完全國產化,又能夠滿足低成本和靈活性的多重需求。王炳煌表示,MVP也可以考慮進行指令集的開源,聯合更多有實力的合作伙伴共同來壯大生態。 


          點評:芯片國產化東風來臨,中微電未來可期 

          作為一家本土市場成長起來的IC設計公司。 在完全從零開始,打造自主知識產權開發的MVP項目中,中微電不但給后來者指明了方向,培養了一大批優秀的半導體研發人員,同時也為自主指令集以及自研芯片架構在業內進行了推廣普及。 


          盡管由于各種原因,目前的中微電在商業上不能算成功,但它的出現仍然是“中國芯”發展的一個重要里程碑。 


          在芯片投入上,盡管我國這幾十年來一直把集成電路技術作為高科技發展的內容之一。然而對于資本和企業來說,芯片產業仍然是個高投入高風險的行當,投入并不一定有回報,就算有回報也是很久之后的事情。 


          不過近年來,隨著半導體大基金的成立,以及資本的熱捧,半導體業變得日趨浮躁,很多項目匆忙上馬,缺乏對未來的長遠規劃。 


          在這種情況下,我們更加需要中微電這種多年來一直堅持在國產自主指令集方向上深耕的企業。在中美貿易戰的大背景下,各行各業都將會加大對于國產芯片的采購力度。而在類似于政府采購項目、軍工等敏感項目,更是要求國產化率達到一定的標準以上。 


          筆者認為,借著目前國產芯片替代的東風,中微電未來一定能脫穎而出,綻放國產處理器的光彩。同時MVP核作為國產自主的芯片架構,也必然在與ARM、RISC-V架構的競爭中,獲得自己的一席之地。

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