在信创产业链中,指令集架构作为一套标准规范由上游定义,处理器微架构由芯片厂商按指令集规定实现,下游操作系统与应用软件则围绕具体微架构进行适配,三方形成“标准统一、实现多元、生态协同”的分工格局。以 ARM 为例,其针对自家 ARMv8 指令集架构先后开发了 Cortex-A76、A77、A78 三代处理器微架构,说明同一指令集架构可由不同微架构实现,标准化与差异化由此并存。

上游:指令集与 IP 授权方定义“语言规则”

指令集架构是 CPU 中用来计算和控制计算机系统的一套指令集合,本质上是一套标准规范。它好比语言,而日常软件好比书籍——语言为书籍提供建立的基础,书籍又为语言带来大量用户。在大规模指令集生态中,大批用户吸引大批开发者,进而产生大批量应用程序,形成正反馈,用户粘性不断增强,因此指令集架构市场基本呈现赢家通吃特征。目前最主流的始终是 X86 与 ARM 两大架构:PC 端以 X86 为主,移动端则属 ARM 的天下;此外还有 MIPS 和 RISC-V 架构在不同应用中活跃。上游授权方主要通过指令集架构授权与处理器 IP 授权两种方式对外合作,前者一般只有大厂才能获得。

中游:芯片厂商按指令集设计微架构

光有指令集架构并不够。集成电路工程师在设计处理器时,还要按照指令集规定的指令,设计具体的译码和运算电路来支持这些指令运行,这些具体硬件电路的实现就是处理器微架构。因此,指令集架构与处理器微架构密切相关——同一指令集架构可由不同微架构实现。国内 CPU 市场中,上海兆芯与海光信息属于 X86 阵营,飞腾与华为鲲鹏属于 ARM 阵营,两者均已获得 ARMv8 指令集架构的永久授权;龙芯中科与申威则走自主指令集路线,其中龙芯后期开发了自研 LoongArch 指令集,申威发展出 SW_64 指令集。

下游:操作系统与应用的适配协同

下游环节围绕微架构展开适配。以飞腾为代表的 ARM 阵营厂商已主导构建“PK 生态”(飞腾处理器+麒麟操作系统),华为鲲鹏则构建了“鲲鹏计算产业生态”,正快速发展成为市场另一极。基于 x86 指令系统的厂商生态适配度最高,在桌面端和服务器市场具备优势;而自研指令集厂商虽在自主可控方面有其必要性和紧迫性,生态成熟度仍有待完善。整体来看,信创供给端正从单项产品研发,进入营造生态系统的阶段。

常见问题

指令集架构和微架构是什么关系?

指令集架构是一套标准规范,规定指令如何工作;处理器微架构则是实现这些指令的具体硬件电路。二者密切相关,但同一种指令集架构可以由不同的微架构来实现,ARM 针对 ARMv8 开发 Cortex-A76、A77、A78 三代微架构就是典型例证。

信创产业链上下游如何分工?

上游指令集与 IP 授权方定义标准规范并提供授权,中游芯片厂商按指令集规定设计译码与运算电路、实现微架构,下游操作系统与应用软件厂商则围绕具体微架构完成适配,三方共同构成标准化与差异化并存的价值链。

国产 CPU 在指令集上有哪些路线?

主要分为三类:X86 阵营的兆芯与海光信息,ARM 阵营的飞腾与华为鲲鹏,以及走自主指令集路线的龙芯中科(LoongArch)和申威(SW_64)。不同路线在自主可控程度与生态成熟度上各有侧重。