龍芯符合自主可控 ARM是偽自主

　　本文主旨為以下三點：

　　一是回溯龍芯20年前為何選擇MIPS。

　　二是介紹龍芯已經成為MIPS生態的維護者和破壞者。

　　三是分析為何龍芯能夠符合自主標準，而鵬鯤、FT購買ARM授權受制于人。

　　龍芯當年為何選擇MIPS

　　在20年前，龍芯最初只是中科院計算所的一個課題組，只有十幾個人和一間40平方的辦公室，研究目標是設計一款能用的CPU。當時如果自己設計一套指令集，將會面對沒有編譯器、沒有操作系統、沒有軟件可用的局面，全部都需要自己開發。

　　由于資金和人員等條件有限，小小的課題組無法支撐這么大的工程量，當年，胡老師曾經想借鑒Alpha定義一套指令集，但唐老師從現實考慮選擇了MIPS——因為x86無法獲得授權，而當時的ARM還局限于嵌入式，混的還不如MIPS，架構授權昂貴且禁止其他廠商修改添加指令集，MIPS架構授權容易獲得，且MIPS非常學院派，允許自主添加指令集，唐老師當年選擇MIPS是理所當然的。

　　根據《龍芯的足跡》一書披露，龍芯從MIPS獲得的是永久授權。若MIPS主體不復存在則龍芯不需繼續付費，可以一直兼容MIPS。相對于ARM動輒上億的架構授權費用，MIPS的授權費用堪稱白菜價。

　　龍芯能夠以如此低的標的獲得MIPS授權，一方面與MIPS行業地位不夠強勢，且非常學院派，架構授權便宜，IP授權昂貴的授權策略有關。另一方面，也是因為龍芯剝離了MIPS的技術支持服務和各種工具軟件，購買的是“純凈版”指令集授權，才能把價格壓至最低。

　　龍芯的發展過程中，起初是打算借用MIPS已有的軟硬件生態，這與使用ARM授權的國內同行們一樣。但沒有想到MIPS會逐漸淡出主流市場，然而這種出乎意料的發展，反而給了龍芯留下了更大的舞臺。

　　龍芯之所以堅持MIPS，而沒有像FT那樣從SPARC轉投ARM，主要有以下兩點：

　　一是龍芯以MIPS架構為基礎構建了自己的擴展指令體系，這些成果無法轉移到封閉的ARM指令集體系中;

　　二是因為龍芯很窮，付不起ARM的架構授權費。

　　目前，龍芯成為了MIPS生態的堅定的守衛者，許多開源項目的MIPS分支都逐漸把龍芯作為編譯平臺，龍芯也為MIPS的生態貢獻了大量成果。比如前段時間報道的龍芯對JAVA虛擬機的貢獻度排名全球第五，而它前面的幾家公司都是甲骨文、谷歌這樣的巨無霸。

　　龍芯是MIPS生態的破壞者

　　最初，龍芯從只注重CPU研發，然而光有芯片沒有生態顯然是無法在市場立足的，在吃了不少苦頭之后，龍芯逐漸步入重視軟硬件生態建設的路線。

　　由于MIPS生態本身的衰落，龍芯多年來已經成為了兼容MIPS的唯一的桌面和服務器CPU設計者，在設計兼容MIPS的CPU的公司中，是唯一的桌面和服務器軟硬件生態的建設者。這種尷尬的“領導者”身份使龍芯可以心無旁騖地發展自己的生態，向CPU中添加各種新的指令來提升性能和擴展功能，而不必操心與其它MIPS CPU的兼容性問題。

　　龍世3A4000龍芯以MIPS R5為基礎，對MIPS基礎指令精選替換，以及自行擴展了1000多條指令，發展出了自己的指令集體系——LoongsonISA。LoongsonISA要比MIPS(216條基礎指令+311條DSP指令)龐大得多，MIPS只它的一個子集。上一代龍芯CPU只兼容MIPS R3，如今兼容R5大概是準備收割MIPS最后的遺產。

　　龍芯與MIPS的關系，更像是AMD與英特爾的關系。在龍芯對很多軟件進行移植優化的時候，也不忘同時帶上其他MIPS處理器的支持，在v8，OpenJDK等JIT虛擬機中，龍芯都已經成為了整個MIPS架構的代碼維護者。最近UOS也把Loongson內核與x86內核、ARM內核并列，其中一項亮眼的更新是增加了對龍芯3A4000的支持。

　　龍芯在MIPS的軟件生態方面已經獲得了一定的主導地位。龍芯成為了Java運行環境OpenJDK 13的一大貢獻者，現在維護著上游MIPS架構和龍芯擴展的代碼。諸多多媒體庫，例如FFmpeg,libvpx,OpenH264,libyuv等，都已經由龍芯針對自己的MMI以及MIPS的MSA等向量指令進行優化并提交給上游。有些庫支持龍芯擴展指令甚至比支持MIPS的擴展指令還早。Linux內核的上游也一樣被龍芯生態鏈成員維護著。龍芯在開源軟件方面已經獲得了一定的發言與控制權。

　　MIPS原本的生態絕大部分已經是歷史，龍芯如今的軟件生態主要是來自龍芯自己維護的各種開源項目，以及國內各家軟件開發商對產品的移植，本質上已經不能再稱為MIPS軟件生態，而應當稱為龍芯生態。事實上，在移植一些軟件的時候，已經要區分龍芯版本和MIPS版本了。

　　在過去這些年，無論是Imagination，還是Wave Computing都沒有在MIPS投入多少資源，都只是在拿MIPS的IP賺錢，盡可能榨取MIPS的剩余價值，主要精力分別放在各自的主營業務——GPU和AI芯片上。直接的結果就是MIPS的CPU發展非常慢，如今，龍芯3A4000的性能已經大幅超越了MIPS CPU，隨著時間的流逝和龍芯的發展，MIPS的專利會逐步過期，LoongsonISA中的MIPS基礎指令會被龍芯逐步替換，LoongsonISA中龍芯擴展的指令比重會越來越高，當龍芯生態逐步成型，常用軟件普遍支持LoongsonISA后，LoongsonISA則會與MIPS分道揚鑣，從這個角度看，龍芯是MIPS生態的破壞者。

　　龍芯和MIPS關系類似于AMD和Intel  鵬鯤FT則是ARM陣營打工者

　　為何龍芯兼容MIPS可以稱為自主路線，而鵬鯤、FT則購買ARM架構授權則會受制于人，鐵流認為，有以下三個原因。

　　一是能否掌握指令系統發展權。之前介紹過，MIPS本身就是學院派的產物，是第一種商用的精簡指令集，這使得MIPS指令比較“古老”，很多專利已經過期或快過期了。加上MIPS非常學院派，允許其他廠商自主修改或添加指令，這一方面導致MIPS生態破碎化，另一方面也給其他廠商更多自主發展的空間。

　　經過這些年，龍芯對MIPS的擴展也越來越深入，從最開始的擴展運算訪存以及二進制翻譯指令，到后來的硬件頁表索引以及虛擬化指令，再到現在對基礎指令進行更加高效的替換。3A4000引入的AMO原子操作系列指令代替了MIPS原先的LLSC系列指令，使得應用多線程操作的效率大大提高。PC相對尋址指令則可以解決MIPS當前在PIC/PIE實現方面依賴特殊的“abicall”機制，效率較低的瓶頸。Cpucfg則解決了MIPS平臺下應用無法識別CPU對擴展指令支持的弊病。龍芯在兼容MIPS的同時也在一點點甩掉來自MIPS的歷史包袱，從底層創新。這是其他ARM的附庸想都不敢想的。

　　相比之下，Arm指令集本身一般不允許客戶隨意擴展，而其官方對指令集的演進擴充流程需要復雜的投票決議，有很長的決策周期，對各種需求無法作出快速響應。即便國內ARM陣營廠商私自添加指令，也存在被解讀為非法指令的風險，不僅無助于性能提升，反而會帶來穩定性問題。不僅僅是指令集，在GIC中斷控制器，PSCI電源管理接口方面Arm也有嚴格的標準限制，廠商的自由度很小。

　　二是ARM非常強勢，而MIPS非常弱勢。ARM在其建立的產業生態非常強勢，當ARM推出新版本的指令集時，就必須再次購買授權。如果不繼續購買授權，那么當同類CPU的其它公司都升級之后，各家軟件開發商也不會死守在老版本的指令集上不動搖，即使軟件有兼容機制可以在老版指令集的CPU上運行，但新版的指令集肯定有加速某些計算的新指令，這樣即使CPU核心設計水平相當，也無法抵消巨大的性能差距，繼續使用老版本指令集就必然會落后于市場。ARM的陣營唯一特例是蘋果，因為它牢牢掌控了自己的操作系統。假如蘋果把IOS授權給其它廠商，或者蘋果手機也用安卓系統，那么它就會立即失去生態獨立的優勢，泯然于眾人。

　　造成這種困境的原因就是，ARM指令集的主導權始終在ARM手里，其主流生態基本無可撼動，整個產業鏈都是跟著ARM的步伐走，不可能放棄ARM主流生態。在同類產品中，絕大多數用戶選擇的原則，永遠都是“更新型更先進”。

　　國內的ARM CPU的一種生存模式，就是建設出國外同行暫時放棄或無力插手的ARM桌面和服務器生態，發展使用ARM指令集的桌面及服務器CPU。付出巨大的努力之后，也許能夠在特定市場上部分替代Intel和AMD，然而由于使用ARM指令集，那么國外同行也能很快設計出用于桌面和服務器的ARM CPU，然后以性能和價格的優勢把國產ARM CPU從公開市場中徹底驅逐出去，竊取勝利的果實，只留下一些受政策保護的小眾市場。驅虎吞狼，又或兔死狗烹。

　　相比之下，MIPS則非常弱勢，公司已經兩度轉賣，新東家Wave Computing申請破產保護，MIPS已經窮途末路，在可以預見的未來不可能再干涉到龍芯的發展。龍芯當前架構同頻性能已經與AMD 2017年的Zen架構相當，明后年持續改進內核并更換工藝提升頻率就能進一步接近AMD水平，已經不存在性能超越龍芯的MIPS CPU，具有很強的不可替換性，ARM陣營中可能存在的驅虎吞狼、兔死狗烹的問題，對于龍芯而言，完全不存在。

　　由于MIPS允許其他廠商自主擴展修改指令集，龍芯已經發展出了自己的LoongsonISA，而且在很多方面已經主導了MIPS生態建設。運行于龍芯的系統和軟件一旦使用了龍芯的擴展指令集，就不能在其它的MIPS兼容CPU上直接運行，這也是對自己生態的保護措施。一旦龍芯的自主擴展和修改的指令被產業生態廣泛支持，那么，龍芯與MIPS變成AMD和英特爾的關系將不可避免。

　　當年，AMD就是趁著英特爾推廣安騰的時候，率先推出了64位指令集，并獲得X86生態的廣泛支持，并最終實現在X86陣營內與英特爾分庭抗禮。AMD成功范例在前，國內很多從業者卻對此視而不見，并強行把龍芯與MIPS關系等同于鵬鯤、FT與ARM的關系，則顯然是非常值得商榷的。

　　MIPS如果繼續衰敗下去，同時龍芯在硬件和軟件上繼續發展，那么，龍芯和MIPS的關系變成AMD與英特爾的關系只是時間問題。對于那些使用ARM授權的CPU，無論是IP授權，還是架構授權，都無法做到這一點，因為ARM把生態統一性守得太緊，生態碎片化是不被允許的，鵬鯤、FT根本就沒有自主發展的機會。

　　打個通俗易懂的比方，ARM地位就像漢武帝，哪怕麾下大將再能打，也不可能翻天，只能給漢武帝打工一輩子。運氣差的，被巫蠱之禍(川普制裁)牽連，沒準還要重蹈趙破奴的命運。誠然，現在ARM主要還是英國資本和日本資本，但這兩個都不是中國的好朋友，反而是美國的盟友和小弟。MIPS作為最早商用的RISC指令集，影響力還是有的，地位有點像漢獻帝，但比較弱勢，在這種情況下，龍芯有機會去當董卓或曹操的。

　　三是MIPS授權成本很低，而ARM授權成本很高。目前，龍芯MIPS授權的費用幾乎就是白菜價，而且隨著Wave Computing申請破產保護，MIPS甚至有成為公共知識(public domain)的可能性，因為如果沒有“白衣騎士”拯救Wave Computing，或收購MIPS，或者因為沒錢賺不去主動交納維護MIPS那些古董專利的專利費，那么，MIPS就成為公共知識，這樣一來，MIPS將成為比RISC-V更加自由開放的體系，龍芯連白菜價的授權費都不用支付了。即便出現新買家，MIPS公司繼續走下坡路的大勢已經是定局，不能對龍芯形成掣肘。

　　作為對比，ARM授權成本很高，按照授權等級的差異，動輒上數千萬美元，甚至幾億美元，而且還只是一定期限的，到期了要重新談判。ARM的指令集在不斷發展，必須一直買，就構建產業鏈來說，國產ARM廠商只能成為產業鏈的一個打工者，類似于聯想、華為在Wintel體系和AA體系中被剝削，只能賺血汗錢，洋人賺取高額利潤。正是因為眾多廠商無法忍受ARM的貪婪，才有RISC-V在全球興起。可以說，購買ARM昂貴授權這種模式不利于一個產業的長遠發展。而龍芯、申威構建的紅色產業鏈，則不存在這方面的問題。

　　指令集和操作系統必須牢牢掌握

　　文末，鐵流引用一位網友的話。要想實現商業上完全的自主可控，必須要牢牢掌握指令集和操作系統，如果一家廠商無法兼顧，那么，退而求其次必須掌握一種。否則就很容易受制于人，當年，Intel 通過指令集升級、知識產權訴訟、技術路線改變等手段消滅了除AMD之外的歷史遺留的所有對手，AMD通過反壟斷茍延殘喘的時候，又憑借自己設計出的AMD64架構在微軟支持下復興，成功倒逼Intel交叉授權。

　　微軟、谷歌憑借對操作系統的把持而分別統治了桌面和移動生態。蘋果通過對操作系統的封閉，依靠差異化競爭牢牢地在桌面和移動設備中占據了一席之地。

　　國家要想實現信息化建設的自主可控，那么指令集和操作系統都必須掌握在自己手中。

　　龍芯如AMD那般發展出了自己的指令集，且在國內軟硬件廠商支持下，成功構筑了基本滿足辦公和日常使用的生態，MIPS的影響力卻已經可以忽略不計。盡管由于資源不足，龍芯發展很艱難，但我認為只要路線是正確的，堅持下去就有希望。

　　世事變遷造就了龍芯的現狀，從研究CPU設計的課題組，轉變為在市場上艱難求存且默默無聞的小公司，再發展成了自建生態并帶動大批配套企業共同發展的核心企業。龍芯隨著政策的變化而自立，隨著MIPS的衰退而崛起，隨著中美摩擦明朗化而更加重要，隨著20年技術積累而無所畏懼，也是時勢造英雄吧。盡管龍芯體量還很小，但對自己的命運卻能自主可控。

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