MIPS的倒下,给中国芯片公司什么启示

日前,外媒报道 MIPS Technologies 宣布将放弃继续设计 MIPS 指令集,转向了 RISC-V(www.tLcgw.com)。对此,铁流不禁感慨“四十河东,四十年河西”,MIPS 作为第一款商用的 RISC 指令集,在诞生四十年后被公司放弃,转而投入 RISC-V 这个后起之秀的怀抱。回溯 MIPS 公司过去四十年的历史,成败关键还是在于能否抓住机遇,MIPS 抓住了 RISC 处理器兴起的机遇,但没能抓住之后的两次历史机遇。

MIPS 抓住 RISC 处理器兴起机遇而崛起

把时间轴往回拨半个世纪,全球 CPU 是 CISC 处理器的天下,直到 RISC 处理器异军突起。由于 RISC 处理器有一定性能优势,这使英特尔在市场竞争中一度比较被动,不得不两头下注,即同时保持 CISC 和 RISC 处理器两条产品线,以至于“RISC 优势论”根深蒂固,即便当下 CISC 和 RISC 已经殊途同归,行业里的人都明白这个事情,但依然有很多媒体人在宣传 RISC 的“先天优势”。

在这一波 RISC 处理器大潮中,MIPS 无疑是时代的弄潮儿。1981 年,斯坦福教授 John Hennessy 开创了 MIPS 处理器,并于 1984 年创立了 MIPS 科技公司。1992 年,MIPS 被 SGI 收购,1998 年,MIPS 从 SGI 中被分拆出来重新上市。从创立 MIPS 至将公司出售给 SGI,MIPS 先后设计了 R2000、R3000、R4000 等产品,其中不乏商业上大卖的产品,SGI、索尼等公司都曾经是 MIPS 的大客户。

即便是在 MIPS 日薄西山的情况下,在一些行业市场,MIPS 依然有很强的竞争力,比如 Cavium 就曾经专注于基于 MIPS 的定制化网络设备处理器,CN6xxx 曾经在网络设备市场上叱咤风云,其 MIPS 处理器产品线也有思科、Ubnt、博通、Mobileye 等一系列忠实客户。根据 MIPS 在 2018 年公布的数据,MIPS 芯片历史累计出货量已经超过 100 亿片,每年新增 10 亿片,这个市场规模不算小。

MIPS 在两次竞争中失利而逐渐边缘化

第一次是 RISC 处理器在和 CISC 处理器竞争中失利。当年,虽然英特尔面对 MIPS 、Alpha、Sparc、Power、PA-RISC 等 RISC 处理器颇为吃力,但英特尔并非等死之辈,反而借鉴了 RISC 处理器的优点,实现了 CISC 在解码阶段上向 RISC 的转化,弥补了 CISC 流水线实现上的劣势。

这里说明一下,在 CISC 借鉴 RISC 的优点同时,RISC 也在借鉴 CISC 的优点,比如 ARM 借鉴 CISC 提高指令缓存效率,这直接导致了 CISC 和 RISC 早已经殊途同归。多年前,来自美国威斯康辛大学的一个研究小组在国际高性能计算机体系结构大会上的报告指出,CISC 与 RISC 在指令集架构层面上的差异已经较小,二者的精华已经合二为一,且由微架构和物理设计、工艺实现带来的性能提升足以掩盖指令集层面的差异。结果这个报告受到一些学者的批评,批评的原因并非是这个报告本身有问题,而是这些学者们认为这已经是学术界的共识,没必要在顶级学术会议上耗费时间专门讲众所周知的结论。

在借鉴 RISC 的同时,英特尔还充分利用了自己的市场份额优势并坚持向下兼容,依靠更加成熟的横向整合商业模式开发出更具性价比的产品,依靠兼容和性价比优势挤压 RISC 处理器的市场份额。之后与微软组建 Wintel 同盟,依靠软件和硬件的捆绑直接奠定了其霸主地位。

在这一波死亡竞赛中,惠普放弃了 PA-RISC,转投 x86 阵营;IBM 则凭借政府、银行、军方等不差钱的客户,艰难维持着 Power 处理器。2016 年,IBM 将 Power8 处理器卖给苏州宏芯,在 2018 年,宏芯还闹出欠薪事件;DEC(开发 Alpha 处理器)和 Sun(开发 Sparc 处理器)轰然倒塌,DEC 先被康柏收购,后被惠普雪藏,一些遗产还流到了英特尔手里,Sun 的遗产则被甲骨文收购,数年前,甲骨文还凭借从 Sun 收购获得的遗产 Java 和谷歌打官司,索赔金额高达 93 亿美元。MIPS 在这波浪潮中自然无法独善其身,在桌面市场被英特尔压着打,只能在通信等行业市场寻求立足之地。

MIPS 的第二次失利则是没有抓住智能移动设备崛起的契机。当时,就行业地位而言,MIPS 还是要略胜 ARM 一些,当年,其实德州仪器、飞思卡尔(当时德州仪器还是龙头企业,高通、联发科相对于那时的德州仪器都是弟弟,苹果和华为都还未开始设计手机芯片)等公司都曾经向客户提供过基于 MIPS 和 ARM 的手机芯片,只不过架不住诺基亚、三星、苹果等大公司更加青睐 ARM,加上 MIPS 一心想和英特尔死磕导致高不成低不就,本身处于风雨飘摇之中。而 ARM 则因为深耕嵌入式芯片,积累了很深的技术底蕴抓住了时代机遇,在过去十年中快速崛起。

多次转卖元气大伤

2013 年,英国 Imagination 公司以 6000 万美元价格收购了江河日下的 MIPS 公司,在这次收购中,MIPS 498 项专利已经以 3.5 亿美元的价格出售给 Bridge Crossing LLC 集团。Imagination 公司收购 MIPS 之后,形成了 PowerVR GPU 、MIPS CPU、通信和无线连接产品三大主营业务。不过,MIPS CPU 并没有给 Imagination 带来太大收益,其主要营收高度依赖其GPU 业务。因而 Imagination 并没有投入多少资源用于 MIPS 处理器的发展,反而是充分利用 MIPS 过去的积淀去赚钱,这直接导致了 MIPS 处理器的发展几乎处于停滞状态。

2017 年,苹果在试图收购 Imagination 未果之后,宣布弃用 PowerVR GPU,选择自研 GPU。在苹果宣布弃用 PowerVR GPU 之后,Imagination 股价下跌 70% 。面对危局,Imagination 只能引进白衣骑士 —— 一家有中资背景的资本 Canyon Bridge,由于该资本的中资背景,而 MIPS 不少业务和美国军方联系紧密,因而在收购前必须被剥离,由美国加州投资公司 Tallwood 持有。之后,Wave Computing 又从 Tallwood 买下了 MIPS 。Wave Computing 是一家主攻人工智能的初创公司,原本是计划将 MIPS 应用于人工智能领域,但随着 Wave Computing 的破产,一切都化为了泡影。

在 Wave Computing 破产重组之后,公司更名为 MIPS Technologies,放弃了 MIPS 处理器的研发,投入 RISC-V 阵营。由于 MIPS 的历史地位,其投入 RISC-V 影响力不可谓小,好比是一个曾经割据一方的君主向一个新兴强权俯首称臣,颇具象征意义。

MIPS 的兴衰对中国的借鉴意义

MIPS 之所以逐渐被市场边缘化,很重要的一个原因就是生态破碎化。由于 MIPS 学院风很重,在技术授权上比较开放,允许客户添加指令集,允许客户自己设计 CPU 核。技术上的开放一方面使 MIPS 在学院派中颇受青睐,很多大学至今依然在使用 MIPS 进行教学,另一方面,客户可以自由添加指令集,而这直接导致 MIPS 的生态破碎化。

相比之下,ARM 则在商业上比较开放,但在技术上卡的非常严格。在 ARM32 时代,ARM 仅对苹果、高通等不超过 5 家公司授权过 ARM32 指令集,而且禁止客户修改、添加指令,其他的一律是 IP 核授权。诚然,ARM64 在授权方面比 ARM32 开放很多,但禁止修改添加指令,价格异常昂贵,国内某企业的授权费用为每 5 年 1 亿美元,到期后重新谈判,而且还有不可修改添加指令、仅限于服务器领域等条款。某明星企业更加有钱,买的授权等级更高一些,当然,花的钱也更多。可以说,ARM 在技术授权方面比 MIPS 更加保守,但恰恰是这种保守的举措,比如禁止客户修改、添加指令等条款使 ARM 避免了 MIPS 生态破碎化的命运。

近年来,国产 CPU 呈现出“百花齐放”的态势,国内已经出现了 X86、ARM、MIPS、SPARC、RISC-V、SW64 等多种指令集,其中,SW64 是申威自主研发的指令集,龙芯在 3A4000 以前的 LoongISA 是基于 MIPS 进行添加,3A5000 则基于龙芯自主指令集 LoongArch。RISC-V 是开源指令集,RISC-V 源自美国大学项目,且 RISC-V 基金会由国际社区共同治理,类似 3GPP。

澜起、兆芯基于 X86 授权,华为、飞腾、展锐,以及已经关门的华芯通基于 ARM 授权,宏芯、浪潮先后与 IBM 合作加入 Power 阵营,英特尔、IBM 都是美国公司,ARM 重要研发中心在美国奥斯汀,而且很有可能被英伟达收购,成为一家彻头彻尾的美国公司。这在当下这种国际大环境下,高度依赖美国公司授权是非常危险的。这并非危言耸听,而是现实的风险。由于某司在设计上依赖 ARM 授权,在制造上依赖台积电工艺,在美国发起制裁之后,其 ARM CPU 已经“绝版”。

在政策的指引下,国产化替代项目正如火如荼的开展,但在实践中遭遇了一系列问题,最麻烦的事情莫过于软件生态建设。在软件移植和适配过程中,由于各家国产 CPU 的指令集不同,这导致软件必须适配多个版本,这导致重复建设,使软件移植工作量翻倍。本来就是小众市场,移植工作量又大,很多软件厂商只是抱着完成政治任务的态度敷衍了事,移植过来的软件和在英特尔平台上的体验和功能上差距明显,用起来总是莫名其妙的卡顿,相比之下,Wintel 平台哪怕是多年前的老赛扬 + Windows 都能流畅。

当年,MIPS 就是吃了标准不统一生态破碎化的亏,如今,众多尚在萌芽状态的国产 CPU 又不约而同的掉进这个坑里。基于内循环的顶层设计,完全可以强制统一标准,搞一套自主指令集,然后国内各家 CPU 公司基于这套指令集设计 CPU,谁的好用就用谁的。这种做法还有一个好处,那就是换成自主指令集后,因为国外买不到基于自主指令集设计的 CPU 核,那些穿马甲的伪国产 CPU 也会原形毕露,真正的自主 CPU 就能享受到国家政策红利,彻底禁绝马甲 CPU 侵吞政策红利的可能性。软件厂商也可以只适配一个版本的软件,这样有更多的时间和精力去做软件优化。只有众人拾柴,才能火焰高,国产自主软硬件技术体系才能在最短时间内初步形成。

结语

诚然,当下的 MIPS 已经日薄西山,但 MIPS 作为第一种商业的精简指令集曾经辉煌过至今仍保持相当的市场份额,由于起步早且非常学院派,影响力很广,美国不少大公司如博通、Mobileye、台湾联发科与不少大学至今仍使用 MIPS 进行业务及教学。

就行业地位而言,虽然和 X86、ARM 不能比,但根据 MIPS 在 2018 年公布的数据,MIPS 芯片历史累计出货量已经超过 100 亿片,这种影响力和行业地位暂时难有除 X86 和 ARM 以外的处理器能够超越。

MIPS 和 RISC-V 有很深的渊源,两者都非常学院派,而且都允许自由添加指令,在全球众多商业公司和研究机构纷纷加入 RISC-V 阵营的情况下,如何避免“九龙治水”后软件生态破碎化,是 RISC-V 亟需面对的问题。对于中国 CPU 公司而言,如何统一标准,避免内耗,实现力往一处使,是必须好好思考的问题。

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