MIPS 指令集開源對我國處理器產(chǎn)業(yè)的影響

種丹 葛婕

MIPS 指令集是最早實(shí)現(xiàn)商用的精簡指令集（RISC）之一，上個(gè)世紀(jì)80年代初由斯坦福大學(xué)的研究小組研發(fā)，并在 1984 年成立了 MIPS計(jì)算機(jī)公司。隨后 MIPS 成為上世紀(jì) 90 年代最流行的指令集，一度與 x86 和 ARM 指令集齊名。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的興起，MIPS 指令集逐漸衰落，公司也多次輾轉(zhuǎn)被收購。2018 年 12 月 17 日，最新收購 MIPS 的 Wave Computing 公司宣布將開放最新的 MIPS Release6（R6）版本指令集，具體細(xì)節(jié)將在 2019 年第一季度公布。此開放計(jì)劃引起了全球處理器企業(yè)的密切關(guān)注。深入分析 MIPS 指令集開源的原因及其對我國產(chǎn)業(yè)的影響，具有重要意義。

MIPS 指令集開源的原因

MIPS 錯(cuò)失服務(wù)器和移動市場，話語權(quán)漸失。MIPS 指令集早期發(fā)展良好，曾是上世紀(jì)80年代中期 RISC CPU 設(shè)計(jì)的一大熱點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、機(jī)頂盒、游戲機(jī)、打印機(jī)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但是，MIPS 在 PC 時(shí)代敗給了以英特爾和 AMD 為代表的x86 架構(gòu)。x86 架構(gòu)憑借高性能和 Wintel 聯(lián)盟迅速占領(lǐng)桌面和服務(wù)器市場，使 MIPS 市場占有率迅速下降。同時(shí)，MIPS 也未能抓住移動時(shí)代的發(fā)展機(jī)遇，敗給了 ARM 架構(gòu)。后者憑借低功耗、低成本等優(yōu)勢，迅速完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)，占據(jù)全球移動通信領(lǐng)域 90%的市場。MIPS 固守高性能高端市場，商業(yè)化進(jìn)程緩慢，錯(cuò)失了2007—2017年移動手機(jī)市場火爆的關(guān)鍵十年，產(chǎn)品話語權(quán)漸失。

MIPS 公司幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)被多次收購，市值下降。自1984年創(chuàng)立以來，MIPS 公司歷經(jīng)多次并購出售，嚴(yán)重影響了對 MIPS 指令集的支持力度和開發(fā)持續(xù)性。一方面，在整合過程中多次裁員，人才流失嚴(yán)重。據(jù)報(bào)道，2008年 MIPS 公司員工超過500人，并購后因效益不佳多次裁員，到 2010 年員工數(shù)為 150 人，2018 年公司已不到 50 人。另一方面，收購公司對 MIPS 指令集的支持力度不足，其持續(xù)開發(fā)更新受到嚴(yán)重影響。比如 SGI 公司收購 MIPS 后，逐漸停止了 MIPS 新產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃。此外，MIPS 被收購后，并沒有創(chuàng)造出高額利潤，市值下降趨勢明顯。

MIPS 受 RISC-V 新興指令集沖擊，陷入發(fā)展危機(jī)。2011 年，加州大學(xué)伯克利分校發(fā)布了開放指令集 RISC-V，很快建立起一個(gè)開源軟硬件生態(tài)系統(tǒng)，并在嵌入式等低功耗應(yīng)用中發(fā)展迅速，成為MIPS 指令集的重要競爭對手。一方面，RISC-V 在之前的 RISC 指令集基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良優(yōu)化，在低功耗應(yīng)用領(lǐng)域比 MIPS 更具特色，其精簡、高效、低能耗、模塊化、可拓展、無歷史負(fù)累低效指令等優(yōu)勢，更適于嵌入式應(yīng)用。另一方面，RISC-V 采用 BSD 授權(quán)的開源發(fā)展模式，對應(yīng)用公司具有較大的吸引力。此外，近幾年 RISC-V發(fā)展態(tài)勢強(qiáng)勁，生態(tài)趨于成熟和完善，已得到許多商業(yè)公司、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和一些國家的青睞，給 MIPS 帶來很大威脅。

MIPS 欲調(diào)整商業(yè)模式，轉(zhuǎn)向新興應(yīng)用市場。開放MIPS 指令集背后的重要推動力是 Wave Computing 公司“All in AI”的愿景。一是調(diào)整商業(yè)模式，獲得相應(yīng)的商業(yè)內(nèi)核授權(quán)收益。Wave 公司希望通過 MIPS 指令集開源，保留內(nèi)核授權(quán)業(yè)務(wù)，擴(kuò)大開源指令集的生態(tài)系統(tǒng)來反哺內(nèi)核授權(quán)業(yè)務(wù)，獲得商業(yè)內(nèi)核授權(quán)收益，扭轉(zhuǎn) MIPS 螺旋式下降的虧損趨勢。二是結(jié)合自身人工智能業(yè)務(wù)，突破新興技術(shù)領(lǐng)域。Wave 公司欲借助 MIPS 多線程架構(gòu)、緩存一致性和異構(gòu)集群方面的優(yōu)勢，推動其人工智能業(yè)務(wù)進(jìn)入更多應(yīng)用領(lǐng)域，希望在新興的邊緣計(jì)算方面取得突破。

MIPS指令集開源 對處理器格局的影響

MIPS 短期內(nèi)難以撼動 x86 和 ARM 的優(yōu)勢地位。一是 x86架構(gòu)依靠Wintel聯(lián)盟的生態(tài)優(yōu)勢，在PC和服務(wù)器領(lǐng)域占據(jù)霸主地位，MIPS 指令集開源對 x86 影響甚微。二是 ARM+Android 依靠功耗、成本等優(yōu)勢在移動智能終端領(lǐng)域形成壟斷，MIPS 指令集開源在短期內(nèi)對 ARM 影響不大。開源可能會吸引部分設(shè)計(jì)公司基于 MIPS 指令集設(shè)計(jì) CPU，分掉一部分原屬于 ARM 的嵌入式設(shè)備市場。但由于ARM 在嵌入式領(lǐng)域具有深厚的積累、足夠大的產(chǎn)業(yè)生態(tài)和大批熟練的開發(fā)者，短期內(nèi)仍能保住大部分市場份額。

MIPS 開源對 RISC-V 新興指令集造成一定沖擊。一是RISC-V 將不再是唯一的開源指令集。此次 MIPS 指令集開源后，將成為繼 RISC-V 之后另一大開放指令集，逐漸吸引芯片和應(yīng)用企業(yè)的關(guān)注。二是 MIPS 架構(gòu)在多線程、可擴(kuò)展的虛擬化、多域安全等方面具有技術(shù)優(yōu)勢，更適用于未來面向人工智能的新興應(yīng)用。三是 MIPS成功流片驗(yàn)證比 RISC-V 多，已有多年批量化商業(yè)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。四是MIPS 具有一定的生態(tài)基礎(chǔ)。雖然整體規(guī)模和生態(tài)相比 x86、ARM 差距較大，但其已擁有大量優(yōu)質(zhì)的開發(fā)工具和軟件環(huán)境。

MIPS 有望在人工智能等新興領(lǐng)域躋身主流架構(gòu)。一是 MIPS開源降低了企業(yè)研發(fā)門檻。開源對實(shí)力欠缺的中小企業(yè)來說能夠大大降低開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。二是新興應(yīng)用壟斷格局尚未形成，產(chǎn)業(yè)生態(tài)有待構(gòu)建。MIPS 可借此機(jī)會發(fā)揮 MIPS CPU 架構(gòu)的性能和效率優(yōu)勢，加速自身生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。三是目前仍有領(lǐng)軍企業(yè)基于 MIPS 擴(kuò)展新興應(yīng)用。比如 MIPS 擁有 Wave Computing、聯(lián)發(fā)科、博通、Cavium、Microchip 等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)在人工智能、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域研發(fā)芯片產(chǎn)品。

MIPS指令集開源 對我國企業(yè)的影響

短期來看，目前宣布的開源計(jì)劃對國內(nèi) MIPS 產(chǎn)業(yè)生態(tài)影響不大。一是宣布開源的 MIPS 版本和國內(nèi)指令集不兼容。此次宣布開源的僅僅是最新的 MIPS R6 版本，并不與早期版本完全兼容，幾乎可看成是一個(gè)全新指令集。國內(nèi)龍芯、君正等公司獲得 MIPS 架構(gòu)授權(quán)并進(jìn)行擴(kuò)展，都是針對 MIPS R5 和早期版本，與最新開源的 R6 版本并不兼容。二是國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)構(gòu)建自主 MIPS 產(chǎn)業(yè)生態(tài)。比如，龍芯獲得 MIPS 永久授權(quán)，將 MIPS 原本的 527 條指令集擴(kuò)展為 1907 條，發(fā)展成為龍芯自主的 loongISA，并構(gòu)建工具鏈、操作系統(tǒng)、軟件等生態(tài)，成為 MIPS 生態(tài)的重要貢獻(xiàn)者和維護(hù)者。三是應(yīng)用企業(yè)短期內(nèi)對此開源版本持觀望態(tài)度。相比RISC-V，MIPS R6 版本并無明顯優(yōu)勢，且產(chǎn)業(yè)生態(tài)需重新建立，國內(nèi)未采用 MIPS 的應(yīng)用企業(yè)短期內(nèi)不會輕易進(jìn)入。

長期來看，國內(nèi)面臨與開源的 MIPS 版本產(chǎn)業(yè)生態(tài)的競爭。一是國內(nèi) MIPS 生態(tài)在公開市場可能面臨和 R6 生態(tài)競爭的挑戰(zhàn)。由于R6 版本和龍芯的擴(kuò)展不兼容，生態(tài)也不能共享，如果開源 R6 的生態(tài)未來得以發(fā)展壯大，在一定程度上會搶奪國內(nèi) MIPS 企業(yè)的市場份額。因此，國內(nèi) MIPS 企業(yè)后續(xù)將面臨融入 R6 生態(tài)或堅(jiān)持自主生態(tài)的選擇。二是人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)用對國內(nèi)現(xiàn)有生態(tài)造成擠壓。三是 R6 開源可能吸引國內(nèi)軟件和應(yīng)用企業(yè)圍繞其開發(fā)工具鏈和基礎(chǔ)軟件。MIPS 開源將會極大地?cái)U(kuò)展參與生態(tài)建設(shè)的軟硬件開發(fā)者和工具提供商，一些軟件公司也會加強(qiáng)對其開源版本的支持，從而對國內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)生態(tài)參與者產(chǎn)生影響。

展望未來，開源計(jì)劃發(fā)展存在較大的不確定性。一是開源的具體細(xì)節(jié)尚未公布。Wave Computing 公司雖然公布了此開放計(jì)劃，但 MIPS 開源的具體信息尚未公布，開源是否能吸引更多業(yè)內(nèi)企業(yè)加入還存在不確定性。二是企業(yè)后續(xù)可能面臨專利問題。MIPS 公司曾在 2012 年將 580 項(xiàng)專利中的 498 項(xiàng)都賣給了專利聯(lián)盟 Bridge Crossing，而后者在收購專利的第二年就開始將專利轉(zhuǎn)給 ARM。理論上，ARM 現(xiàn)已控制了大部分 MIPS 的原有專利，即使這些專利不會影響 MIPS 指令集，但依然會給用戶帶來困擾。三是未來可能有閉源或收費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)。如果開源使得 MIPS 生態(tài)發(fā)展壯大，后續(xù) Wave 公司可能回歸收費(fèi)授權(quán)模式，形成事實(shí)上控制整個(gè)生態(tài)的局面，破壞 MIPS 的開放性。

措施建議

積極關(guān)注 MIPS 開源的最新前沿動向。一是定期跟蹤 MIPS 開源計(jì)劃的具體信息。定期發(fā)布 MIPS 相關(guān)報(bào)告，向政府相關(guān)部門報(bào)告產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢。二是安排項(xiàng)目支持我國開放指令集或開源硬件戰(zhàn)略研究，探討支持的可行性，并做好規(guī)劃布局。三是鼓勵(lì)企業(yè)積極深度參與 MIPS 開源社區(qū)建設(shè)。支持企業(yè)參與 MIPS 開源社區(qū)相關(guān)工作，引導(dǎo)企業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)化組織積極參與 MIPS 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則制定，不斷強(qiáng)化我國企業(yè)在MIPS產(chǎn)業(yè)生態(tài)中布局微架構(gòu)專利和事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的能力。四是鼓勵(lì)示范性微電子學(xué)院等在人才培養(yǎng)中采用 MIPS、RISC-V 等開源指令集作為教學(xué)工具。

抓住開源機(jī)遇，加快建立 MIPS 產(chǎn)業(yè)生態(tài)。一是充分發(fā)揮中國開放指令生態(tài)聯(lián)盟的作用，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同。鼓勵(lì)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈上下游龍頭企業(yè)，圍繞國內(nèi) MIPS 架構(gòu)加強(qiáng)溝通協(xié)作，推動團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范體系建設(shè)，提升國內(nèi)企業(yè)的話語權(quán)和影響力。二是推動制造企業(yè)基于 MIPS 開發(fā)工藝庫。鼓勵(lì)中芯國際、華虹等國內(nèi)集成電路制造企業(yè)與 MIPS 設(shè)計(jì)企業(yè)加強(qiáng)合作，實(shí)現(xiàn)芯片需求定義及性能優(yōu)化、面向多領(lǐng)域設(shè)計(jì)需求的工藝技術(shù)研發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)突破，提高基于 MIPS 架構(gòu)的芯片性能。三是支持國內(nèi)軟件和應(yīng)用企業(yè)開發(fā) MIPS 工具鏈，加強(qiáng)布局軟硬件協(xié)同的應(yīng)用生態(tài)。

針對特定應(yīng)用領(lǐng)域，采取差異化發(fā)展策略。一是面向黨政軍、行業(yè)應(yīng)用等安全可靠領(lǐng)域，堅(jiān)持自主可控的指令集發(fā)展道路。在上述對信息安全要求較高的市場，推動國產(chǎn)處理器和軟件企業(yè)開展深度合作，構(gòu)建自主、可控、抗風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。二是面向一般民用市場，尋求融入開源版本生態(tài)。充分利用開源版本與軟件生態(tài)兼容較好的優(yōu)勢，盡快構(gòu)建形成具有一定市場競爭力的產(chǎn)品和龍頭企業(yè)。三是面向人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)用，鼓勵(lì)企業(yè)多樣化開放發(fā)展。鼓勵(lì)國內(nèi)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)盡快構(gòu)建統(tǒng)一的軟硬件接口和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，積極依托 MIPS、RISC-V 等開源社區(qū)和開源技術(shù)平臺，擴(kuò)大中國技術(shù)在國際市場的影響力，爭取在細(xì)分領(lǐng)域形成差異化競爭優(yōu)勢。