芯片緊缺時(shí)

編譯 希區(qū)客

一邊是阻礙芯片供應(yīng)的大堆問(wèn)題——全球疫情、貿(mào)易戰(zhàn)、制造工廠火災(zāi)以及包括干旱和暴風(fēng)雪在內(nèi)的惡劣天氣；另一邊是對(duì)芯片的前所未有的熱烈渴求——僅2021年1月，全球芯片市場(chǎng)的銷(xiāo)量就達(dá)到了400億美元。

旺盛需求之下，2021年早些時(shí)候關(guān)于全球計(jì)算機(jī)芯片短缺的消息，推高了從筆記本電腦到冰箱一系列電子產(chǎn)品的價(jià)格。除了讓世人驚愕，這場(chǎng)芯片危機(jī)也促使世界各國(guó)和各地公司爭(zhēng)先恐后地發(fā)展壯大自身的芯片生產(chǎn)能力。許多人因此得到啟示：芯片行業(yè)需要根本性的變革。批評(píng)者指出，少數(shù)芯片巨頭對(duì)市場(chǎng)的壟斷會(huì)阻礙創(chuàng)新，扼殺行業(yè)革命的希望。

一些知名人士現(xiàn)在支持另一種模式——把協(xié)作與開(kāi)源這兩條曾改變軟件編寫(xiě)方式的原則應(yīng)用于芯片制造。對(duì)于其支持者來(lái)說(shuō)，新標(biāo)準(zhǔn)成為主流范式僅僅是時(shí)間問(wèn)題。

計(jì)算機(jī)芯片無(wú)處不在——不只藏于筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)和智能手機(jī)內(nèi)部，還在運(yùn)行著我們每天使用的網(wǎng)絡(luò)郵件、網(wǎng)上銀行和其他數(shù)字服務(wù)的無(wú)數(shù)神秘服務(wù)器中，甚至很多微波爐、電視機(jī)、洗衣機(jī)以及手表都少不了它們。你是否知道，我們現(xiàn)在生產(chǎn)的汽車(chē)平均每輛都擁有數(shù)百枚芯片？

如果你把芯片放大來(lái)看，一項(xiàng)已有60年歷史的發(fā)明仍然是如今所有芯片的技術(shù)核心：金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員穆罕默德·阿塔拉（Mohamed Atalla）和道恩·康（Dawon Kahng）在1959年靈光乍現(xiàn)，把晶體管用作微型開(kāi)關(guān)，以特定方式連接它們，用來(lái)執(zhí)行基本的邏輯運(yùn)算，如加、減或乘法。

最初的處理器芯片是定制的，可將晶體管連接到特定的計(jì)算任務(wù)中。

然而，隨著計(jì)算機(jī)越發(fā)普及且復(fù)雜，IBM于1964年發(fā)布了IBM System/360，一款可以運(yùn)行一系列不同程序的大型計(jì)算機(jī)，其處理器帶有一個(gè)基本的“指令集”操作，比如將兩個(gè)數(shù)字相加或比較，或跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中的某個(gè)位置。更復(fù)雜的操作正是從這個(gè)指令集中創(chuàng)建。

需要用到芯片的軟件編程過(guò)程可迅速得到工具的幫助——這些工具能分析、調(diào)試和驗(yàn)證特定于指令集及其底層芯片“結(jié)構(gòu)”的代碼。這意味著程序員不再需要擔(dān)心芯片在晶體管級(jí)別的工作方式，但也宣告著那少數(shù)的能提供易于理解、穩(wěn)定的指令集和架構(gòu)的老牌芯片制造商掌控了大量權(quán)力。

這種情況一直持續(xù)到今天。美國(guó)西部數(shù)據(jù)公司（其制造的硬盤(pán)存儲(chǔ)了全球40%的數(shù)據(jù)）的西瓦·西瓦拉姆（Siva Sivaram）表示：“（芯片架構(gòu)）已經(jīng)存在這么久的事實(shí)意味著有一個(gè)完整的內(nèi)置基礎(chǔ)設(shè)施。很多軟件都寫(xiě)在它上面，操作系統(tǒng)也以它為載體。每個(gè)人都知道它是什么。”

臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦中的主處理器可能在英特爾或另一家美國(guó)公司AMD設(shè)計(jì)的芯片上運(yùn)行x86指令集，AMD最初對(duì)英特爾的芯片進(jìn)行了逆向工程以創(chuàng)建兼容的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)服務(wù)器可能使用 IBM z/Architecture（System/360的后輩）。手機(jī)通常使用由英國(guó)的ARM公司擁有的ARM架構(gòu)。到目前為止，ARM芯片的銷(xiāo)量已超過(guò)1 250億枚，這令其成為有史以來(lái)最成功的架構(gòu)之一。

美國(guó)西部數(shù)據(jù)公司的西瓦·西瓦拉姆

所有芯片公司都對(duì)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)有著絕對(duì)控制。例如，英特爾芯片的唯一掌握者就是英特爾公司，它的設(shè)計(jì)和制造只有英特爾公司知道。另一方面，設(shè)計(jì)和制造新的芯片是一項(xiàng)高度復(fù)雜且專(zhuān)業(yè)的工作。隨著我們?cè)O(shè)計(jì)晶體管的尺寸小到極限——目前的標(biāo)準(zhǔn)是5納米——以及單個(gè)芯片上可容納晶體管數(shù)量多到極限，“造芯”難度越發(fā)凸顯?，F(xiàn)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的中央處理器或CPU由多個(gè)“核心”——即芯片上有多個(gè)并行工作的芯片——組成。像那些作為手機(jī)虛擬助手基礎(chǔ)的人工智能算法，或是進(jìn)行高速3D物理計(jì)算以使計(jì)算機(jī)游戲圖形更顯逼真的算法，越發(fā)需要經(jīng)過(guò)特定優(yōu)化而能更快運(yùn)行相關(guān)指令的芯片。

專(zhuān)有模型為圍繞給定芯片構(gòu)建硬件的公司提供了穩(wěn)定性和確定性，但也可能阻礙他們的創(chuàng)新能力。西瓦拉姆這樣說(shuō)道：“一個(gè)內(nèi)核可以連接多少內(nèi)存？這是英特爾決定的。如果你想增加更多內(nèi)存，他們會(huì)說(shuō)‘再買(mǎi)一個(gè)核心’，這就好比‘你想要一個(gè)新浴室嗎？那就買(mǎi)套新房子吧’。”西瓦拉姆所在的西部數(shù)據(jù)公司每年購(gòu)買(mǎi)數(shù)千萬(wàn)枚芯片，但仍無(wú)法精準(zhǔn)得到真正需要的芯片。

ARM的工作方式略有不同：它設(shè)計(jì)芯片，但將芯片的各種基本“風(fēng)格”授權(quán)給終端用戶(hù)，讓他們按照自己認(rèn)為合適的方式制造芯片。美國(guó)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)巨頭希捷公司（Seagate）在20多年前過(guò)渡到這種模式。希捷硬盤(pán)團(tuán)隊(duì)的成員塞西爾·麥格雷戈（Cecil Macgregor）表示，這提供了更大的靈活性，但對(duì)定制幾乎沒(méi)有幫助：公司仍然必須從少數(shù)預(yù)先確定的選項(xiàng)中進(jìn)行選擇?！八麄円彩菫榱速嶅X(qián)，對(duì)吧？所以他們必須決定哪種方式更為世界所接受，他們要確保會(huì)有很多人購(gòu)買(mǎi)它?！毕裉O(píng)果這樣的大公司可以解決這個(gè)問(wèn)題：他們目前正從英特爾轉(zhuǎn)向ARM的芯片，但也額外花費(fèi)大量成本，同時(shí)利用其巨大影響力來(lái)創(chuàng)建自己的處理器——M1芯片。

計(jì)劃收購(gòu)ARM的英偉達(dá)是一家為智能手機(jī)、平板電腦、汽車(chē)導(dǎo)航和娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖形處理器（GPU）和芯片的美國(guó)公司，此外他們也會(huì)自己生產(chǎn)游戲機(jī)。英偉達(dá)的收購(gòu)宏圖引起了一些不安。麥格雷戈表示：“如果你是英偉達(dá)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，你會(huì)認(rèn)真思考，因?yàn)槟愕男酒瑏?lái)自他們?！庇ミ_(dá)的一位發(fā)言人表示，未來(lái)所有用戶(hù)都可以像今天一樣繼續(xù)授權(quán)ARM，但英國(guó)政府對(duì)此深表懷疑，而近期的新聞報(bào)道也讓我們知道政府在思考以反壟斷或國(guó)家安全為由否決收購(gòu)的選項(xiàng)。

隨著芯片變得越來(lái)越復(fù)雜，其安全性和可靠性也變得越來(lái)越重要。現(xiàn)階段我們測(cè)試芯片的方式要么是隨機(jī)抽查樣本尋找缺陷，要么就是規(guī)范地測(cè)試每一個(gè)可能的輸入和輸出。第一種方式很容易遺漏問(wèn)題，第二種方法則幾乎沒(méi)有可操作性（除非是最簡(jiǎn)單的芯片設(shè)計(jì)）。1995年，英特爾召回了大約100萬(wàn)個(gè)奔騰P5處理器，原因是他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能導(dǎo)致某些計(jì)算錯(cuò)誤的缺陷；2011年，英特爾發(fā)現(xiàn)自家的Sandy Bridge處理器存在一個(gè)缺陷，而其修復(fù)成本達(dá)到了10億美元。不過(guò)1995年和2011年的這兩次事故的嚴(yán)重性都比不了他們?cè)?018年發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)漏洞——Meltdown（熔斷）和Spectre（幽靈）；此二者影響了一大批制造商，以及一整代芯片的研發(fā)。甚至蘋(píng)果全新的M1芯片也被證明存在無(wú)意導(dǎo)致的設(shè)計(jì)缺陷：允許兩個(gè)本應(yīng)嚴(yán)格分開(kāi)的程序共享數(shù)據(jù)。不過(guò)該問(wèn)題被認(rèn)為無(wú)傷大雅。

再加上美國(guó)和中國(guó)的芯片行業(yè)存在的地緣政治緊張局勢(shì)，你就會(huì)開(kāi)始明白為什么一些制造商渴望采用不同的工作方式。

所謂的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC），起源于20世紀(jì)80年代在加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)始的一個(gè)學(xué)術(shù)項(xiàng)目。研究團(tuán)隊(duì)最初的想法是，他們可以通過(guò)創(chuàng)建只包含幾條指令的精簡(jiǎn)指令集——而非涵蓋每個(gè)復(fù)雜任務(wù)的龐大指令庫(kù)——來(lái)讓芯片更簡(jiǎn)潔，但一個(gè)客觀障礙是他們自己沒(méi)有設(shè)計(jì)，而芯片公司的造芯訣竅又是秘不外傳的。鑒于此，RISC的研究人員從2010年開(kāi)始著手創(chuàng)建自己的芯片和指令集作為教育工具。他們將其稱(chēng)為RISC-V，因?yàn)檫@是共同創(chuàng)始人大衛(wèi)·帕特森（David Patterson）參與的第五個(gè)RISC研究項(xiàng)目（羅馬數(shù)字V對(duì)應(yīng)自然數(shù)5）。隨著項(xiàng)目不斷推進(jìn)，RISC-V開(kāi)始出現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中。

2015年，RISC-V從項(xiàng)目里獨(dú)立出來(lái)，同時(shí)RISC-V國(guó)際（RISC-V International，非營(yíng)利公司）也就此成立，負(fù)責(zé)監(jiān)督芯片研發(fā)。RISC-V的一大優(yōu)點(diǎn)在于它是開(kāi)源的，其應(yīng)用的模型也越來(lái)越成為軟件開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，Linux開(kāi)源操作系統(tǒng)已成為谷歌開(kāi)發(fā)的安卓系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而安卓系統(tǒng)又是全球最受歡迎的智能手機(jī)操作系統(tǒng)。此外，RISC-V還為全世界一半以上的最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)提供動(dòng)力。

隨著芯片變得越來(lái)越復(fù)雜，安全性問(wèn)題正變成一個(gè)燙手山芋。

芯片開(kāi)源時(shí)代

開(kāi)源方法允許所有開(kāi)發(fā)者不斷優(yōu)化RISC-V標(biāo)準(zhǔn)，確保其正常工作，沒(méi)有任何令人討厭的安全漏洞。西瓦拉姆表示：“我能做的最棒的事情就是開(kāi)源，讓無(wú)數(shù)人嘗試在我的代碼中找到錯(cuò)誤?！彼性O(shè)計(jì)決策的基本原理都公開(kāi)記錄在案，任何個(gè)人或公司都能參與開(kāi)發(fā)——并免費(fèi)將其重新用于自己的產(chǎn)品。麥格雷戈說(shuō)道：“你可以制作各種口味，也可以添加一些小的調(diào)整?！?/p>

開(kāi)源的RISC-V芯片對(duì)設(shè)備制造商的吸引力是顯而易見(jiàn)的：以更低的許可獲取成本打造更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的產(chǎn)品，使用專(zhuān)為特定任務(wù)定制的芯片，可能意味著更好的性能以及更長(zhǎng)的電池壽命。RISC-V讓一部分芯片公司瘋狂，例如希捷。盡管他們尚未正式宣布他們使用了任何包含RISC-V芯片的產(chǎn)品，麥格雷戈也并未說(shuō)明希捷公司使用RISC-V的目的，只說(shuō)定制芯片比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更具優(yōu)勢(shì)。其他同行則沒(méi)那么靦腆了，西瓦拉姆就大方表示，西部數(shù)據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)“完全訂閱”了RISC-V，相比于現(xiàn)成芯片，為特定功能而設(shè)計(jì)的RISC-V芯片會(huì)略小一些，但能以更低的功耗提供更好的性能，因?yàn)樗皼](méi)有遺留的包袱”。早在2016年，英偉達(dá)就宣布將在其GPU中使用RISC-V，而眼下計(jì)劃接管ARM的他們自然早已用上了開(kāi)源神器。

西瓦拉姆認(rèn)為這些進(jìn)展還只是開(kāi)始?！拔也⒉皇钦f(shuō)它會(huì)立即實(shí)現(xiàn)，但半導(dǎo)體芯片的全面開(kāi)源只是時(shí)間問(wèn)題。當(dāng)你購(gòu)買(mǎi)福特或豐田汽車(chē)時(shí)，你知道發(fā)動(dòng)機(jī)是誰(shuí)制造的嗎？”

帕特森對(duì)此表示認(rèn)同：“人們對(duì)開(kāi)源有著像對(duì)宗教那般的熱情。他們喜歡并希望實(shí)現(xiàn)開(kāi)源。我認(rèn)為RISC-V的普及是大勢(shì)所趨，它將成為一種為所有規(guī)格的計(jì)算機(jī)所通用的語(yǔ)言?！?/p>

RISC-V國(guó)際基金會(huì)的卡莉斯塔·雷德蒙德（Calista Redmond）說(shuō)：“因?yàn)樗_(kāi)源，所以沒(méi)有任何公司、國(guó)家或其他實(shí)體控制它。一旦分發(fā)給社區(qū)，它就無(wú)法再被收回?！盧ISC-V國(guó)際基金會(huì)于2019年宣布將其總部從美國(guó)遷往瑞士。

許多中國(guó)公司都在RISC-V基金會(huì)的合作伙伴名單中。阿里巴巴不久前開(kāi)發(fā)了一款名為XT910的16核RISC-V芯片，據(jù)稱(chēng)可用于人工智能或自動(dòng)駕駛。印度也正式批準(zhǔn)了RISC-V架構(gòu)用于國(guó)防和基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。歐盟選擇RISC-V作為其正在建造的新型超級(jí)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，以處理一系列科學(xué)和數(shù)據(jù)處理工作。半導(dǎo)體營(yíng)銷(xiāo)和咨詢(xún)研究公司Semico Research預(yù)計(jì)，到2025年，RISC-V的銷(xiāo)量將超過(guò)600億枚。（2020年最后一個(gè)季度制造的使用ARM技術(shù)的芯片數(shù)量為67億。）

雷德蒙德表示：“像 AMD、英特爾和ARM這樣的‘傳統(tǒng)’公司應(yīng)該擔(dān)心。他們花費(fèi)數(shù)十年時(shí)間才建起來(lái)的道路，被我們更快速地推進(jìn)著?！?/p>

ARM的首席架構(gòu)師理查德·格里森斯韋特（Richard Grisenthwaite）指出，開(kāi)發(fā)指令集相對(duì)容易，難點(diǎn)在于構(gòu)建支持工具的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)幫助在該平臺(tái)上開(kāi)發(fā)芯片。對(duì)于新的指令集，這些工作必須從頭開(kāi)始?！皬念^開(kāi)始打造生態(tài)系統(tǒng)，而非使用已有的ARM，似乎是一樁難事，我們花了30年的時(shí)間才將ARM打造成熟?！?/p>

另一方面，成熟的芯片公司對(duì)自己產(chǎn)品的指令集有著絕對(duì)控制——是否做出更改必然需要經(jīng)過(guò)掌控者的批準(zhǔn)，但開(kāi)源產(chǎn)品的最大特性就是其更改權(quán)限的不受限，換言之，每個(gè)開(kāi)發(fā)者都有資格決定RISC-V的未來(lái)，那么任何根本性分歧的出現(xiàn)都可能減小其成功的可能——或者只是增加了一個(gè)新的壟斷者，例如，安卓可能是開(kāi)源的，但它的主要作用是鞏固了谷歌的商業(yè)地位。

觀察人士說(shuō)像AMD、英特爾和ARM這樣的公司應(yīng)該擔(dān)心。

制造商能否完全擺脫傳統(tǒng)技術(shù)是不確定的。對(duì)于許多制造商來(lái)說(shuō)，他們需要保持與舊產(chǎn)品的向后兼容性，這意味著在設(shè)備中保留ARM或英特爾芯片?，F(xiàn)代設(shè)備已經(jīng)包含數(shù)十種使用不同架構(gòu)的芯片，而且這種情況不太可能改變。無(wú)論誰(shuí)設(shè)計(jì)芯片、獲得許可或訂購(gòu)芯片，芯片制造商仍然必須生產(chǎn)出真正的芯片。至少在接下來(lái)的幾年里——在新工廠上線之前——這將是瓶頸。

從這個(gè)意義上說(shuō)，RISC-V革命就算到來(lái)，很可能也不會(huì)被終端用戶(hù)注意到。但如果研發(fā)人員造出了更便宜、更專(zhuān)業(yè)、更高效的設(shè)備，所有人都會(huì)因此受益。芯片會(huì)繼續(xù)嗡嗡作響地開(kāi)啟我們的數(shù)字生活——但或許是以更公開(kāi)一些的方式。

資料來(lái)源 New Scientist