IBM開源Power指令集：國產(chǎn)高性能CPU迎來新機(jī)遇？

當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月20日周二，IBM在美國圣地亞哥的OpenPower峰會(huì)上，正式宣布開源旗下高性能CPU——Power處理器的指令集架構(gòu)（ISA）作為開放標(biāo)準(zhǔn)。

此外，作為該計(jì)劃的一部分，OpenPower基金會(huì)將成為Linux基金會(huì)的一個(gè)部門。

Power指令集架構(gòu)正式開源

隨著IBM向OpenPower基金會(huì)提供了Power ISA許可，開發(fā)者可借此確保在Power上運(yùn)行的軟硬件的協(xié)同定義，鼓勵(lì)他們構(gòu)建新的硬件、借助領(lǐng)先的企業(yè)功能來處理數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載、為AI和混合云創(chuàng)建新的軟件應(yīng)用程序、并獲得獨(dú)特的硬件優(yōu)勢。

除了開放源代碼的Power ISA之外，IBM還將提供多種其它技術(shù)，包括Power ISA的軟核實(shí)現(xiàn)（softcore implementation）、與架構(gòu)無關(guān)的開放式相干加速處理器接口（OpenCAPI）、以開放式內(nèi)存接口（OMI）的參考設(shè)計(jì)。

據(jù)介紹，IBM為開源社區(qū)貢獻(xiàn)了一個(gè)新開發(fā)的軟核。在很短的時(shí)間內(nèi)，一位IBM工程師能夠在Power ISA上開發(fā)出一個(gè)軟核，并將其安裝在Xilinx FPGA上運(yùn)行。這一軟核實(shí)現(xiàn)將在本周的北美OpenPower峰會(huì)上得到展示。

此外，OpenCAPI和OMI技術(shù)也有助于最大化處理器和連接設(shè)備之間的內(nèi)存帶寬，對于克服AI等新興工作負(fù)載的性能瓶頸至關(guān)重要。

IBM OpenPower總經(jīng)理Ken King表示：“隨著今日的發(fā)布，IBM正在向著通過開放技術(shù)和開源來推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新而邁出了重要的一步?！?/p>

值得一提的是，在2018年，IBM還耗資340多億美元收購了Red Hat紅帽公司，這是一家專注開源領(lǐng)域長達(dá)25年之久的軟件公司。Red Hat是開源生態(tài)系統(tǒng)的主要玩家，以Linux發(fā)行版而聞名。

而為了推動(dòng)新療法的研究進(jìn)展，幫助人類更快地攻克癌癥。IBM在不久前還開源了3個(gè)治療癌癥的人工智能項(xiàng)目。

此次Power ISA的開源可以說是IBM對于開源社區(qū)的又一重大貢獻(xiàn)。需要指出的是，目前OpenPower芯片的底層物理架構(gòu)還沒有開源。

OpenPower進(jìn)入全新階段

2013年8月，IBM聯(lián)合Google、NVIDIA、Mellanox等公司成立OpenPower聯(lián)盟，致力于將IBM的Power系列CPU架構(gòu)對外開放授權(quán)，以抗衡日益強(qiáng)大的Intel X86以及ARM等CPU體系的威脅。

IBM當(dāng)時(shí)宣布開放了Power架構(gòu)周圍技術(shù)，如處理器規(guī)格、固件、軟件和技術(shù)自由許可，將和合作伙伴一起使用共享、協(xié)作開發(fā)模式。

在此基礎(chǔ)上，IBM還牽頭成立了OpenPower基金會(huì)，旨在促進(jìn)高端Power架構(gòu)的Power8及更高版本產(chǎn)品發(fā)展，促進(jìn)和鼓勵(lì)基于IBM Power架構(gòu)的協(xié)作創(chuàng)新。支持成員定制Power處理器、系統(tǒng)平臺(tái)、固件和中間件軟件，進(jìn)行優(yōu)化，滿足其業(yè)務(wù)和組織需求。

在那時(shí)，OpenPower聯(lián)盟成員需要支付相對高昂的許可費(fèi)才能獲得Power的授權(quán)，而現(xiàn)在，隨著Power ISA的開源，開發(fā)者無需支付版稅以及專利費(fèi)就能夠獲得Power ISA，并且有可能在此基礎(chǔ)上研發(fā)出擁有專利權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品。

OpenPower基金會(huì)歡迎指令集的開放，認(rèn)為此舉對開源社區(qū)來說就是福音。OpenPower基金會(huì)執(zhí)行董事Hugh Blemings在公告中說：“通過讓Power ISA采用開放模式......并將它提供給日益壯大的開放技術(shù)群體，我們能夠幫助開放軟硬件領(lǐng)域的創(chuàng)新能夠加速發(fā)展。”

作為這項(xiàng)工作的一個(gè)延伸，IBM將使OpenPower基金會(huì)并入Linux基金會(huì)，成為其一個(gè)部門，歸其管理。OpenPower基金會(huì)現(xiàn)在讓OpenBMC、CHIPS Alliance、OpenHPC及其他多個(gè)項(xiàng)目和組織加入Linux基金會(huì)。將該基金會(huì)移交給業(yè)界最負(fù)盛名的開源軟件組織有望提供另一股推動(dòng)力，從長遠(yuǎn)來看促使OpenPower得到采用。

值得注意的是，去年11月底，Linux基金會(huì)和RISC-V基金會(huì)宣布將共同合作加速推廣RISC-V ISA的開發(fā)及采用，Linux基金會(huì)還將為RISC-V生態(tài)系統(tǒng)提供大量資源，包括培訓(xùn)計(jì)劃、基礎(chǔ)工具以及社區(qū)擴(kuò)展、營銷和法律專業(yè)知識(shí)。這種合作關(guān)系將使RISC-V能夠進(jìn)一步發(fā)展其開源生態(tài)系統(tǒng)。

而現(xiàn)在，擁有Power ISA的OpenPower基金會(huì)已成為Linux基金會(huì)的一個(gè)部門，接下來Linux基金會(huì)必然也將會(huì)大力推廣Power ISA。那么Linux基金會(huì)將如何處理這兩個(gè)架構(gòu)之間的競爭關(guān)系呢？這是一個(gè)需要思考的問題。

Power ISA開源帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

有業(yè)內(nèi)人士表示，IBM開源Power ISA主要是為了應(yīng)對另外兩大開源處理器架構(gòu)——MIPS和RISC-V的挑戰(zhàn)。特別是RISC-V架構(gòu)，自去年以來備受國內(nèi)廠商追捧，并且目前已有非常多的廠商推出了基于RISC-V架構(gòu)的芯片。

不過，相對于在功耗、能效上更具優(yōu)勢的RISC-V架構(gòu)來說，IBM的Power架構(gòu)則在性能上有著較大的優(yōu)勢。

資料顯示，早在1980年，IBM就推出了基于Power架構(gòu)的原型機(jī)。Power架構(gòu)采用的也是精簡指令集（RISC）。相比X86架構(gòu)，Power架構(gòu)在硬件上的最大特點(diǎn)是采用對稱多處理器技術(shù)（Symmetric Multiprocessing，SMP），可以保障內(nèi)存訪問任何一個(gè)CPU時(shí)速度都是一樣的。

但是Intel的X86架構(gòu)做不到，它對于一個(gè)CPU訪問自己部分的內(nèi)存速度很快，但是在訪問其他CPU的內(nèi)存時(shí)速度明顯變慢。這樣的性能差距在高端應(yīng)用中，特別是核數(shù)越多的處理器性能差距就越大，因此IBM的Power架構(gòu)主要應(yīng)用于高端服務(wù)器市場而且應(yīng)用前景非常廣泛，在國內(nèi)銀行等關(guān)鍵行業(yè)都有重要應(yīng)用。

資料顯示，目前IBM最新的Power架構(gòu)處理器是Power 9，基于14nm FinFET SOI工藝，單個(gè)核心可以支持4線程或者8線程，分別能最多配置24、12個(gè)核心，邏輯線程總數(shù)最多都是96個(gè)。并且，Power 9還采用了一流I/O子系統(tǒng)技術(shù)，包括下一代NVIDIA NVLink、PCIe Gen4和OpenCAPI的處理器。

這些頂尖技術(shù)為Power 9帶來了非凡的性能表現(xiàn)，最高可提供相當(dāng)于X86服務(wù)器9.5倍的I/O帶寬，其性能內(nèi)核約為X86的兩倍，支持的RAM相當(dāng)于X86的2.6倍，內(nèi)存帶寬相當(dāng)于X86的1.8倍。

目前美國能源部的超級計(jì)算機(jī)Summit和Sierra系統(tǒng)里面運(yùn)行的就是Power 9芯片。而根據(jù)今年6月17日在德國法蘭克福舉行的國際超級計(jì)算大會(huì)發(fā)布的最新全球超級計(jì)算機(jī)TOP 500名單顯示，雖然美國能源部下屬橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“頂點(diǎn)”和美國能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“山脊”分別奪得了第一和第二。足見IBM的Power處理器的性能強(qiáng)大。

在目前國產(chǎn)X86架構(gòu)的高性能CPU的發(fā)展遭遇較大的背景之下，可以預(yù)見的是，Power ISA的開源或?qū)⒂兄谕苿?dòng)國產(chǎn)高性能CPU的發(fā)展。

2013年4月，由上海市國資委下屬上海聯(lián)和投資有限公司和臺(tái)灣威盛集團(tuán)所屬公司合資成立了上海兆芯集成電路有限公司，中方國資占據(jù)控股地位（持股約80%）。上海兆芯因此也順利從威盛那里獲得了X86架構(gòu)的授權(quán)。

不過，隨著威盛與Intel的X86授權(quán)協(xié)議于2018年4月到期，威盛已經(jīng)無法在使用Intel新的X86專利及相關(guān)軟件，這也意味著兆芯未來的X86產(chǎn)品升級或?qū)⒂鲎瑁m然其可能仍然可以使用舊的X86專利。

2016年，AMD與中國天津海光先進(jìn)技術(shù)投資有限公司（THATIC）成立合資公司，可以利用AMD的X86技術(shù)和 SoC IP 用于芯片開發(fā)。

不過在今年6月，AMD CEO 蘇姿豐（ LisaSu）證實(shí)，AMD與天津海光的合作僅限于AMD的第一代Ryzen和EPYC的Zen架構(gòu)，AMD新推出的Zen 2微架構(gòu)設(shè)計(jì)則無權(quán)使用。這也意味著海光后續(xù)也將無法獲得新的X86專利授權(quán)以及AMD的SoC IP授權(quán)。

另外，不久前美國商務(wù)部還將中科曙光及其下屬的海光列入了出口管制的“實(shí)體名單”。這也使得為國產(chǎn)高性能X86 CPU的發(fā)展蒙上了一層陰影。

而此次IBM Power指令集的開源，或?qū)⒊蔀橥苿?dòng)國產(chǎn)高性能CPU的發(fā)展一條新的可選之路。雖然IBM是美國企業(yè)，但是開源的Power指令集將基本不會(huì)受到美國“禁令”的影響，這與同樣源自美國的開源的RSIC-V指令集一樣。

不過需要指出的是，雖然基于Power指令集的處理器具有效率高、性能強(qiáng)勁等特點(diǎn)，但對于國內(nèi)廠商來說，真要引進(jìn)消化并不容易。畢竟Power CPU相比常規(guī)處理器要復(fù)雜太多，而且IBM并未開源Power芯片的底層物理架構(gòu)，所有單純的通過Power指令集來開放自己的CPU還是有著很高的難度。另外在生態(tài)上，Power也遠(yuǎn)不如Arm和X86完善。

成立于2013年的蘇州中晟宏芯信息科技有限公司（下稱“中晟宏芯”），其員工主要來自中科院計(jì)算所和IBM，2014年中晟宏芯在工信部電子司和蘇州政府的扶持下，加入IBM發(fā)起的OpenPower基金會(huì)，獲得IBM Power CPU的授權(quán)，并且得到了IBM、中科院計(jì)算所提供的技術(shù)支持。

在2015年6月發(fā)布了第一款I(lǐng)BM授權(quán)Power架構(gòu)的服務(wù)器芯片產(chǎn)品CP1。然而，這款芯片似乎并未得到應(yīng)用，而這家企業(yè)在2015年年底就傳出了“欠薪事件”。

2016年6月，中晟宏芯宣布已拿到IBM服務(wù)器處理器芯片Power 8芯片架構(gòu)和指令系統(tǒng)的永久授權(quán)，并可以基于該芯片進(jìn)行自主創(chuàng)新。

甚至IBM已同意中晟宏芯可以刪除Power 8的安全模塊，代之以國產(chǎn)的安全模塊系統(tǒng)，以符合中國政府在安全方面的監(jiān)管要求。

按照計(jì)劃，中晟宏芯可以在2019年完全實(shí)現(xiàn)Power芯片的消化吸收再創(chuàng)新，并制成完全國產(chǎn)化的Power系列CPU。

然而到目前為止，中晟宏芯的自研Power系列CPU仍不見蹤跡。隨著現(xiàn)在Power指令集的開源，中晟宏芯之前所獲得的競爭優(yōu)勢，到現(xiàn)在來看已經(jīng)是耗盡了大半。

對于其他國產(chǎn)芯片廠商來說，Power指令集的開源，或?qū)⑹且粋€(gè)新的機(jī)遇，但是挑戰(zhàn)也是巨大的。