国内CPU在技术、性能等方面仍需创新和追赶，三条路线都有各自要补的课，也因为面对的商业环境与国际市场不尽相同，不同技术路线的产品，以及由此发展起来的生态体系，完全可能应用于不同的领域，从而呈现出不同技术路线并存的局面。对于用户来说，国产CPU指令集不是一个选择题，而是基于业务和成本，在长期路线上的最合理规划。

面向未来，国产CPU厂商仍需潜心修炼、埋头赶路，在补短板、锻长版中实现长足发展。

指令集是计算机运行指令的集合，是一本计算机运行的“词典”，也是CPU底层的核心技术之一。由于历史原因，我国在信息技术领域长期处于跟随地位，国外指令集技术的先发优势和技术沉淀，使国产CPU厂商很难在指令集层面上获得突破，只好通过授权引进再开发的方式，研发自己的CPU。

(资料图)

于是，授权引进哪一种指令集，就成了国产CPU不同的发展方向。目前，海光和兆芯采用主流的x86指令集，华为鲲鹏和飞腾基于ARM指令集开发，龙芯和申威则是走“授权+自研”指令集的路线。

底层技术的差异，决定了各厂商不同的发展方向，也形成了不同的商业版图和创新路线。盘点三条不同的指令集路线，就是在预见国产CPU发展上潜力和挑战。

01 指令集的背后

计算机硬件只能识别和处理由一串二进制数码组成的机器语言，而人操作计算机使用的是人类语言，这就需要经过计算机软件和操作系统的“翻译”，形成由计算机能理解的指令，并由CPU和其他硬件处理这些指令。

指令集，就是由CPU执行各项指令的集合。指令集相当于计算机进行运算处理时，需要用到的最底层的“词典”。有了这本词典，CPU才能最终理解人类的操作，并执行人类的命令。

然而，尽管计算机的结构都是一样的，最终都要运行二进制代码，但指令集却并非只有一种。这就如同人类世界中有多种不同语言。也正如不同人类语言会造成沟通效率上的差异一样，不同的指令集也会影响计算机的运行速度、功耗等性能表现。

而且，不同的指令集意味着最底层的“词典”不一样，对应的软硬件系统就要使用不同的“语言”。这就像一个团队中所有人都说英语，那么不能听说英语的人就无法沟通一样。所以，围绕不同的指令集，必须有说同一种”语言”的硬件和软件系统，才能操作计算机，也就是说，不同的指令集必将衍生出不同的软硬件配套。

语言是有垄断性的，一种语言越流行，则说这种语言的人也就越多。指令集也是一样，一种指令集越流行，围绕这种指令集进行配套开发的计算机软硬件企业就越多，进而使这种指令集应用更加广泛。目前全球CPU市场上，x86指令集占据领先地位，市场份额超过90%，就是因为x86指令集软硬件生态早已建立，其他指令集已经很难取代x86指令集的统治地位。

指令集不仅仅是一项独立的技术，更是一种技术生态和商业生态。这是国产CPU不得不引进指令，而无法完全独立开发指令集的关键原因之一。目前，x86指令集在PC和服务器CPU上占据垄断地位，ARM指令集在移动设备上有优势。这就相当于，目前最大的两个市场上的参与者，都不说汉语，那么不管我们有多么不情愿，都只能去学习对方的语言，才有机会进入这个市场。

目前，在国产CPU厂商中海光和兆芯采用主流的x86指令集，华为鲲鹏和飞腾基于ARM指令集开发，龙芯则是先引进了MIPS，后自主研发出了LoongArch指令集，申威也一样，在引进Alpha指令集后，开发SW-64指令集。也因此，六家厂商将基于四条指令集，走出不同的发展之路。

02 x86指令集：性能、商业生态双轮驱动

无论在服务器市场还是PC市场，x86处理器是绝对的主流。Counterpoint Research的调研数据显示， 2022年全球服务器市场上，x86指令集仍然是服务器CPU市场的主导，占到了91%左右 。而根据IDC数据， 2021年，国内x86服务器出货量为382.0万台，在国内服务器市场中的占比高达 97.7%。

因此，x86指令集已经完全建立起了其软硬件生态，应用广泛，有较强的兼容性，商业回报也最为丰厚，从而能够投入更多的研发资源，进一步提升CPU的性能，进而带动商业生态继续扩大。

目前，x86指令集的知识产权掌握在Intel和AMD手中。对走x86架构路线的企业而言，最大的挑战在于对优势技术的消化吸收和创新，逐渐缩小与国际水平的差距。在国产CPU厂商中，海光通过与AMD的交叉许可授权，获得基于x86指令集做自主开发的权力，兆芯则通过台湾威盛也获得x86指令集开发权。能够基于x86指令集开发CPU产品，意味着海光兼容度更高，这能极大地降低了国产化替代过程中的迁移成本，并获得广泛的软硬件生态支持，从而打开规模庞大的市场空间。

而真正把机会变成现实的是海光在研发上的投入。2019年度至2021年度，海光累计研发投入为35.39亿元，占营业收入比例高达到95.35%。这让海光能够在消化AMD的Zen架构之后，形成自己对技术的认知，并进而三年推出三代产品。据评测对比，海光三号在性能上比海光二号提升了40%左右，接近于Zen3产品水平，而且，海光二号之后的迭代，主要通过对微架构的设计创新和芯片架构升级，提升单核与多核性能并重，这表明海光已经与AMD走上不同的技术路线。

目前，海光的CPU广泛应用于电信、金融、互联网、教育、交通等重要行业。根据海光2022年财报显示，2022年营业收入增长121.83%，净利润增长145.65%。

03 ARM指令集：快速崛起、高歌猛进

与x86指令集掌握在两家企业手中不同，ARM指令集是一种可以开放授权给任何一家CPU厂商的指令集。这是因为ARM指令集的创造者，英国Advanced RISC Machines（缩写为ARM）公司是一家CPU架构设计公司。ARM公司将设计好的指令集和架构授权给CPU开发企业收取授权费用，但自身不直接参与CPU的开发和生产。

ARM指令集像手机的Android操作系统一样开放，获得授权的CPU厂商都可以基于ARM指令集设计自己需要的CPU。而且，Arm 架构 CPU 始于低功耗、计算量小的移动端场景，在移动端、IoT 等领域占据着压倒性的市场及技术优势。随着人工智能等技术的发展，数据价值提升了边缘计算的重要性，端边云协同发展、架构统一为趋势，为 Arm 架构朝云端、PC 端生态发展带来机会。从硬件层面来看，Arm 的可扩展性能让产品线实现统一。从软件层面看，基于 Arm 的共同架构可以方便开发者面向整个生态进行开发。但需注意业界提到的Arm架构服务器端生态不足的问题。

而对于信创而言，使用 Arm 架构也可以做到自主可控：Arm 公司是一家知识产权（IP）供应商，通过转让设计方案的方式由合作伙伴生产出各自的定制化芯片。其中某一版本的架构层级授权通常是永久性的。因此，ARM指令集就成了国产CPU厂商一条新的选择，华为鲲鹏和飞腾均获得ARM v8指令集永久授权，这意味着它们可以在原指令集上继续发展，构建相关驱动，为 Linux 内核共享源代码，甚至在此基础上发展出自己的生态。

目前，飞腾、华为等公司已经掌握了 Arm64 处理器核、微架构及芯片设计相关技术，并发布了一系列基于 Arm 架构的 PC、服务器产品。最有代表性的是2019发布的鲲鹏920，作为7nm数据中心ARM处理器，专为大数据处理以及分布式存储等应用而设计，在非x86指令集产品中算力有明显优势。而飞腾则建立了PKS体系，用飞腾CPU（Phytium）和麒麟操作系统（Kylin）和S-Security”的立体防护安全链，安全性较有保障。

04 授权+自研指令集：自主研发、前路可期

与X86和ARM指令集不同，龙芯在获得MIPS指令集授权后，自主研发出LoongArch指令集，申威则是在Alpha指令集基础上自研SW-64指令集。 “授权+自研”的指令集路线拥有较强的自主性和可靠性，实现了指令系统层面的独立创新，将底层技术牢牢地掌握在了自己手中。 但这也意味着，龙芯和申威都要生态上下苦工。

在没有前人领路，只能“自学”的情况下，龙芯在2021年正式推出自主指令系统架构LoongArch。目前，在性能方面，龙芯最新一代服务器处理器3D5000的SPEC 2006分数超过425，浮点部分采用了双256bit向量单元，双精度浮点性能可达1TFLOPS（（1万亿次），是典型ARM核心性能的4倍。

面对“授权+自研”指令集路线较难形成软件应用齐全、硬件适配广泛的生态，龙芯中科研发自主应用框架，解决软件适配及兼容性问题，弥补早期应用生态的不足。LoongArch 主要借助二进制翻译 运行 X86、ARM 等指令系统上的二进制应用，实现跨指令系统的应用兼容，开发了从 X86 到 LoongArch 的翻译系统 LATX以及从 ARM 到 LoongArch的翻译系统 LATA，目前，在龙芯平台上可运行 EDA 工具、腾讯、QQ、PhotoShop 等 X86 应用，其信息化合作伙伴达到上千家，相关软硬件开发人员数万人，已经形成强大的产业链与生态支撑能力。

龙芯中科董事长胡伟武表示，当前，龙芯已经开启了生态建设的新征程，构建与Wintel体系和AA体系“三足鼎立”的自主信息体系新格局。“十四五”期间，龙芯将努力完成“三个转变”，包括 从技术“补课”到生态建设，从政策性市场到开放市场，从跟随发展到自主发展！

总结

综合来看，以海光代表的x86指令集路线，在性能和商业市场前景广阔；以鲲鹏和飞腾代表的ARM路线凭借丰富的生态资源，有望迎来新一轮快速增长；而以龙芯和申威为代表的“授权+自研”路线，则在安全性、自主性上占据优势，随着性能的不断提升、生态日渐繁荣，自研指令集路线将在商业市场占据一席之地。

目前，国内CPU在技术、性能等方面仍需创新和追赶，三条路线都有各自要补的课，也因为面对的商业环境与国际市场不尽相同，不同技术路线的产品，以及由此发展起来的生态体系，完全可能应用于不同的领域，从而呈现出不同技术路线并存的局面。对于用户来说，国产CPU指令集不是一个选择题，而是基于业务和成本，在长期路线上的最合理规划。

面向未来，国产CPU厂商仍需潜心修炼、埋头赶路，在补短板、锻长版中实现长足发展。

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