芯片緊缺時

編譯 希區客

一邊是阻礙芯片供應的大堆問題——全球疫情、貿易戰、制造工廠火災以及包括干旱和暴風雪在內的惡劣天氣；另一邊是對芯片的前所未有的熱烈渴求——僅2021年1月，全球芯片市場的銷量就達到了400億美元。

旺盛需求之下，2021年早些時候關于全球計算機芯片短缺的消息，推高了從筆記本電腦到冰箱一系列電子產品的價格。除了讓世人驚愕，這場芯片危機也促使世界各國和各地公司爭先恐后地發展壯大自身的芯片生產能力。許多人因此得到啟示：芯片行業需要根本性的變革。批評者指出，少數芯片巨頭對市場的壟斷會阻礙創新，扼殺行業革命的希望。

一些知名人士現在支持另一種模式——把協作與開源這兩條曾改變軟件編寫方式的原則應用于芯片制造。對于其支持者來說，新標準成為主流范式僅僅是時間問題。

計算機芯片無處不在——不只藏于筆記本電腦、臺式機和智能手機內部，還在運行著我們每天使用的網絡郵件、網上銀行和其他數字服務的無數神秘服務器中，甚至很多微波爐、電視機、洗衣機以及手表都少不了它們。你是否知道，我們現在生產的汽車平均每輛都擁有數百枚芯片？

如果你把芯片放大來看，一項已有60年歷史的發明仍然是如今所有芯片的技術核心：金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。貝爾實驗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，把晶體管用作微型開關，以特定方式連接它們，用來執行基本的邏輯運算，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算任務中。

然而，隨著計算機越發普及且復雜，IBM于1964年發布了IBM System/360，一款可以運行一系列不同程序的大型計算機，其處理器帶有一個基本的“指令集”操作，比如將兩個數字相加或比較，或跳轉到內存中的某個位置。更復雜的操作正是從這個指令集中創建。

需要用到芯片的軟件編程過程可迅速得到工具的幫助——這些工具能分析、調試和驗證特定于指令集及其底層芯片“結構”的代碼。這意味著程序員不再需要擔心芯片在晶體管級別的工作方式，但也宣告著那少數的能提供易于理解、穩定的指令集和架構的老牌芯片制造商掌控了大量權力。

這種情況一直持續到今天。美國西部數據公司（其制造的硬盤存儲了全球40%的數據）的西瓦·西瓦拉姆（Siva Sivaram）表示：“（芯片架構）已經存在這么久的事實意味著有一個完整的內置基礎設施。很多軟件都寫在它上面，操作系統也以它為載體。每個人都知道它是什么。”

臺式機或筆記本電腦中的主處理器可能在英特爾或另一家美國公司AMD設計的芯片上運行x86指令集，AMD最初對英特爾的芯片進行了逆向工程以創建兼容的設計。數據服務器可能使用 IBM z/Architecture（System/360的后輩）。手機通常使用由英國的ARM公司擁有的ARM架構。到目前為止，ARM芯片的銷量已超過1 250億枚，這令其成為有史以來最成功的架構之一。

美國西部數據公司的西瓦·西瓦拉姆

所有芯片公司都對其知識產權有著絕對控制。例如，英特爾芯片的唯一掌握者就是英特爾公司，它的設計和制造只有英特爾公司知道。另一方面，設計和制造新的芯片是一項高度復雜且專業的工作。隨著我們設計晶體管的尺寸小到極限——目前的標準是5納米——以及單個芯片上可容納晶體管數量多到極限，“造芯”難度越發凸顯。現在一個標準的中央處理器或CPU由多個“核心”——即芯片上有多個并行工作的芯片——組成。像那些作為手機虛擬助手基礎的人工智能算法，或是進行高速3D物理計算以使計算機游戲圖形更顯逼真的算法，越發需要經過特定優化而能更快運行相關指令的芯片。

專有模型為圍繞給定芯片構建硬件的公司提供了穩定性和確定性，但也可能阻礙他們的創新能力。西瓦拉姆這樣說道：“一個內核可以連接多少內存？這是英特爾決定的。如果你想增加更多內存，他們會說‘再買一個核心’，這就好比‘你想要一個新浴室嗎？那就買套新房子吧’。”西瓦拉姆所在的西部數據公司每年購買數千萬枚芯片，但仍無法精準得到真正需要的芯片。

ARM的工作方式略有不同：它設計芯片，但將芯片的各種基本“風格”授權給終端用戶，讓他們按照自己認為合適的方式制造芯片。美國數據存儲巨頭希捷公司（Seagate）在20多年前過渡到這種模式。希捷硬盤團隊的成員塞西爾·麥格雷戈（Cecil Macgregor）表示，這提供了更大的靈活性，但對定制幾乎沒有幫助：公司仍然必須從少數預先確定的選項中進行選擇。“他們也是為了賺錢，對吧？所以他們必須決定哪種方式更為世界所接受，他們要確保會有很多人購買它。”像蘋果這樣的大公司可以解決這個問題：他們目前正從英特爾轉向ARM的芯片，但也額外花費大量成本，同時利用其巨大影響力來創建自己的處理器——M1芯片。

計劃收購ARM的英偉達是一家為智能手機、平板電腦、汽車導航和娛樂系統設計圖形處理器（GPU）和芯片的美國公司，此外他們也會自己生產游戲機。英偉達的收購宏圖引起了一些不安。麥格雷戈表示：“如果你是英偉達的競爭對手，你會認真思考，因為你的芯片來自他們。”英偉達的一位發言人表示，未來所有用戶都可以像今天一樣繼續授權ARM，但英國政府對此深表懷疑，而近期的新聞報道也讓我們知道政府在思考以反壟斷或國家安全為由否決收購的選項。

隨著芯片變得越來越復雜，其安全性和可靠性也變得越來越重要。現階段我們測試芯片的方式要么是隨機抽查樣本尋找缺陷，要么就是規范地測試每一個可能的輸入和輸出。第一種方式很容易遺漏問題，第二種方法則幾乎沒有可操作性（除非是最簡單的芯片設計）。1995年，英特爾召回了大約100萬個奔騰P5處理器，原因是他們發現了一個可能導致某些計算錯誤的缺陷；2011年，英特爾發現自家的Sandy Bridge處理器存在一個缺陷，而其修復成本達到了10億美元。不過1995年和2011年的這兩次事故的嚴重性都比不了他們在2018年發現的兩個漏洞——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。甚至蘋果全新的M1芯片也被證明存在無意導致的設計缺陷：允許兩個本應嚴格分開的程序共享數據。不過該問題被認為無傷大雅。

再加上美國和中國的芯片行業存在的地緣政治緊張局勢，你就會開始明白為什么一些制造商渴望采用不同的工作方式。

所謂的精簡指令集計算機（RISC），起源于20世紀80年代在加州大學伯克利分校開始的一個學術項目。研究團隊最初的想法是，他們可以通過創建只包含幾條指令的精簡指令集——而非涵蓋每個復雜任務的龐大指令庫——來讓芯片更簡潔，但一個客觀障礙是他們自己沒有設計，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年開始著手創建自己的芯片和指令集作為教育工具。他們將其稱為RISC-V，因為這是共同創始人大衛·帕特森（David Patterson）參與的第五個RISC研究項目（羅馬數字V對應自然數5）。隨著項目不斷推進，RISC-V開始出現在實際應用中。

2015年，RISC-V從項目里獨立出來，同時RISC-V國際（RISC-V International，非營利公司）也就此成立，負責監督芯片研發。RISC-V的一大優點在于它是開源的，其應用的模型也越來越成為軟件開發的標準。值得注意的是，Linux開源操作系統已成為谷歌開發的安卓系統的基礎，而安卓系統又是全球最受歡迎的智能手機操作系統。此外，RISC-V還為全世界一半以上的最強大的超級計算機提供動力。

隨著芯片變得越來越復雜，安全性問題正變成一個燙手山芋。

芯片開源時代

開源方法允許所有開發者不斷優化RISC-V標準，確保其正常工作，沒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源，讓無數人嘗試在我的代碼中找到錯誤。”所有設計決策的基本原理都公開記錄在案，任何個人或公司都能參與開發——并免費將其重新用于自己的產品。麥格雷戈說道：“你可以制作各種口味，也可以添加一些小的調整。”

開源的RISC-V芯片對設備制造商的吸引力是顯而易見的：以更低的許可獲取成本打造更經濟實惠的產品，使用專為特定任務定制的芯片，可能意味著更好的性能以及更長的電池壽命。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芯片的產品，麥格雷戈也并未說明希捷公司使用RISC-V的目的，只說定制芯片比競爭對手更具優勢。其他同行則沒那么靦腆了，西瓦拉姆就大方表示，西部數據現在已經“完全訂閱”了RISC-V，相比于現成芯片，為特定功能而設計的RISC-V芯片會略小一些，但能以更低的功耗提供更好的性能，因為它“沒有遺留的包袱”。早在2016年，英偉達就宣布將在其GPU中使用RISC-V，而眼下計劃接管ARM的他們自然早已用上了開源神器。

西瓦拉姆認為這些進展還只是開始。“我并不是說它會立即實現，但半導體芯片的全面開源只是時間問題。當你購買福特或豐田汽車時，你知道發動機是誰制造的嗎？”

帕特森對此表示認同：“人們對開源有著像對宗教那般的熱情。他們喜歡并希望實現開源。我認為RISC-V的普及是大勢所趨，它將成為一種為所有規格的計算機所通用的語言。”

RISC-V國際基金會的卡莉斯塔·雷德蒙德（Calista Redmond）說：“因為它開源，所以沒有任何公司、國家或其他實體控制它。一旦分發給社區，它就無法再被收回。”RISC-V國際基金會于2019年宣布將其總部從美國遷往瑞士。

許多中國公司都在RISC-V基金會的合作伙伴名單中。阿里巴巴不久前開發了一款名為XT910的16核RISC-V芯片，據稱可用于人工智能或自動駕駛。印度也正式批準了RISC-V架構用于國防和基礎設施項目。歐盟選擇RISC-V作為其正在建造的新型超級計算機的基礎，以處理一系列科學和數據處理工作。半導體營銷和咨詢研究公司Semico Research預計，到2025年，RISC-V的銷量將超過600億枚。（2020年最后一個季度制造的使用ARM技術的芯片數量為67億。）

雷德蒙德表示：“像 AMD、英特爾和ARM這樣的‘傳統’公司應該擔心。他們花費數十年時間才建起來的道路，被我們更快速地推進著。”

ARM的首席架構師理查德·格里森斯韋特（Richard Grisenthwaite）指出，開發指令集相對容易，難點在于構建支持工具的生態系統來幫助在該平臺上開發芯片。對于新的指令集，這些工作必須從頭開始。“從頭開始打造生態系統，而非使用已有的ARM，似乎是一樁難事，我們花了30年的時間才將ARM打造成熟。”

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

觀察人士說像AMD、英特爾和ARM這樣的公司應該擔心。

制造商能否完全擺脫傳統技術是不確定的。對于許多制造商來說，他們需要保持與舊產品的向后兼容性，這意味著在設備中保留ARM或英特爾芯片。現代設備已經包含數十種使用不同架構的芯片，而且這種情況不太可能改變。無論誰設計芯片、獲得許可或訂購芯片，芯片制造商仍然必須生產出真正的芯片。至少在接下來的幾年里——在新工廠上線之前——這將是瓶頸。

從這個意義上說，RISC-V革命就算到來，很可能也不會被終端用戶注意到。但如果研發人員造出了更便宜、更專業、更高效的設備，所有人都會因此受益。芯片會繼續嗡嗡作響地開啟我們的數字生活——但或許是以更公開一些的方式。

資料來源 New Scientist