芯片领域大家都很关注台积电、三星、中芯国际这些代工厂的进展，却忽略了芯片设计厂商的重要性。生产能力再强也只是个代工厂，自己能够设计出高端芯片才是终极目标。自己不会设计芯片，把台积电送给你，你也解决不了卡脖子的问题。申威26010，一款超前设计的芯片，一款争气芯片，让我们认识到，中国的科学家足够聪明，缺少的只是经费和时间。

世界范围内，能自己设计高端通用芯片的国家不多，中国是其中之一，甚至可以说是仅次于美国的芯片设计大国。有人说能生产高端芯片才重要，设计芯片很多国家都会，大家可以列举一下能设计高性能通用芯片的国家都有哪些，应该不多吧？我国用20年的时间，逐渐积累起了芯片设计的经验，完成了补课，也实现了创新。

一、申威26010的特殊结构

首先简单说说申威26010的超前设计。要知道，这款芯片仅仅采用28nm工艺，最高主频只有1.5GHz，跟世界主流的高端芯片工艺水平差距还是比较大的，但性能却非常优秀，组装出来的超级计算机还实现了世界最强，只能用设计精巧来形容了。

这个芯片的设计，在芯片设计史上有划时代意义。260个核心，不是简单的核心堆叠，而是根据不同任务进行的优化设计。一开始的多核芯片，确实是多个核心简单封装在一起，没有主次。但是申威的这款芯片，却是分主次的大小核结构。260个核，一共分4组，一组65个核。这一组的65个核里有一个主核，也叫运算控制核心，64个从核，也叫运算核心。主核功能全、性能强，可以独当一面，面对要求单核性能的计算任务时，主核顶上。从核性能不强，不能单独完成任务，但人多力量大，在主核的协调下，可以分工合作，实施”核海战术”。这个组织模式是不是有点像军队里的战斗单位啊？一个连长带领一个连进行战斗，16万个连队一起就组成了最强的战斗部队，这个战斗部队就是神威·太湖之光。

二、多核协同，中国设计走在前列

我们一直都羡慕西方的超前意识和创新能力，其实所有人都有思维惰性，西方也不例外。上一个视频，我们介绍龙芯的时候提到过龙芯的重大失误，为了研究多核结构，忽略了单核的性能。西方的芯片设计厂商却正好相反，一味强调单核性能的提升，忽略了多核的研究，一开始弄出来的双核CPU直接就是两个核，几乎就忽略了两个核的协同作用，1+1远远小于2。

其实，单说多核协同这方面，不管是龙芯还是申威，都是走在世界前列的，因为两家的研发队伍都是计算机所的科研人员，紧跟世界研发的动向，仅仅抓住了众核这个前沿，并取得了不错的成果。比如龙芯3B1500，用比较落后的核心设计出了算力强劲的芯片，算力至今都值得称道。申威的26010也是不鸣则已一鸣惊人。之所以没有抢占到市场，是因为整个生态环境是围着人家转的，根本没人针对你的芯片做优化。同时，咱的单核性能不强也确实是重大短板，也是自研芯片差点被放弃的重要原因。

其实在超算领域，中国的多核协同设计也是比较超前的。以前的主流超级计算机都是同核结构，完全用相同的核心进行简单的堆叠获得强大的算力。比如天河一号之前的世界冠军，美洲虎超级计算机，使用224162个完全一样的核心，霸占了排行榜第一名3年。天河一号之所以能赶超，就是设计出了独特的异核结构，采用186368个志强处理器核心，配合7千多个显卡用GPU做加速器，再搭配两千多个国产飞腾1000处理器，利用不同的核心发挥不同的作用，分工合作，轻松超过了美洲虎。后来类似这样的异核结构逐渐变成了超算界的主流。

回来说芯片，到了申威26010这里，众核设计进一步优化，采用异核结构，具备了更多的优势性能。就像刚才说的，异核结构大大提高了超级计算机的效率。但是这样的设计也是无奈之举，因为我国的超级计算机是购买芯片研发，人家的芯片不可能按照你的要求来设计。CPU和GPU搭配是通过外部连接来实现的，每次协同都需要经过PCIe总线和内存，从而明显降低了工作效率。而申威26010实现了内部异核结构，内部进行协调，大大提高了工作效率，为神威太湖之光攻占榜首立了大功。当然，我们说它的优势性能主要是面向超级计算机的，个人家用计算机短时间内不可能使用260核的CPU，主流的操作系统和软件也不可能针对你的特点做优化。现在手机领域已经大量普及大小核的结构了，软件也逐渐针对多核协同做出了优化，未来的软件设计应该会更加重视多核协同。

三、申威26010是真正的争气芯片

为啥说，申威26010是争气芯片呢？首先是因为它的面世非常及时！中国超级计算机天河一号和天河二号，连续问鼎世界超级计算机算力第一的位置，但采用的是美国公司设计和生产的芯片。美国为了限制中国超算发展，从2015年4月开始，禁止向中国四家公司出售至强芯片，暂时阻断了天河二号的升级之路。大家都在为中国超算前途担忧的时候，就在第二年神威太湖之光超级计算机横空出世，超过天河二号，霸占了超级计算机榜首两年之久。随着实际应用的展开，我国又陆续获得了多项世界大奖。而这款计算机，完全使用自己设计的芯片申威26010，我们短时间内就跳过了卡脖子的困境。大家说说解气不解气?

说它是争气芯片，还有一点，那就是这一款芯片跟龙芯一样是完全自主设计的。到目前为止，完全独立自主设计的国产高端芯片只有两种，一种是龙芯，一种是申威。前面我们说的是多核协同的问题，下面要说的是单核内部结构的问题。

本世纪初，中国决定自己设计芯片的时候，江南计算机研究所跟中科院计算机所一样勇挑重担，开始了芯片设计的征程。与龙芯遇到的问题一样，设计芯片难，建设生态更难，为了降低研发难度，必须使用别人的软件生态，也就是必须得兼容别人的指令集架构。关于怎样理解这个兼容指令集架构，前一个视频已有介绍，这里不再多说，你可以把指令替换成“口令”方便理解。使用一套标准的指令集，我们就可以说形成了一个独特的架构。龙芯选择了MIPS指令集，申威选择了兼容DEC公司的alpha指令集，通过多年的建设，已经建设成了两个自主指令集架构体系，在兼容的同时自己的架构已经是主体。因为是完全自主设计，所以能保证安全，龙芯和申威的芯片都是军工领域专用芯片。

四、关于架构选择

有人说，为啥龙芯和申威完美错过了现在最主流的三个架构呢？并不是像很多人说的那样，我们的科学家眼光不行，让他们站到当时的历史条件下，也不见得能有更好的选择。X86很好用，而且支持Windows操作系统，但在当时的条件下，大家认为人家可能授权给咱们吗？就算授权，咱们买得起吗？后来我们的龙芯和申威做出来了，AMD和Intel了解到中国已经可以自己设计通用芯片了，与其让中国另立炉灶，还不如授权给中国，让中国帮忙发展X86的市场。于是上海兆芯和北京大学获得了授权，研发出了兆芯和众志，从国家申请到了很多的科研经费提高了国产芯片的性能，这个时间刚好到了2010年左右，而这正是龙芯几乎申请不到科研经费的时候。

也许你会说，本世纪初ARM也并不贵啊，怎么不选择？确实是这样，但当时的ARM指令集主攻嵌入芯片，不考虑高性能芯片的方向，所以根本不支持高性能芯片必须支持的乱序执行指令。我国要研发的是通用高性能芯片，兼容ARM根本实现不了，怎么选？后来它又发展起来了，也支持乱序执行了，而且跟Android系统形成了良好的生态，但我们总不能放弃以前的架构重新跟它跑吧？

再说最近大火的RISC-V架构，完全开源，可以自由更改，确实很厉害，但它是2010年才提出来的，龙芯和申威不可能等它出来再研发吧？当然，最近这些年，我国芯片业也积极拥抱RISC-V架构，努力建设自主产业生态链，并不算完美错过。所以，不要总是站在未来人视角去评价以前的选择。与其眼红别人的架构和生态，不如利用好中国的市场，努力给自己的架构完善生态。毕竟龙芯和申威都发展成了完全自主的架构，只是对其他架构能兼容而已，之所以要兼容，也是为了借力人家的软件生态。

自主设计芯片，虽然理念比较先进，但苦于生产工艺被国外控制，难以跟上最好的工艺发展，单核性能还有很大的提升空间。如果有一天，这些芯片可以自由使用最先进的工艺制程，其设计出来的芯片一定不比国外的差！如果有一天，国内针对自主芯片的软件生态建设起来，也可以逐渐放弃对其他架构的兼容成为完全独立的架构体系。当然，这样的设想需要一步一步来完成，现在龙芯和申威的芯片都已经开始生产办公电脑了，主要应用于国内办公市场，通过办公市场的培育，逐渐走向大众市场，也不会很遥远了。加油！

关于自主设计芯片，你认为中国需要多少年能在单核性能上，追上主流芯片水平？你认为中国有可能建立起自己的软件生态吗？请在评论区发表您的观点，我们让时间来鉴定大家的远见。