IBM開源Power指令集：國產高性能CPU迎來新機遇？

當地時間8月20日周二，IBM在美國圣地亞哥的OpenPower峰會上，正式宣布開源旗下高性能CPU——Power處理器的指令集架構（ISA）作為開放標準。

此外，作為該計劃的一部分，OpenPower基金會將成為Linux基金會的一個部門。

Power指令集架構正式開源

隨著IBM向OpenPower基金會提供了Power ISA許可，開發者可借此確保在Power上運行的軟硬件的協同定義，鼓勵他們構建新的硬件、借助領先的企業功能來處理數據密集型工作負載、為AI和混合云創建新的軟件應用程序、并獲得獨特的硬件優勢。

除了開放源代碼的Power ISA之外，IBM還將提供多種其它技術，包括Power ISA的軟核實現（softcore implementation）、與架構無關的開放式相干加速處理器接口（OpenCAPI）、以開放式內存接口（OMI）的參考設計。

據介紹，IBM為開源社區貢獻了一個新開發的軟核。在很短的時間內，一位IBM工程師能夠在Power ISA上開發出一個軟核，并將其安裝在Xilinx FPGA上運行。這一軟核實現將在本周的北美OpenPower峰會上得到展示。

此外，OpenCAPI和OMI技術也有助于最大化處理器和連接設備之間的內存帶寬，對于克服AI等新興工作負載的性能瓶頸至關重要。

IBM OpenPower總經理Ken King表示：“隨著今日的發布，IBM正在向著通過開放技術和開源來推動整個行業的創新而邁出了重要的一步。”

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域長達25年之久的軟件公司。Red Hat是開源生態系統的主要玩家，以Linux發行版而聞名。

而為了推動新療法的研究進展，幫助人類更快地攻克癌癥。IBM在不久前還開源了3個治療癌癥的人工智能項目。

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

OpenPower進入全新階段

2013年8月，IBM聯合Google、NVIDIA、Mellanox等公司成立OpenPower聯盟，致力于將IBM的Power系列CPU架構對外開放授權，以抗衡日益強大的Intel X86以及ARM等CPU體系的威脅。

IBM當時宣布開放了Power架構周圍技術，如處理器規格、固件、軟件和技術自由許可，將和合作伙伴一起使用共享、協作開發模式。

在此基礎上，IBM還牽頭成立了OpenPower基金會，旨在促進高端Power架構的Power8及更高版本產品發展，促進和鼓勵基于IBM Power架構的協作創新。支持成員定制Power處理器、系統平臺、固件和中間件軟件，進行優化，滿足其業務和組織需求。

在那時，OpenPower聯盟成員需要支付相對高昂的許可費才能獲得Power的授權，而現在，隨著Power ISA的開源，開發者無需支付版稅以及專利費就能夠獲得Power ISA，并且有可能在此基礎上研發出擁有專利權的技術和產品。

OpenPower基金會歡迎指令集的開放，認為此舉對開源社區來說就是福音。OpenPower基金會執行董事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群體，我們能夠幫助開放軟硬件領域的創新能夠加速發展。”

作為這項工作的一個延伸，IBM將使OpenPower基金會并入Linux基金會，成為其一個部門，歸其管理。OpenPower基金會現在讓OpenBMC、CHIPS Alliance、OpenHPC及其他多個項目和組織加入Linux基金會。將該基金會移交給業界最負盛名的開源軟件組織有望提供另一股推動力，從長遠來看促使OpenPower得到采用。

值得注意的是，去年11月底，Linux基金會和RISC-V基金會宣布將共同合作加速推廣RISC-V ISA的開發及采用，Linux基金會還將為RISC-V生態系統提供大量資源，包括培訓計劃、基礎工具以及社區擴展、營銷和法律專業知識。這種合作關系將使RISC-V能夠進一步發展其開源生態系統。

而現在，擁有Power ISA的OpenPower基金會已成為Linux基金會的一個部門，接下來Linux基金會必然也將會大力推廣Power ISA。那么Linux基金會將如何處理這兩個架構之間的競爭關系呢？這是一個需要思考的問題。

Power ISA開源帶來的機遇與挑戰

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

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

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

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

資料顯示，目前IBM最新的Power架構處理器是Power9，基于14nm FinFET SOI工藝，單個核心可以支持4線程或者8線程，分別能最多配置24、12個核心，邏輯線程總數最多都是96個。并且，Power9還采用了一流I/O子系統技術，包括下一代NVIDIA NVLink、PCIe Gen4和OpenCAPI的處理器。

這些頂尖技術為Power9帶來了非凡的性能表現，最高可提供相當于X86服務器9.5倍的I/O帶寬，其性能內核約為X86的兩倍，支持的RAM相當于X86的2.6倍，內存帶寬相當于X86的1.8倍。

目前美國能源部的超級計算機Summit和Sierra系統里面運行的就是Power9芯片。而根據今年6月17日在德國法蘭克福舉行的國際超級計算大會發布的最新全球超級計算機TOP 500名單顯示，雖然美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室開發的“頂點”和美國能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室開發的“山脊”分別奪得了第一和第二。足見IBM的Power處理器的性能強大。

在目前國產X86架構的高性能CPU的發展遭遇較大的背景之下，可以預見的是，Power ISA的開源或將有助于推動國產高性能CPU的發展。

2013年4月，由上海市國資委下屬上海聯和投資有限公司和臺灣威盛集團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架構的授權。

不過，隨著威盛與Intel的X86授權協議于2018年4月到期，威盛已經無法在使用Intel新的X86專利及相關軟件，這也意味著兆芯未來的X86產品升級或將遇阻，雖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技術投資有限公司（THATIC）成立合資公司，可以利用AMD的X86技術和 SoC IP 用于芯片開發。

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

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

而此次IBM Power指令集的開源，或將成為推動國產高性能CPU的發展一條新的可選之路。雖然IBM是美國企業，但是開源的Power指令集將基本不會受到美國“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、性能強勁等特點，但對于國內廠商來說，真要引進消化并不容易。畢竟Power CPU相比常規處理器要復雜太多，而且IBM并未開源Power芯片的底層物理架構，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。另外在生態上，Power也遠不如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發起的OpenPower基金會，獲得IBM Power CPU的授權，并且得到了IBM、中科院計算所提供的技術支持。

在2015年6月發布了第一款IBM授權Power架構的服務器芯片產品CP1。然而，這款芯片似乎并未得到應用，而這家企業在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服務器處理器芯片Power8芯片架構和指令系統的永久授權，并可以基于該芯片進行自主創新。

甚至IBM已同意中晟宏芯可以刪除Power8的安全模塊，代之以國產的安全模塊系統，以符合中國政府在安全方面的監管要求。

按照計劃，中晟宏芯可以在2019年完全實現Power芯片的消化吸收再創新，并制成完全國產化的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。隨著現在Power指令集的開源，中晟宏芯之前所獲得的競爭優勢，到現在來看已經是耗盡了大半。

對于其他國產芯片廠商來說，Power指令集的開源，或將是一個新的機遇，但是挑戰也是巨大的。