IBM 开源 Power 指令集：国产高性能 CPU 迎来新机遇？

出处：芯智讯  作者：浪剑客

当地时间 8 月 20 日周二，IBM 在美国圣地亚哥的 OpenPower 峰会上，正式宣布开源旗下高性能 CPU —— Power 处理器的指令集架构（ISA）作为开放标准。

此外，作为该计划的一部分，OpenPower 基金会将成为 Linux 基金会的一个部门。

Power 指令集架构正式开源

随着 IBM 向 OpenPower 基金会提供了 Power ISA 许可，开发者可借此确保在 Power 上运行的软硬件的协同定义，鼓励他们构建新的硬件、借助领先的企业功能来处理数据密集型工作负载、为 AI 和混合云创建新的软件应用程序、并获得独特的硬件优势。

除了开放源代码的 Power ISA 之外，IBM 还将提供多种其它技术，包括 Power ISA 的软核实现（softcore implementation）、与架构无关的开放式相干加速处理器接口（OpenCAPI）、以开放式内存接口（OMI）的参考设计。

据介绍，IBM 为开源社区贡献了一个新开发的软核。在很短的时间内，一位 IBM 工程师能够在 Power ISA 上开发出一个软核，并将其安装在 Xilinx FPGA 上运行。这一软核实现将在本周的北美 OpenPower 峰会上得到展示。

此外，OpenCAPI 和 OMI 技术也有助于最大化处理器和连接设备之间的内存带宽，对于克服 AI 等新兴工作负载的性能瓶颈至关重要。

IBM OpenPower 总经理 Ken King 表示：" 随着今日的发布，IBM 正在向着通过开放技术和开源来推动整个行业的创新而迈出了重要的一步。"

值得一提的是，在 2018 年，IBM 还耗资 340 多亿美元收购了 Red Hat 红帽公司，这是一家专注开源领域长达 25 年之久的软件公司。Red Hat 是开源生态系统的主要玩家，以 Linux 发行版而闻名。

而为了推动新疗法的研究进展，帮助人类更快地攻克癌症。IBM 在不久前还开源了 3 个治疗癌症的人工智能项目。

此次 Power ISA 的开源可以说是 IBM 对于开源社区的又一重大贡献。需要指出的是， 目前 OpenPower 芯片的底层物理架构还没有开源。

OpenPower 进入全新阶段

2013 年 8 月，IBM 联合 Google、NVIDIA、Mellanox 等公司成立 OpenPower 联盟，致力于将 IBM 的 Power 系列 CPU 架构对外开放授权，以抗衡日益强大的 Intel X86 以及 ARM 等 CPU 体系的威胁。

IBM 当时宣布开放了 Power 架构周围技术，如处理器规格、固件、软件和技术自由许可，将和合作伙伴一起使用共享、协作开发模式。

在此基础上，IBM 还牵头成立了 OpenPower 基金会，旨在促进高端 Power 架构的 Power8 及更高版本产品发展，促进和鼓励基于 IBM Power 架构的协作创新。支持成员定制 Power 处理器、系统平台、固件和中间件软件，进行优化，满足其业务和组织需求。

在那时，OpenPower 联盟成员需要支付相对高昂的许可费才能获得 Power 的授权，而现在， 随着 Power ISA 的开源，开发者无需支付版税以及专利费就能够获得 Power ISA，并且有可能在此基础上研发出拥有专利权的技术和产品。

OpenPower 基金会欢迎指令集的开放，认为此举对开源社区来说就是福音。OpenPower 基金会执行董事 Hugh Blemings 在公告中说：" 通过让 Power ISA 采用开放模式 ...... 并将它提供给日益壮大的开放技术群体，我们能够帮助开放软硬件领域的创新能够加速发展。"

作为这项工作的一个延伸，IBM 将使 OpenPower 基金会并入 Linux 基金会，成为其一个部门，归其管理。OpenPower 基金会现在让 OpenBMC、CHIPS Alliance、OpenHPC 及其他多个项目和组织加入 Linux 基金会。将该基金会移交给业界最负盛名的开源软件组织有望提供另一股推动力，从长远来看促使 OpenPower 得到采用。

值得注意的是， 去年 11 月底，Linux 基金会和 RISC-V 基金会宣布将共同合作加速推广 RISC-V ISA 的开发及采用，Linux 基金会还将为 RISC-V 生态系统提供大量资源，包括培训计划、基础工具以及社区扩展、 营销 和法律专业知识。这种合作关系将使 RISC-V 能够进一步发展其开源生态系统。

而现在，拥有 Power ISA 的 OpenPower 基金会已成为 Linux 基金会的一个部门，接下来 Linux 基金会必然也将会大力推广 Power ISA。那么 Linux 基金会将如何处理这两个架构之间的竞争关系呢？这是一个需要思考的问题。

Power ISA 开源带来的机遇与挑战

有业内人士表示，IBM 开源 Power ISA 主要是为了应对另外两大开源处理器架构—— MIPS 和 RISC-V 的挑战。特别是 RISC-V 架构，自去年以来备受国内厂商追捧，并且目前已有非常多的厂商推出了基于 RISC-V 架构的芯片。

不过， 相对于在功耗、能效上更具优势的 RISC-V 架构来说，IBM 的 Power 架构则在性能上有着较大的优势。

资料显示，早在 1980 年，IBM 就推出了基于 Power 架构的原型机。Power 架构采用的也是精简指令集（RISC）。相比 X86 架构， Power 架构在硬件上的最大特点是采用对称多处理器技术（Symmetric Multiprocessing，SMP），可以保障内存访问任何一个 CPU 时速度都是一样的。

但是 Intel 的 X86 架构做不到，它对于一个 CPU 访问自己部分的内存速度很快，但是在访问其他 CPU 的内存时速度明显变慢。这样的性能差距在高端应用中，特别是核数越多的处理器性能差距就越大，因此 IBM 的 Power 架构主要应用于高端服务器市场而且应用前景非常广泛，在国内银行等关键行业都有重要应用。

资料显示，目前 IBM 最新的 Power 架构处理器是 Power 9，基于 14nm FinFET SOI 工艺，单个核心可以支持 4 线程或者 8 线程，分别能最多配置 24、12 个核心，逻辑线程总数最多都是 96 个。并且，Power 9 还采用了一流 I/O 子系统技术，包括下一代 NVIDIA NVLink、PCIe Gen4 和 OpenCAPI 的处理器。

这些顶尖技术为 Power 9 带来了非凡的性能表现， 最高可提供相当于 X86 服务器 9.5 倍的 I/O 带宽，其性能内核约为 X86 的两倍，支持的 RAM 相当于 X86 的 2.6 倍，内存带宽相当于 X86 的 1.8 倍。

目前美国能源部的超级计算机 Summit 和 Sierra 系统里面运行的就是 Power 9 芯片。而根据今年 6 月 17 日在德国法兰克福举行的国际超级计算大会发布的最新全球超级计算机 TOP 500 名单显示，虽然美国能源部下属橡树岭国家实验室开发的 " 顶点 " 和美国能源部下属劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发的 " 山脊 " 分别夺得了第一和第二。足见 IBM 的 Power 处理器的性能强大。

在目前国产 X86 架构的高性能 CPU 的发展遭遇较大的背景之下，可以预见的是，Power ISA 的开源或将有助于推动国产高性能 CPU 的发展。

2013 年 4 月，由上海市国资委下属上海联和 投资 有限公司和台湾威盛集团所属公司合资成立了上海兆芯集成电路有限公司，中方国资占据控股地位（持股约 80%）。上海兆芯因此也顺利从威盛那里获得了 X86 架构的授权。

不过， 随着威盛与 Intel 的 X86 授权协议于 2018 年 4 月到期，威盛已经无法在使用 Intel 新的 X86 专利及相关软件，这也意味着兆芯未来的 X86 产品升级或将遇阻，虽然其可能仍然可以使用旧的 X86 专利。

2016 年，AMD 与中国天津海光先进技术投资有限公司（THATIC）成立合资公司，可以利用 AMD 的 X86 技术和 SoC IP 用于芯片开发。

不过在今年 6 月， AMD CEO 苏姿丰（ LisaSu）证实，AMD 与天津海光的合作仅限于 AMD 的第一代 Ryzen 和 EPYC 的 Zen 架构，AMD 新推出的 Zen 2 微架构设计则无权使用。这也意味着海光后续也将无法获得新的 X86 专利授权以及 AMD 的 SoC IP 授权。

另外，不久前美国商务部还将中科曙光及其下属的海光列入了出口管制的 " 实体名单 "。这也使得为国产高性能 X86 CPU 的发展蒙上了一层阴影。

而此次 IBM Power 指令集的开源，或将成为推动国产高性能 CPU 的发展一条新的可选之路。虽然 IBM 是美国企业，但是开源的 Power 指令集将基本不会受到美国 " 禁令 " 的影响，这与同样源自美国的开源的 RSIC-V 指令集一样。

不过需要指出的是，虽然基于 Power 指令集的处理器具有效率高、性能强劲等特点，但对于国内厂商来说，真要引进消化并不容易。毕竟 Power CPU 相比常规处理器要复杂太多，而且 IBM 并未开源 Power 芯片的底层物理架构，所有单纯的通过 Power 指令集来开放自己的 CPU 还是有着很高的难度。另外在生态上，Power 也远不如 Arm 和 X86 完善。

成立于 2013 年的 苏州中晟宏芯信息 科技 有限公司 （下称 " 中晟宏芯 "），其员工主要来自中科院计算所和 IBM，2014 年中晟宏芯在工信部电子司和苏州政府的扶持下，加入 IBM 发起的 OpenPower 基金会，获得 IBM Power CPU 的授权，并且得到了 IBM、中科院计算所提供的技术支持。

在 2015 年 6 月发布了第一款 IBM 授权 Power 架构的服务器芯片产品 CP1。然而，这款芯片似乎并未得到应用，而这家企业在 2015 年年底就传出了 " 欠薪事件 "。

2016 年 6 月，中晟宏芯宣布已拿到 IBM 服务器处理器芯片 Power 8 芯片架构和指令系统的永久授权，并可以基于该芯片进行自主创新。

甚至 IBM 已同意中晟宏芯可以删除 Power 8 的安全模块，代之以国产的安全模块系统，以符合中国政府在安全方面的监管要求。

按照计划，中晟宏芯可以在 2019 年完全实现 Power 芯片的消化吸收再创新，并制成完全国产化的 Power 系列 CPU。

然而到目前为止，中晟宏芯的自研 Power 系列 CPU 仍不见踪迹。随着现在 Power 指令集的开源，中晟宏芯之前所获得的竞争优势，到现在来看已经是耗尽了大半。

对于其他国产芯片厂商来说，Power 指令集的开源，或将是一个新的机遇，但是挑战也是巨大的。