CPU架構(gòu)大戰(zhàn)未曾停歇，處理器技術(shù)與市場(chǎng)仍有新機(jī)會(huì)。

近年來(lái)，泛用處理器已非產(chǎn)業(yè)熱門(mén)關(guān)注項(xiàng)目，原因在于長(zhǎng)期的兼并發(fā)展，已使技術(shù)架構(gòu)及市場(chǎng)高度集中于x86與Arm。然而，美中科技戰(zhàn)、新冠疫情與烏克蘭問(wèn)題等因素，讓半導(dǎo)體自主化成為許多國(guó)家共同追求的目標(biāo)，也讓處理器與相關(guān)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，又出現(xiàn)了不一樣的風(fēng)貌。

從百家爭(zhēng)鳴到二分天下的CPU產(chǎn)業(yè)

在1990年代以前，市場(chǎng)上曾經(jīng)有過(guò)一段處理器架構(gòu)百家爭(zhēng)鳴的熱鬧局面，許多個(gè)人電腦跟大型主機(jī)的制造商，都擁有自己發(fā)展出來(lái)的通用處理器架構(gòu)，例如惠普（HP)、迪吉多（DEC)；不少大型半導(dǎo)體公司，也有自行開(kāi)發(fā)出來(lái)的處理器架構(gòu)。直到1990年代中期至2000年代中期，英特爾（Intel）主推的x86陸續(xù)擊敗視算科技（SGI）的MIPS架構(gòu)、迪吉多的Alpha架構(gòu)、惠普的PA-RISC架構(gòu)、升陽(yáng)（Sun）的SPARC架構(gòu)及蘋(píng)果（Apple)、摩托羅拉（Motorola）及IBM共同發(fā)展的PowerPC架構(gòu)后，通用處理器市場(chǎng)才進(jìn)入x86獨(dú)大的時(shí)代。

一方面，在競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程中，與x86競(jìng)爭(zhēng)的架構(gòu)也試圖以開(kāi)放、免費(fèi)方式扳回局面，如2005年Sun將SPARC釋出成OpenSPARC，2019年IBM宣布免收POWER指令集授權(quán)費(fèi)等，但均未明顯奏效。

雖然x86占據(jù)整個(gè)市場(chǎng)，但在x86陣營(yíng)內(nèi)部，也出現(xiàn)了激烈的產(chǎn)業(yè)淘汰，導(dǎo)致多家生產(chǎn)x86處理器的芯片商陸續(xù)被逐出舞臺(tái)，包含聯(lián)電、Cyrix、IDT/Centaur、RISE、全美達(dá)（Transmeta）等，都已消失在市場(chǎng)上。除了英特爾之外，僅剩超微（AMD)、威盛等少數(shù)企業(yè)存活至今。

另一方面，Arm架構(gòu)以ARM 7切入MCU市場(chǎng)，之后高階化發(fā)展出ARM 9、ARM 11系列并延伸運(yùn)用于PDA產(chǎn)品上，逐漸將其他處理器架構(gòu)逐出市場(chǎng)，如恩益禧NEC使用的MIPS架構(gòu)、日立（Hitachi）的SuperH專(zhuān)屬架構(gòu)、IBM的32-bit PowerPC架構(gòu)，乃至與Arm系出同門(mén)的StrongARM架構(gòu)。

Arm架構(gòu)在2008年大幅翻新架構(gòu)，自ARM7/9/11改成Cortex-A、R、M三線（圖1)，Cortex-A更明確走向CPU，或稱(chēng)應(yīng)用程式處理器（Application Processor)；Cortex-M則在MCU領(lǐng)域；Cortex-R訴求需要即時(shí)運(yùn)算功能的MCU，如車(chē)用、工控處理器。Arm架構(gòu)也在PDA市場(chǎng)擴(kuò)展延伸的智能手機(jī)領(lǐng)域大幅開(kāi)展。

圖1 經(jīng)典ARM架構(gòu)走向Cortex-A/R/M架構(gòu)? 來(lái)源：Arm

其他專(zhuān)屬架構(gòu)的CPU多少受x86、Arm兩架構(gòu)的壯大而式微、結(jié)束，如AMD的29k架構(gòu)于1995年停止開(kāi)發(fā)；同時(shí)英特爾自己的i860/i960架構(gòu)也停止研發(fā)，但仍銷(xiāo)售至2007年。

MIPS架構(gòu)雖在工作站、超級(jí)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域無(wú)法與x86架構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)，在嵌入式、手持式領(lǐng)域也受Arm推擠，但在電視機(jī)頂盒領(lǐng)域仍有一席之地，以及試圖在IoT、穿戴式等新領(lǐng)域?qū)ふ覚C(jī)會(huì)。只可惜，MIPS架構(gòu)仍在2021年3月宣布停止發(fā)展。

簡(jiǎn)單歸結(jié)，在不靠電池供電的應(yīng)用中，開(kāi)發(fā)者重視運(yùn)算效能的性價(jià)比，因此x86占上風(fēng)；反之，在以電池供電的應(yīng)用里，開(kāi)發(fā)者重視的是每瓦效能表現(xiàn)，使得Arm占有優(yōu)勢(shì)。不過(guò)這并非定局，CPU領(lǐng)域依然持續(xù)變化，x86與Arm開(kāi)始短兵相接，加上2010年RISC-V加入戰(zhàn)局及各種因素作用，CPU領(lǐng)域在近期仍有諸多動(dòng)向值得觀察，以下將對(duì)此探討。

Arm、x86相互進(jìn)軍對(duì)方主場(chǎng)

2011年前后，Arm與x86開(kāi)始互占地盤(pán)并互有勝負(fù)，如新創(chuàng)芯片商嘉協(xié)達(dá)Calexda推出Arm核心的處理器CPU，其他芯片商如Tilera、APM/AMCC（由PowerPC轉(zhuǎn)向Arm)、凱為（Cavium，已于2018年并入Marvell）等也在先后時(shí)間推出Arm處理器CPU；2012年微軟（Microsoft）推出的Surface RT平板電腦，亦使用高通（Qualcomm）的Arm架構(gòu)CPU。

如此Arm陣營(yíng)形同進(jìn)入x86主導(dǎo)的處理器、個(gè)人電腦領(lǐng)域，但尚未全面沖突，畢竟Arm處理器僅能使用Linux，無(wú)法影響x86的Windows處理器市場(chǎng)，而平板電腦也非全然取代筆記型電腦。

x86進(jìn)入Arm專(zhuān)長(zhǎng)領(lǐng)域，則以2014年華碩ASUS推出ZenPhone手機(jī)為指標(biāo)。ZenPhone使用x86架構(gòu)的Atom Z系列CPU。英特爾除了試圖用x86分食市場(chǎng)外，也試圖創(chuàng)造市場(chǎng)，2013年開(kāi)始積極讓x86小型化而推出夸克（Quark）系列CPU及相關(guān)配套的伽利略（Galileo）開(kāi)發(fā)板（圖2)、愛(ài)迪生（Edison）模組、居禮（Curie）模組，期望發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)IoT市場(chǎng)與穿戴式電子市場(chǎng)。

圖2 接腳相容于Arduino的Galileo開(kāi)發(fā)板，主控芯片為Intel Quark 來(lái)源：Intel

對(duì)x86跟Arm陣營(yíng)而言，想在對(duì)手的主場(chǎng)討到便宜，都是頗具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。英特爾的夸克系列已在2017年宣告停止發(fā)展；Arm陣營(yíng)的Calexda快速歇業(yè)、Tilera由EZChip收購(gòu)，EZChip又由Mellanox收購(gòu)，Mellanox再由英偉達(dá)收購(gòu)；相關(guān)發(fā)展難以持續(xù)，AMCC也于2016年因MACOM的收購(gòu)而生變。

兩陣營(yíng)雖都?xì)v經(jīng)摸索與挫折，但現(xiàn)階段以Arm方面稍居上風(fēng)。一是2020年蘋(píng)果推出M1芯片，自此讓Mac電腦轉(zhuǎn)向Arm架構(gòu)。事實(shí)上，在Mac的發(fā)展歷史上，經(jīng)常每10年大膽轉(zhuǎn)移CPU架構(gòu)，如1976年的6502、1983年的68k、1994年的PowerPC、2005年的x86。蘋(píng)果待在x86架構(gòu)的時(shí)間，已經(jīng)是相對(duì)久的。蘋(píng)果以iPhone所用的Arm架構(gòu)延伸到Mac系統(tǒng)，屬于自然的量?jī)r(jià)均攤效益擴(kuò)大、技術(shù)自主掌握度提高等有利發(fā)展策略。

二是過(guò)往以智能手機(jī)為主的芯片商，在智能手機(jī)趨于飽和后，也須另覓出路，包含高通與微軟合作推行AOAC PC，讓W(xué)indows系統(tǒng)更積極使用Arm架構(gòu)，或如聯(lián)發(fā)科技推出Kompanio for Chromebooks，試圖與Google采用相同路線進(jìn)入PC市場(chǎng)。

三是創(chuàng)客（Maker）領(lǐng)域興起，樹(shù)莓派（RPi）單板電腦使用博通（Broadcom）的Arm架構(gòu)芯片，2012年推出時(shí)，僅適合用于電腦教學(xué)，然歷經(jīng)數(shù)代的發(fā)展，因效能規(guī)格的強(qiáng)化，2019年后的第四代RPi也開(kāi)始標(biāo)榜Desktop PC的角色定位，且多年來(lái)維持在35~70美元的極親民價(jià)位而受歡迎，成為另一種Arm PC路線。公有云運(yùn)算的興起也有利于Arm在處理器領(lǐng)域的發(fā)展。

RISC-V無(wú)需再交授權(quán)費(fèi)

無(wú)論選擇Arm或x86，在技術(shù)上均非免費(fèi)，使用Arm架構(gòu)需要支付技術(shù)授權(quán)費(fèi)，x86更是只能購(gòu)買(mǎi)英特爾、超微等芯片廠商出貨的芯片。就像在電腦作業(yè)系統(tǒng)領(lǐng)域的Windows與Mac，微軟允許不同廠牌的電腦安裝Windows作業(yè)系統(tǒng)，而蘋(píng)果只允許購(gòu)買(mǎi)Mac電腦的用戶使用Mac作業(yè)系統(tǒng)。

自1999年Linux問(wèn)世后，科技產(chǎn)業(yè)開(kāi)始出現(xiàn)完全自由、不需支付技術(shù)費(fèi)用的作業(yè)系統(tǒng)，CPU領(lǐng)域則在2010年有了相似概念的RISC-V。事實(shí)上，此前已有其他開(kāi)放、免費(fèi)的CPU架構(gòu)，但不是過(guò)于學(xué)術(shù)理論，不利產(chǎn)業(yè)實(shí)務(wù)上的持續(xù)強(qiáng)化精進(jìn)（效能、功耗、整合等提升），就是在商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域已明顯落后，而以半放棄的態(tài)度釋出，難再提振，RISC-V則是吸取過(guò)往教訓(xùn)，修正后再出發(fā)的成功案例。

RISC-V與Arm相同，同時(shí)經(jīng)營(yíng)MCU、CPU領(lǐng)域，MCU領(lǐng)域尚未受主要MCU大廠青睞，而是以中國(guó)大陸創(chuàng)新為主，或?yàn)閲?guó)際大廠所用但僅為專(zhuān)屬內(nèi)嵌式控制運(yùn)用。

前者如全智、博流智能、Codasip、樂(lè)鑫、兆易創(chuàng)新；后者如威騰（WD)、希捷（Seagate）等用于儲(chǔ)存裝置控制芯片，或如英偉達(dá)用于Tegra芯片的內(nèi)部控制，或Google用于官方Pixel 6手機(jī)內(nèi)的Titan M2防護(hù)芯片中。

RISC-V在CPU領(lǐng)域也僅些許開(kāi)展，如瑞薩（Renesas）于2022年3月推出采64-bit RISC-V核心的RZ/Five處理器，或歐洲于2022年6月使用SiFive的Freedom U740芯片打造超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等（圖3)。

圖3 歐洲大學(xué)團(tuán)隊(duì)以RISC-V晶片及主機(jī)板為基礎(chǔ)打造超級(jí)電腦 來(lái)源：NextPlatform

除上述的業(yè)界實(shí)際動(dòng)向外，諸多國(guó)家也都積極評(píng)估與運(yùn)用RISC-V，如中國(guó)、印度、俄羅斯等，期望減少使用Arm、x86架構(gòu)的技術(shù)支出，歐洲超級(jí)計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)在相關(guān)報(bào)道上也談及此點(diǎn)。

超級(jí)計(jì)算機(jī)、公有云營(yíng)運(yùn)商擁抱Arm

前面談及高通、聯(lián)發(fā)科技開(kāi)始以Arm架構(gòu)進(jìn)入PC領(lǐng)域，除手機(jī)市場(chǎng)趨緩?fù)猓硪辉蚴鞘謾C(jī)企業(yè)日益傾向使用自研的Arm芯片，不僅蘋(píng)果如此，近年來(lái)華為、三星（Samsung）乃至Google也都傾向使用自行設(shè)計(jì)的手機(jī)芯片，迫使純手機(jī)芯片商必須探索新市場(chǎng)。

手機(jī)如此，重度CPU用戶的超級(jí)計(jì)算機(jī)、公有云企業(yè)也有類(lèi)似趨向，如富士通（Fujitsu）于2019年推出的超級(jí)計(jì)算機(jī)輔岳（Fugaku)，便是使用自研的Arm核心處理器A64FX；全球最大公有云企業(yè)AWS也在2018年推出僅供自家公有云服務(wù)使用的Graviton處理器，并陸續(xù)在2019年推出Graviton2、2021年發(fā)表Graviton3（圖4、圖5)，顯示AWS走自己的路的決心相當(dāng)堅(jiān)定。

圖4 AWS的Graviton3系列Arm架構(gòu)處理器 來(lái)源：AWS

圖5 Graviton3處理器效能與成本比較 來(lái)源：NextPlatform

在云端采行Arm架構(gòu)有其優(yōu)點(diǎn)，可以用更多輕量核心招攬更多用戶購(gòu)買(mǎi)服務(wù)，同時(shí)云端諸多服務(wù)也屬相依性低的各自輕量性運(yùn)作，適合使用Arm架構(gòu)。相對(duì)于此，x86屬少量重度核心，適合執(zhí)行相依性高的運(yùn)算，如線上交易、資料庫(kù)等。

公有云最大企業(yè)開(kāi)通Arm運(yùn)算租賃服務(wù)，其他同行自然跟進(jìn)，如微軟Azure、Google Cloud、甲骨文Oracle Cloud、騰訊云等也推出Arm租賃服務(wù)，但跟進(jìn)企業(yè)并非自研，而是從Ampere Computing采購(gòu)其所研發(fā)的Arm芯片，Ampere成立于2018年，技術(shù)資產(chǎn)主要承襲自AMCC與MACOM。

其他主要公有云企業(yè)也投入自主研發(fā)Arm芯片，如2021年阿里云宣布推出倚天710芯片，由阿里巴巴集團(tuán)的平頭哥半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)。

GPU來(lái)勢(shì)洶洶

回到x86，x86跨入手機(jī)、IoT、穿戴式電子均未果后，也面臨愈來(lái)愈強(qiáng)悍的圖形處理器GPU爭(zhēng)搶其在運(yùn)算系統(tǒng)內(nèi)的價(jià)值，因此x86開(kāi)始兩面著手，一是在早已滿足的一般用途指令外，不斷追加新的延伸指令以滿足特定運(yùn)算，如多媒體運(yùn)算、向量運(yùn)算，甚至在近2年加入能加速AI推論執(zhí)行的指令，如GNA系列。

另一努力方向則是進(jìn)行多核化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)類(lèi)同于GPU的運(yùn)算加速芯片，此即英特爾的Xeon Phi芯片。英特爾原本期望可用x86多核設(shè)計(jì)發(fā)展出自有的GPU，以便與英偉達(dá)、超微推出的通用型GPU對(duì)抗。

事實(shí)上，Xeon Phi的前身，就是名為L(zhǎng)ar rabee的眾核架構(gòu)（Many Core Architecture)。英特爾原本有意借此發(fā)展自己的GPU，但此構(gòu)想于2010年停止，之后改專(zhuān)注于資料中心運(yùn)算加速，然此路線也在2017、2018年停止。

不僅各種多角化嘗試未果，近年來(lái)x86 CPU也被研究人員找到諸多嚴(yán)重的資安漏洞，必須加以修補(bǔ)。已售出的x86芯片可透過(guò)韌體或軟體修補(bǔ)，但會(huì)折損若干芯片效能，而新的開(kāi)發(fā)中芯片也必須加入更多防護(hù)設(shè)計(jì)，如英特爾2020年推出，開(kāi)發(fā)代號(hào)Willow Cove的Tiger Lake-Y/U/H系列x86 CPU，即加入CET技術(shù)，避免黑客利用緩沖區(qū)溢位攻擊來(lái)侵害x86系統(tǒng)。

CPU架構(gòu)大戰(zhàn)未曾停歇

歸結(jié)上述明顯可知，CPU與CPU架構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)幾乎沒(méi)有一天停歇，不僅嘗試占領(lǐng)他人地盤(pán)，同時(shí)也嘗試探索新應(yīng)用可能，將自身立足的架構(gòu)進(jìn)行價(jià)值最大化、技術(shù)生態(tài)圈最大化。

也因如此CPU領(lǐng)域始終有新企業(yè)、新架構(gòu)嘗試進(jìn)入市場(chǎng)，如Tachyum于今年5月發(fā)表神童Prodigy芯片，標(biāo)榜為無(wú)所不包的Universal處理器，芯片內(nèi)同時(shí)具備CPU、GPU、TPU（推論加速）等功能，目標(biāo)市場(chǎng)為各種重度運(yùn)算，如資料中心、超級(jí)計(jì)算機(jī)等。

至于在RISC-V方面，許多芯片商擁抱RISC-V架構(gòu)的動(dòng)機(jī)，除了想節(jié)省授權(quán)費(fèi)用外，該架構(gòu)允許使用者/開(kāi)發(fā)者自行定義客制化指令集，也是一大原因。借由深度客制化的指令集，芯片設(shè)計(jì)者可以針對(duì)特定應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出執(zhí)行效率更好的處理器，這也讓RISC-V有機(jī)會(huì)打進(jìn)許多不同的應(yīng)用市場(chǎng)。Arm在這方面也感受到壓力，進(jìn)而在2020年提出CXC(Cortex-X Custom）允許一定程度的客制，以便在設(shè)計(jì)自由度方面能與RISC-V較勁。看來(lái)處理器技術(shù)與市場(chǎng)仍有新機(jī)會(huì)、新挑戰(zhàn)，后續(xù)發(fā)展值得關(guān)注。

編輯：黃飛