挑戰(zhàn)X86、ARM架構(gòu),RISC-V或是新希望?

北京時間11月11日凌晨2點，當大家都還沉浸在購物狂歡的時候，蘋果公司同“一場發(fā)布會拆成三場發(fā)”的蘋果秋季第三場線上新品發(fā)布會。發(fā)布了三款MAC產(chǎn)品MacBook Air、MacBookPro、Mac mini，依舊是熟悉的外觀，依舊是熟悉的味道，只是配方有所改變，這次發(fā)布會蘋果沒有預(yù)熱，上來就是重頭戲，全新的自研ARM架構(gòu)芯片M1，這也是蘋果第一次在自家MAC上放棄了英特爾處理器。M1芯片采用了業(yè)界領(lǐng)先的的5nm工藝，擁有160億個晶體管，而且這是一個完整的Soc芯片。GPU方面是8核心，蘋果宣稱這是全世界上最快的集成式GPU，每瓦的性能是最新筆記本電腦的兩倍，最新筆記本電腦的兩倍？？？蘋果這是在說誰呢。intel說，AMD剛出芯片，蘋果說的就是你AMD吧。AMD郁悶的說，大哥，人家說的筆記本芯片，我覺著說的是你。

稍微了解CPU的人應(yīng)該知道，在PC和服務(wù)器市場，intel的x86是絕對的王者；而在移動手機市場ARM近乎壟斷，一直以來雙方都想搶奪彼此的地盤，但收效甚微。就在雙方磨拳霍霍準備轉(zhuǎn)戰(zhàn)競逐AIoT處理器芯片市場時，蘋果卻殺了個回馬槍，在PC端放棄了霸主級別的x86而去采用在PC端并不成熟的ARM。憤青們在一邊發(fā)出了“怒吼”，這讓我們怎么拿著蘋果電腦裝盜版win10系統(tǒng)呢。只能感嘆！哎，真羨慕你們用聯(lián)想電腦的，像我剛買的蘋果電腦，雖然性能上CPU提速3.5倍，GPU提速5倍、續(xù)航提升了6小時達到18小時，但是連win10系統(tǒng)都不能用。這可真的很凡爾賽了。

其實單純從蘋果公司的角度，很容易理解，蘋果整個生態(tài)鏈中唯一沒有打通的就是MAC產(chǎn)品，基于其一貫的商業(yè)邏輯，實現(xiàn)供應(yīng)鏈的高度掌控，如果MAC產(chǎn)品也是用ARM芯片，那么iOS及其上的APP便可以和MAC產(chǎn)品無縫銜接。這樣一來，就避免了CPU上被英特爾分去一杯羹，在CPU、OS全部自己掌握后，蘋果可以借此繼續(xù)獲取高額利潤。

聊一聊兩個指令集CISC Vs RISC

我們都知道無論是計算機還是手機以及AIoT，最重要的部分就是其大腦CPU，而CPU的底層設(shè)計邏輯可以追溯到指令集。它是CPU中用來計算和控制計算機系統(tǒng)的一套指令的集合，在CPU設(shè)計之初就規(guī)定了一系列與其他硬件電路相匹配的指令系統(tǒng)。指令的好壞與CPU的性能密切相關(guān)。指令集可以分為復(fù)雜指令集（CISC： Complex Instruction Set Computing）和精簡指令集（RISC： Reduced Instruction Set ComputingRISC）。目前市場上主流的芯片架構(gòu)有x86、ARM、RISC-V和MIPS四種，其中X86是CISC系的，ARM、RISC-V和MIPS均是RISC系的。

如果把CPU看做一個人，首先他要有正常的工作能力（執(zhí)行能力），足夠的邏輯能力（明白做什么事情），還有能聽懂別人的話（指令集），才能正常工作，把這些集中在一起就構(gòu)成了“架構(gòu)”。x86和ARM架構(gòu)的最大區(qū)別，在于設(shè)計者考慮問題的方式不同。比如，我們要命令一個人結(jié)婚，那么我們該怎么做呢。我們可以直接下達“結(jié)婚”的命令（CISC），也可以命令他“兩人約好時間、去民政局、結(jié)婚登記、出門”（RISC）。可以看出來同一件事，不同人理解方式不同。有人覺得我首先給被命令的人足夠的訓(xùn)練，掌握復(fù)雜的技能如“結(jié)婚”（即在硬件中實現(xiàn)復(fù)雜功能），那么以后就可以用非常簡單的命令去做復(fù)雜的事情，比如下達命令“結(jié)婚”他就去結(jié)婚，不用考慮中間的過程。但也有人認為這樣會讓很多其他事情變的復(fù)雜，比如你突然想讓他離婚怎么辦，難道還要重新訓(xùn)練離婚嗎（這樣硬件越來越大、只能通過更低的納米工藝實現(xiàn)）。我們?yōu)槭裁床荒馨衙恳徊椒珠_，讓接受命令的人掌握比較少的基本技能，也可以完成同樣的過程，無非是下達命令的人累點（編譯），這樣一來，如果我們想讓他離婚，只需要把離婚命令里的結(jié)婚登記改成離婚登記即可。

x86 VS ARM兩大主戰(zhàn)場，硝煙彌漫

如前所述，x86和ARM分別占據(jù)了PC市場和移動市場，他們的地位不言而喻，而MIPS架構(gòu)由于自誕生時布局一直不順，至今已經(jīng)衰落，雖然仍然有大量客戶，但給人一種躺尸的感覺，幾乎沒有扭轉(zhuǎn)乾坤的可能。如今的天下基本只剩下x86和ARM，關(guān)于這兩者誰將統(tǒng)一市場的爭執(zhí)一直都有，雙方你來我往，互不相讓。

x86和arm兩者分別是CISC和RISC的代表，前者更加專注于高性能同時高功耗的實現(xiàn)，后者則專注于小尺寸低功耗領(lǐng)域。僅從指令集出發(fā)，兩者都有各自適應(yīng)的場景，比如在執(zhí)行高密度運算時CISC就更具備優(yōu)勢，而在執(zhí)行簡單復(fù)雜勞動的時候RISC就更得心應(yīng)手。

簡單的說，CISC是以增加處理器本身復(fù)雜度作為代價，去換取高性能，而RISC則是將復(fù)雜度交給了編譯器，犧牲了程序大小和指令寬度，換取了簡單和低功耗的硬件實現(xiàn)。但是如果一直這樣下去，為了提升性能，CISC的CPU將會越越大，而RISC所需內(nèi)存也越來越大。還是以結(jié)婚命令為例，如果我們要一群人去結(jié)婚，CISC只需要喊“結(jié)婚、結(jié)婚、結(jié)婚……”就行了，而RISC則要一直喊整個結(jié)婚的流程，如果喊得不夠快（相當于內(nèi)存?。?，就很難勝過CISC，但是如果我們只需要去民政局，那么RISC只需要喊一個簡單的命令即可，而CISC卻沒有這么簡單的命令，實現(xiàn)起來就變得麻煩了。

x86從1978年發(fā)展至今已經(jīng)有40多年的歷史，經(jīng)歷了市場的風云變幻，依然是服務(wù)器和PC市場的領(lǐng)導(dǎo)者，奔騰（Pentium）、酷睿（Core）、銳龍（Ryzen，AMD推出）一個個耳熟能詳?shù)拿?，伴隨著我們從第一次接觸電腦到擁有自己的電腦再到今天，x86架構(gòu)的處理器依然運行在我們的電腦上。由Intel及微軟構(gòu)建的Wintel聯(lián)盟生態(tài)已經(jīng)近乎完善，相關(guān)的應(yīng)用、配套軟件、軟件開發(fā)工具等具有極高的兼容性，使X86形成了難以被輕易超越的優(yōu)勢。制造工藝上ARM和Intel處理器的一大區(qū)別是ARM從來只是設(shè)計低功耗處理器，Intel的強項是設(shè)計超高性能的臺式機和服務(wù)器處理器。

在PC領(lǐng)域，x86是王者，而在移動端市場，ARM可謂一枝獨秀，其作為RISC微處理器的代表作之一，最大的特點在于節(jié)能。 ARM架構(gòu)之所以能夠在移動手機端占據(jù)優(yōu)勢，主要由于以下3個原因：

（1）移動端需要低功耗滿足一直沒啥進步的電池。ARM架構(gòu)在滿足嵌入式或移動端數(shù)據(jù)處理要求的同時，相比X86能耗與熱量更低，更適用于依靠電池提供電力的應(yīng)用終端。

（2）ARM授權(quán)相對容易。目前世界上擁有X86授權(quán)的企業(yè)只有三家，分別是Intel、AMD和VIA三家企業(yè)，其中Intel和AMD擁有X86的永久授權(quán)。為什么intel不會授權(quán)自己的IP給其他廠商，比如蘋果？三星？因為授權(quán)設(shè)計收入遠沒有最終的產(chǎn)品收入高。而ARM只做底層ISA的設(shè)計，包括指令集架構(gòu)、微處理器、圖形核心、互連架構(gòu)等，被授權(quán)方可以根據(jù)自身所需功能，要求ARM提供合適的開發(fā)工具，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化擴展。這使得蘋果、三星、高通、聯(lián)發(fā)科等一線品牌廠商有足夠大的空間去按照移動端的性能及特點來設(shè)計芯片，建立自身的產(chǎn)品線。ARM的授權(quán)收費方式為一次性技術(shù)授權(quán)費用加上較低的版稅提成費用，各廠商支付的費用受實際出貨量影響較小。而Intel在PC端市場中長久以來依靠產(chǎn)品銷量收取高額的專利費用，使各廠商的利潤空間被嚴重擠壓，從而在移動手機端的競爭中輸給了ARM。

（3）ARM架構(gòu)能夠完全支持移動手機端Android及iOS兩大主導(dǎo)系統(tǒng)?；谝陨显?，ARM架構(gòu)形成了極高的壁壘，幾乎壟斷整個移動端芯片市場，市場份額超過90%。

ARM當前的處理器產(chǎn)品中Cortex為主流系列，其中Cortex-A系列處理器適用于具有高計算要求、運行豐富操作系統(tǒng)以及提供交互媒體和圖形體驗的應(yīng)用領(lǐng)域。早在數(shù)年前，ARM就希望在服務(wù)器市場有所作為，但幾乎無合作廠商實現(xiàn)重大突破，其中AppliedMicro被Macom收購拆分，高通、英偉達、三星和博通都終止了相關(guān)業(yè)務(wù)。2019年，ARM在此嘗試攻占服務(wù)器市場。隨后，華為發(fā)布首款基于ARM架構(gòu)的服務(wù)器芯片——鯤鵬920，亞馬遜AWS、Marvell、Ampere等也陸續(xù)推出了基于ARM架構(gòu)設(shè)計出的服務(wù)器芯片產(chǎn)品。經(jīng)過近些年的發(fā)展，ARM架構(gòu)的綜合能力逐步接近高端數(shù)據(jù)中心的性能要求，其生態(tài)系統(tǒng)也一定程度上完善成熟，相關(guān)的操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用軟件等都可以基于ARM運行。

但總的來說，ARM距離x86還很遙遠，并沒有因為這幾年的進步而縮短，x86無法做到ARM的功耗，而ARM也無法做到x86的性能。這是由最基礎(chǔ)的設(shè)計出發(fā)點決定的，intel只要不一直試圖用自己的短處和別人的長處去碰（就比如ATOM），ARM能夠揚長避短，未來都會有自己的市場。隨著移動網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)融合互通日趨明顯，ARM發(fā)展后臺數(shù)據(jù)中心已經(jīng)是大勢所趨，無論是ARM還是Intel，雙方都沒有任何退路可言。

RSIC-V加入戰(zhàn)場，是否會一統(tǒng)天下

在過去兩年間，RISC-V取得了突飛猛進的發(fā)展。其在處理器架構(gòu)領(lǐng)域就像是linux之于PC操作系統(tǒng)，Android之于手機操作系統(tǒng)中一樣，獨特的開源特性受到了開發(fā)者的青睞。無論是國內(nèi)還是國外，越來越多的企業(yè)開始進入這個市場，不少設(shè)計在眾多領(lǐng)域嶄露頭角，并獲得了越來越多的芯片制造商、工具供應(yīng)商、大學(xué)和代工廠的支持。同時，MIPS技術(shù)持有者Wave Computing 在11月9日至12日在線舉辦的“electronica 2020”中，明確表示，將在MIPS核心中增加RISC-V支持，雖然MIPS已經(jīng)如明日黃花，但仍然有大量客戶，去年甚至有10個億芯片的出貨量。這一切都仿佛預(yù)示著RISC-V必將在未來競爭中占據(jù)一席之地。

中國芯片領(lǐng)域有四道難以逾越的關(guān)卡：光刻機、EDA軟件、晶圓、指令集。而如今隨著物聯(lián)網(wǎng)和RISC-V的崛起，我們看到了解決其中一項卡脖子的希望。2019年國內(nèi)公司對RISC-V緊密布局，阿里平頭哥、芯來和紫光展銳相繼推出RISC-V新品，歐洲公司也在虎視眈眈，其他國家如印度也加大了在RISC-V的投入，這股從美國興起的RISC-V大流愈演愈烈。

RISC-V就像兩國相爭下默默發(fā)展的小國，某一天突然露出爪牙，試圖蠶食王者的土地，那么這突然出現(xiàn)的第三國到底是何方神圣。

RSIC-V的起源

RISC-V源于 2010年，當時加州大學(xué)伯克利分校的一個研究團隊要設(shè)計一款CPU，為該項目選架構(gòu)的時候研究團隊對比了當時的ARM、MIPS、SPARC和X86等，發(fā)現(xiàn)這些指令集不僅會涉及到專利問題，而且收費昂貴。加上X86基本難以獲得授權(quán)，ARM授權(quán)價格昂貴，所以該研究團隊最終決定設(shè)計一套全新的指令集。于是成立了一個四人小組，僅用了3個月的時間就完成了RISC-V指令集的開發(fā)。該指令集架構(gòu)是第五代精簡指令集，相較于X86和ARM指令集架構(gòu)，RISC-V在設(shè)計過程中充分考慮了小型、快速、低功耗的需求，運行效率大幅提升， 在成本和靈活性上的優(yōu)勢更為明顯。參照采用開源模式的linux在PC終端領(lǐng)域的成功，RISC-V架構(gòu)的特點使其同樣具備相對競爭優(yōu)勢。

RSIC-V的優(yōu)勢

綜合來說，RISC-V有五大主要優(yōu)點：一是完全開源，這也是其得以發(fā)展的主要原因，對指令集的使用，RISC-V基金會不會收取授權(quán)費，容許企業(yè)添加自由指令集拓展；二是架構(gòu)簡單，RISC-V秉承簡單至上的設(shè)計美學(xué)，為了保持向后的兼容性，arm和x86都保留了許多過時的定義，而RISC-V可以說是站在巨人的肩膀上，借助已經(jīng)成熟的技術(shù)優(yōu)勢，輕裝上陣。三是易于移植，RISC-V提供了特權(quán)指令和用戶指令（感興趣的可以自行百度），總之是非常方便的將linux和unix移植到RISC-V平臺。四是模塊化設(shè)計，這貌似是很牛的的優(yōu)點，RISC-V不僅短小精悍，而且擁有模塊化的設(shè)計，開發(fā)者可以根據(jù)需要靈活的選擇不同組合，實現(xiàn)定制化需求。五是完整的工具鏈，RISC-V社區(qū)提供了完整的工具鏈，并且RISC-V基金會會持續(xù)維護，避免了工具鏈開發(fā)的繁重工作。

RSIC-V的前景

RISC-V最大的特點是“開放”，它的開放性允許它可以自由地被用于任何目的、允許任何人設(shè)計、制造和銷售基于RISC-V的芯片或軟件，這種開放性，在處理器領(lǐng)域是徹底的第一次。正如Android系統(tǒng)的成功不僅僅是由于其開源的特性，更離不開智能手機的興起。從電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)律上看，下游終端的興起必然為上游產(chǎn)業(yè)鏈打開增長空間，在谷歌的推動下，Android系統(tǒng)在發(fā)展初期得到了摩托羅拉、三星、HTC、索尼愛立信等眾多手機品牌廠商的支持，同時，上游手機芯片廠商和移動運營商也加入Android系統(tǒng)的建設(shè)。當前時點，物聯(lián)網(wǎng)的興起也將為指令集架構(gòu)在內(nèi)的上游產(chǎn)業(yè)鏈提供新的成長土壤：從市場空間層面看，2019年，全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)達到120億，預(yù)計到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)將達到246億，年復(fù)合增速約為16%，預(yù)計全球物聯(lián)網(wǎng)收入從2019年的3430億美元，增長到2025年的1.1萬億美元，復(fù)合增速約為27%（數(shù)據(jù)來源于全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會的數(shù)據(jù)）；從技術(shù)特點層面看，相較于現(xiàn)有架構(gòu)的通用性要求，物聯(lián)網(wǎng)更強調(diào)靈活性和多樣性，這與RISC-V開源、可模塊化、可擴展的特性高度契合，RISC-V能夠憑借其特性使得物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)揮出靈活、低功耗的特點進而降低成本，這也為物聯(lián)網(wǎng)的快速興起創(chuàng)造了有利條件。

其實RISC-V并非是第一個采用開源模式的指令集架構(gòu)，RISC-V架構(gòu)的發(fā)展擁有之前的開源指令集所不具備的歷史機遇：一是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用興起，二是半導(dǎo)體國產(chǎn)化進程加速。從產(chǎn)業(yè)鏈上下游的情況來看，我國廠商在芯片IP開發(fā)環(huán)節(jié)、芯片設(shè)計環(huán)節(jié)以及終端品牌和平臺環(huán)節(jié)均已有所布局。上下游主要廠商的布局情況反映了產(chǎn)業(yè)鏈從底層到終端構(gòu)建RISC-V生態(tài)的發(fā)展思路，從物聯(lián)網(wǎng)、AI的興起和我國芯片設(shè)計的自主性需求方面來看，RISC-V具備廣闊的發(fā)展空間和成為全球主流架構(gòu)之一的基礎(chǔ)。

芯來科技CEO胡振波表示，從長遠來看，RISC-V對中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生劃時代的意義。主要體現(xiàn)在以下5個方面：

（1） 通過RISC-V架構(gòu)擺脫國外的壟斷，實現(xiàn)處理器內(nèi)核的國產(chǎn)自主。這種處理器內(nèi)核不是閉門造車做出來的，而是擁有全世界認可的主流架構(gòu)和主流生態(tài)。

（2） 通過RISC-V可以極大地加強我國處理器IP話語權(quán)。IP產(chǎn)業(yè)處于行業(yè)最上游，遠離其它產(chǎn)業(yè)，并沒有得到產(chǎn)業(yè)和國家的重視。RISC-V給了中國IP產(chǎn)業(yè)機會，雖然目前我國在RISC-V上仍然落后，但相對于其它IP技術(shù)，落后并不太遠。

（3） RISC-V可以推動創(chuàng)新和差異化。由于RISC-V的開放、簡潔、可擴展以及低成本，可以給終端應(yīng)用市場帶來巨大創(chuàng)新。

（4）RISC-V可以明顯降低芯片研發(fā)成本。RISC-V的產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善，從處理器內(nèi)核到硬件設(shè)計、操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、基準測試以及解決方案，全產(chǎn)業(yè)鏈具備完整性，使得行業(yè)可以均攤一切成本。

（5）RISC-V的逐漸普及在一定程度上促進了行業(yè)本土化的發(fā)展，創(chuàng)造了更多行業(yè)機會，為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界積累大量CPU人才。

2015年，RISC-V基金會成立，由超過235名成員組成，其中有20家中國機構(gòu)。它是開放、協(xié)作的軟件和硬件創(chuàng)新者社區(qū)，基金會指導(dǎo)未來發(fā)展并推動RISC-VISA廣泛應(yīng)用。RISC-V基金會吸引了大量業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的研究機構(gòu)、硬件廠商、軟件廠商。包括中科院計算所等科研機構(gòu)，高通、英偉達、NXP、三星、中星微電子、華為海思、聯(lián)發(fā)科等半導(dǎo)體廠商，谷歌、IBM等IT公司，西數(shù)、希捷量大硬盤廠商，Express Logic等開發(fā)工具廠商。

中國有RISC-V產(chǎn)業(yè)和中國開放指令生態(tài)（RISC-V）兩個聯(lián)盟，推動RISC-V在中國的發(fā)展，10月底筆者有幸見到了RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長滕嶺女士，以及中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟秘書長包云崗教授，聆聽了兩位專家對RISC-V產(chǎn)業(yè)的介紹，并進行了交流，中國發(fā)展RISC-V生態(tài)建設(shè)符合我國國情，勢在必行，未來國內(nèi)一些列RISC-V相關(guān)大賽和項目會陸續(xù)興起，這不僅是中國集成電路發(fā)展的福音，也是我們從業(yè)者的又一機會，未來RISC-V相關(guān)人才也必將是緊缺人才。

自工業(yè)革命以來，科技已成為全球快速發(fā)展的中堅力量，科技領(lǐng)域沒有絕對的王者，膠卷時代的王者柯達已經(jīng)倒下，尼康、佳能憑借數(shù)碼相機后來居上。諾基亞的王國被蘋果、三星打的支離破碎。PC時代的門戶巨頭不得不向移動市場的社交app低頭。下一代的物聯(lián)網(wǎng)正在崛起，是PC端的linux、windows殺出重圍，還是移動端的iOS，Android后來居上，亦或是鴻蒙OS脫穎而出。是x86架構(gòu)霸氣仍在，還是ARM借勢而上，亦或是RISC-V一統(tǒng)天下呢？讓我們拭目以待吧！
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