CPU架構(gòu)大戰(zhàn)未曾停歇，x86、Arm、RISC-V開始互占地盤

CPU架構(gòu)大戰(zhàn)未曾停歇，處理器技術(shù)與市場仍有新機會。

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

從百家爭鳴到二分天下的CPU產(chǎn)業(yè)

在1990年代以前，市場上曾經(jīng)有過一段處理器架構(gòu)百家爭鳴的熱鬧局面，許多個人電腦跟大型主機的制造商，都擁有自己發(fā)展出來的通用處理器架構(gòu)，例如惠普（HP)、迪吉多（DEC)；不少大型半導(dǎo)體公司，也有自行開發(fā)出來的處理器架構(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（Sun）的SPARC架構(gòu)及蘋果（Apple)、摩托羅拉（Motorola）及IBM共同發(fā)展的PowerPC架構(gòu)后，通用處理器市場才進入x86獨大的時代。

一方面，在競爭的過程中，與x86競爭的架構(gòu)也試圖以開放、免費方式扳回局面，如2005年Sun將SPARC釋出成OpenSPARC，2019年IBM宣布免收POWER指令集授權(quán)費等，但均未明顯奏效。

雖然x86占據(jù)整個市場，但在x86陣營內(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，包含聯(lián)電、Cyrix、IDT/Centaur、RISE、全美達（Transmeta）等，都已消失在市場上。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，之后高階化發(fā)展出ARM 9、ARM 11系列并延伸運用于PDA產(chǎn)品上，逐漸將其他處理器架構(gòu)逐出市場，如恩益禧NEC使用的MIPS架構(gòu)、日立（Hitachi）的SuperH專屬架構(gòu)、IBM的32-bit PowerPC架構(gòu)，乃至與Arm系出同門的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訴求需要即時運算功能的MCU，如車用、工控處理器。Arm架構(gòu)也在PDA市場擴展延伸的智能手機領(lǐng)域大幅開展。

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

其他專屬架構(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年停止開發(fā)；同時英特爾自己的i860/i960架構(gòu)也停止研發(fā)，但仍銷售至2007年。

MIPS架構(gòu)雖在工作站、超級計算機等領(lǐng)域無法與x86架構(gòu)競爭，在嵌入式、手持式領(lǐng)域也受Arm推擠，但在電視機頂盒領(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會。只可惜，MIPS架構(gòu)仍在2021年3月宣布停止發(fā)展。

簡單歸結(jié)，在不靠電池供電的應(yīng)用中，開發(fā)者重視運算效能的性價比，因此x86占上風；反之，在以電池供電的應(yīng)用里，開發(fā)者重視的是每瓦效能表現(xiàn)，使得Arm占有優(yōu)勢。不過這并非定局，CPU領(lǐng)域依然持續(xù)變化，x86與Arm開始短兵相接，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向值得觀察，以下將對此探討。

Arm、x86相互進軍對方主場

2011年前后，Arm與x86開始互占地盤并互有勝負，如新創(chuàng)芯片商嘉協(xié)達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陣營形同進入x86主導(dǎo)的處理器、個人電腦領(lǐng)域，但尚未全面沖突，畢竟Arm處理器僅能使用Linux，無法影響x86的Windows處理器市場，而平板電腦也非全然取代筆記型電腦。

x86進入Arm專長領(lǐng)域，則以2014年華碩ASUS推出ZenPhone手機為指標。ZenPhone使用x86架構(gòu)的Atom Z系列CPU。英特爾除了試圖用x86分食市場外，也試圖創(chuàng)造市場，2013年開始積極讓x86小型化而推出夸克（Quark）系列CPU及相關(guān)配套的伽利略（Galileo）開發(fā)板（圖2)、愛迪生（Edison）模組、居禮（Curie）模組，期望發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)IoT市場與穿戴式電子市場。

圖2 接腳相容于Arduino的Galileo開發(fā)板，主控芯片為Intel Quark 來源：Intel

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

兩陣營雖都歷經(jīng)摸索與挫折，但現(xiàn)階段以Arm方面稍居上風。一是2020年蘋果推出M1芯片，自此讓Mac電腦轉(zhuǎn)向Arm架構(gòu)。事實上，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。蘋果待在x86架構(gòu)的時間，已經(jīng)是相對久的。蘋果以iPhone所用的Arm架構(gòu)延伸到Mac系統(tǒng)，屬于自然的量價均攤效益擴大、技術(shù)自主掌握度提高等有利發(fā)展策略。

二是過往以智能手機為主的芯片商，在智能手機趨于飽和后，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采用相同路線進入PC市場。

三是創(chuàng)客（Maker）領(lǐng)域興起，樹莓派（RPi）單板電腦使用博通（Broadcom）的Arm架構(gòu)芯片，2012年推出時，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)格的強化，2019年后的第四代RPi也開始標榜Desktop PC的角色定位，且多年來維持在35~70美元的極親民價位而受歡迎，成為另一種Arm PC路線。公有云運算的興起也有利于Arm在處理器領(lǐng)域的發(fā)展。

RISC-V無需再交授權(quán)費

無論選擇Arm或x86，在技術(shù)上均非免費，使用Arm架構(gòu)需要支付技術(shù)授權(quán)費，x86更是只能購買英特爾、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)，而蘋果只允許購買Mac電腦的用戶使用Mac作業(yè)系統(tǒng)。

自1999年Linux問世后，科技產(chǎn)業(yè)開始出現(xiàn)完全自由、不需支付技術(shù)費用的作業(yè)系統(tǒng)，CPU領(lǐng)域則在2010年有了相似概念的RISC-V。事實上，此前已有其他開放、免費的CPU架構(gòu)，但不是過于學(xué)術(shù)理論，不利產(chǎn)業(yè)實務(wù)上的持續(xù)強化精進（效能、功耗、整合等提升），就是在商業(yè)競爭領(lǐng)域已明顯落后，而以半放棄的態(tài)度釋出，難再提振，RISC-V則是吸取過往教訓(xùn)，修正后再出發(fā)的成功案例。

RISC-V與Arm相同，同時經(jīng)營MCU、CPU領(lǐng)域，MCU領(lǐng)域尚未受主要MCU大廠青睞，而是以中國大陸創(chuàng)新為主，或為國際大廠所用但僅為專屬內(nèi)嵌式控制運用。

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

RISC-V在CPU領(lǐng)域也僅些許開展，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芯片打造超級計算機系統(tǒng)等（圖3)。

圖3 歐洲大學(xué)團隊以RISC-V晶片及主機板為基礎(chǔ)打造超級電腦 來源：NextPlatform

除上述的業(yè)界實際動向外，諸多國家也都積極評估與運用RISC-V，如中國、印度、俄羅斯等，期望減少使用Arm、x86架構(gòu)的技術(shù)支出，歐洲超級計算機團隊在相關(guān)報道上也談及此點。

超級計算機、公有云營運商擁抱Arm

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

手機如此，重度CPU用戶的超級計算機、公有云企業(yè)也有類似趨向，如富士通（Fujitsu）于2019年推出的超級計算機輔岳（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堅定。

圖4 AWS的Graviton3系列Arm架構(gòu)處理器 來源：AWS

圖5 Graviton3處理器效能與成本比較 來源：NextPlatform

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

公有云最大企業(yè)開通Arm運算租賃服務(wù)，其他同行自然跟進，如微軟Azure、Google Cloud、甲骨文Oracle Cloud、騰訊云等也推出Arm租賃服務(wù)，但跟進企業(yè)并非自研，而是從Ampere Computing采購其所研發(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，由阿里巴巴集團的平頭哥半導(dǎo)體公司設(shè)計。

GPU來勢洶洶

回到x86，x86跨入手機、IoT、穿戴式電子均未果后，也面臨愈來愈強悍的圖形處理器GPU爭搶其在運算系統(tǒng)內(nèi)的價值，因此x86開始兩面著手，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算，如多媒體運算、向量運算，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行多核化設(shè)計，以實現(xiàn)類同于GPU的運算加速芯片，此即英特爾的Xeon Phi芯片。英特爾原本期望可用x86多核設(shè)計發(fā)展出自有的GPU，以便與英偉達、超微推出的通用型GPU對抗。

事實上，Xeon Phi的前身，就是名為Lar 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，之后改專注于資料中心運算加速，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x86 CPU也被研究人員找到諸多嚴重的資安漏洞，必須加以修補。已售出的x86芯片可透過韌體或軟體修補，但會折損若干芯片效能，而新的開發(fā)中芯片也必須加入更多防護設(shè)計，如英特爾2020年推出，開發(fā)代號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)的競爭幾乎沒有一天停歇，不僅嘗試占領(lǐng)他人地盤，同時也嘗試探索新應(yīng)用可能，將自身立足的架構(gòu)進行價值最大化、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)嘗試進入市場，如Tachyum于今年5月發(fā)表神童Prodigy芯片，標榜為無所不包的Universal處理器，芯片內(nèi)同時具備CPU、GPU、TPU（推論加速）等功能，目標市場為各種重度運算，如資料中心、超級計算機等。

至于在RISC-V方面，許多芯片商擁抱RISC-V架構(gòu)的動機，除了想節(jié)省授權(quán)費用外，該架構(gòu)允許使用者/開發(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)計者可以針對特定應(yīng)用，開發(fā)出執(zhí)行效率更好的處理器，這也讓RISC-V有機會打進許多不同的應(yīng)用市場。Arm在這方面也感受到壓力，進而在2020年提出CXC(Cortex-X Custom）允許一定程度的客制，以便在設(shè)計自由度方面能與RISC-V較勁。看來處理器技術(shù)與市場仍有新機會、新挑戰(zhàn)，后續(xù)發(fā)展值得關(guān)注。

編輯：黃飛