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x86与ARM的王者对决,RISC-V能否迎来自己的春天

2020-11-19
来源:半导体行业观察
关键词: X86 ARM RISC-V

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北京时间11月11日凌晨2点,当大家都还沉浸在购物狂欢的时候,苹果公司同“一场发布会拆成三场发”的苹果秋季第三场线上新品发布会。发布了三款MAC产品MacBook Air、MacBookPro、Mac mini,依旧是熟悉的外观,依旧是熟悉的味道,只是配方有所改变,这次发布会苹果没有预热,上来就是重头戏,全新的自研ARM架构芯片M1,这也是苹果第一次在自家MAC上放弃了英特尔处理器。M1芯片采用了业界领先的的5nm工艺,拥有160亿个晶体管,而且这是一个完整的Soc芯片。GPU方面是8核心,苹果宣称这是全世界上最快的集成式GPU,每瓦的性能是最新笔记本电脑的两倍,最新笔记本电脑的两倍???苹果这是在说谁呢。intel说,AMD刚出芯片,苹果说的就是你AMD吧。AMD郁闷的说,大哥,人家说的笔记本芯片,我觉着说的是你。

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  稍微了解CPU的人应该知道,在PC和服务器市场,intel的x86是绝对的王者;而在移动手机市场ARM近乎垄断,一直以来双方都想抢夺彼此的地盘,但收效甚微。就在双方磨拳霍霍准备转战竞逐AIoT处理器芯片市场时,苹果却杀了个回马枪,在PC端放弃了霸主级别的x86而去采用在PC端并不成熟的ARM。愤青们在一边发出了“怒吼”,这让我们怎么拿着苹果电脑装盗版win10系统呢。只能感叹!哎,真羡慕你们用联想电脑的,像我刚买的苹果电脑,虽然性能上CPU提速3.5倍,GPU提速5倍、续航提升了6小时达到18小时,但是连win10系统都不能用。这可真的很凡尔赛了。

  其实单纯从苹果公司的角度,很容易理解,苹果整个生态链中唯一没有打通的就是MAC产品,基于其一贯的商业逻辑,实现供应链的高度掌控,如果MAC产品也是用ARM芯片,那么iOS及其上的APP便可以和MAC产品无缝衔接。这样一来,就避免了CPU上被英特尔分去一杯羹,在CPU、OS全部自己掌握后,苹果可以借此继续获取高额利润。

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  聊一聊两个指令集CISC Vs RISC

  我们都知道无论是计算机还是手机以及AIoT,最重要的部分就是其大脑CPU,而CPU的底层设计逻辑可以追溯到指令集。它是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合,在CPU设计之初就规定了一系列与其他硬件电路相匹配的指令系统。指令的好坏与CPU的性能密切相关。指令集可以分为复杂指令集(CISC: Complex Instruction Set Computing)和精简指令集(RISC: Reduced Instruction Set ComputingRISC)。目前市场上主流的芯片架构有x86、ARM、RISC-V和MIPS四种,其中X86是CISC系的,ARM、RISC-V和MIPS均是RISC系的。

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  如果把CPU看做一个人,首先他要有正常的工作能力(执行能力),足够的逻辑能力(明白做什么事情),还有能听懂别人的话(指令集),才能正常工作,把这些集中在一起就构成了“架构”。x86和ARM架构的最大区别,在于设计者考虑问题的方式不同。比如,我们要命令一个人结婚,那么我们该怎么做呢。我们可以直接下达“结婚”的命令(CISC),也可以命令他“两人约好时间、去民政局、结婚登记、出门”(RISC)。可以看出来同一件事,不同人理解方式不同。有人觉得我首先给被命令的人足够的训练,掌握复杂的技能如“结婚”(即在硬件中实现复杂功能),那么以后就可以用非常简单的命令去做复杂的事情,比如下达命令“结婚”他就去结婚,不用考虑中间的过程。但也有人认为这样会让很多其他事情变的复杂,比如你突然想让他离婚怎么办,难道还要重新训练离婚吗(这样硬件越来越大、只能通过更低的纳米工艺实现)。我们为什么不能把每一步分开,让接受命令的人掌握比较少的基本技能,也可以完成同样的过程,无非是下达命令的人累点(编译),这样一来,如果我们想让他离婚,只需要把离婚命令里的结婚登记改成离婚登记即可。

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  x86 VS ARM两大主战场,硝烟弥漫

  如前所述,x86和ARM分别占据了PC市场和移动市场,他们的地位不言而喻,而MIPS架构由于自诞生时布局一直不顺,至今已经衰落,虽然仍然有大量客户,但给人一种躺尸的感觉,几乎没有扭转乾坤的可能。如今的天下基本只剩下x86和ARM,关于这两者谁将统一市场的争执一直都有,双方你来我往,互不相让。

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  x86和arm两者分别是CISC和RISC的代表,前者更加专注于高性能同时高功耗的实现,后者则专注于小尺寸低功耗领域。仅从指令集出发,两者都有各自适应的场景,比如在执行高密度运算时CISC就更具备优势,而在执行简单复杂劳动的时候RISC就更得心应手。

  简单的说,CISC是以增加处理器本身复杂度作为代价,去换取高性能,而RISC则是将复杂度交给了编译器,牺牲了程序大小和指令宽度,换取了简单和低功耗的硬件实现。但是如果一直这样下去,为了提升性能,CISC的CPU将会越越大,而RISC所需内存也越来越大。还是以结婚命令为例,如果我们要一群人去结婚,CISC只需要喊“结婚、结婚、结婚……”就行了,而RISC则要一直喊整个结婚的流程,如果喊得不够快(相当于内存小),就很难胜过CISC,但是如果我们只需要去民政局,那么RISC只需要喊一个简单的命令即可,而CISC却没有这么简单的命令,实现起来就变得麻烦了。

  x86从1978年发展至今已经有40多年的历史,经历了市场的风云变幻,依然是服务器和PC市场的领导者,奔腾(Pentium)、酷睿(Core)、锐龙(Ryzen,AMD推出)一个个耳熟能详的名字,伴随着我们从第一次接触电脑到拥有自己的电脑再到今天,x86架构的处理器依然运行在我们的电脑上。由Intel及微软构建的Wintel联盟生态已经近乎完善,相关的应用、配套软件、软件开发工具等具有极高的兼容性,使X86形成了难以被轻易超越的优势。制造工艺上ARM和Intel处理器的一大区别是ARM从来只是设计低功耗处理器,Intel的强项是设计超高性能的台式机和服务器处理器。

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  在PC领域,x86是王者,而在移动端市场,ARM可谓一枝独秀,其作为RISC微处理器的代表作之一,最大的特点在于节能。ARM架构之所以能够在移动手机端占据优势,主要由于以下3个原因:

  (1)移动端需要低功耗满足一直没啥进步的电池。ARM架构在满足嵌入式或移动端数据处理要求的同时,相比X86能耗与热量更低,更适用于依靠电池提供电力的应用终端。

  (2)ARM授权相对容易。目前世界上拥有X86授权的企业只有三家,分别是Intel、AMD和VIA三家企业,其中Intel和AMD拥有X86的永久授权。为什么intel不会授权自己的IP给其他厂商,比如苹果?三星?因为授权设计收入远没有最终的产品收入高。而ARM只做底层ISA的设计,包括指令集架构、微处理器、图形核心、互连架构等,被授权方可以根据自身所需功能,要求ARM提供合适的开发工具,在此基础上进行优化扩展。这使得苹果、三星、高通、联发科等一线品牌厂商有足够大的空间去按照移动端的性能及特点来设计芯片,建立自身的产品线。ARM的授权收费方式为一次性技术授权费用加上较低的版税提成费用,各厂商支付的费用受实际出货量影响较小。而Intel在PC端市场中长久以来依靠产品销量收取高额的专利费用,使各厂商的利润空间被严重挤压,从而在移动手机端的竞争中输给了ARM。

  (3)ARM架构能够完全支持移动手机端Android及iOS两大主导系统。基于以上原因,ARM架构形成了极高的壁垒,几乎垄断整个移动端芯片市场,市场份额超过90%。

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  ARM当前的处理器产品中Cortex为主流系列,其中Cortex-A系列处理器适用于具有高计算要求、运行丰富操作系统以及提供交互媒体和图形体验的应用领域。早在数年前,ARM就希望在服务器市场有所作为,但几乎无合作厂商实现重大突破,其中AppliedMicro被Macom收购拆分,高通、英伟达、三星和博通都终止了相关业务。2019年,ARM在此尝试攻占服务器市场。随后,华为发布首款基于ARM架构的服务器芯片——鲲鹏920,亚马逊AWS、Marvell、Ampere等也陆续推出了基于ARM架构设计出的服务器芯片产品。经过近些年的发展,ARM架构的综合能力逐步接近高端数据中心的性能要求,其生态系统也一定程度上完善成熟,相关的操作系统、中间件、应用软件等都可以基于ARM运行。

  但总的来说,ARM距离x86还很遥远,并没有因为这几年的进步而缩短,x86无法做到ARM的功耗,而ARM也无法做到x86的性能。这是由最基础的设计出发点决定的,intel只要不一直试图用自己的短处和别人的长处去碰(就比如ATOM),ARM能够扬长避短,未来都会有自己的市场。随着移动网络和互联网融合互通日趋明显,ARM发展后台数据中心已经是大势所趋,无论是ARM还是Intel,双方都没有任何退路可言。

  RSIC-V加入战场,是否会一统天下

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  在过去两年间,RISC-V取得了突飞猛进的发展。其在处理器架构领域就像是linux之于PC操作系统,Android之于手机操作系统中一样,独特的开源特性受到了开发者的青睐。无论是国内还是国外,越来越多的企业开始进入这个市场,不少设计在众多领域崭露头角,并获得了越来越多的芯片制造商、工具供应商、大学和代工厂的支持。同时,MIPS技术持有者Wave Computing 在11月9日至12日在线举办的“electronica 2020”中,明确表示,将在MIPS核心中增加RISC-V支持,虽然MIPS已经如明日黄花,但仍然有大量客户,去年甚至有10个亿芯片的出货量。这一切都仿佛预示着RISC-V必将在未来竞争中占据一席之地。

  中国芯片领域有四道难以逾越的关卡:光刻机、EDA软件、晶圆、指令集。而如今随着物联网和RISC-V的崛起,我们看到了解决其中一项卡脖子的希望。2019年国内公司对RISC-V紧密布局,阿里平头哥、芯来和紫光展锐相继推出RISC-V新品,欧洲公司也在虎视眈眈,其他国家如印度也加大了在RISC-V的投入,这股从美国兴起的RISC-V大流愈演愈烈。

  RISC-V就像两国相争下默默发展的小国,某一天突然露出爪牙,试图蚕食王者的土地,那么这突然出现的第三国到底是何方神圣。

  RSIC-V的起源

  RISC-V源于 2010年,当时加州大学伯克利分校的一个研究团队要设计一款CPU,为该项目选架构的时候研究团队对比了当时的ARM、MIPS、SPARC和X86等,发现这些指令集不仅会涉及到专利问题,而且收费昂贵。加上X86基本难以获得授权,ARM授权价格昂贵,所以该研究团队最终决定设计一套全新的指令集。于是成立了一个四人小组,仅用了3个月的时间就完成了RISC-V指令集的开发。该指令集架构是第五代精简指令集,相较于X86和ARM指令集架构,RISC-V在设计过程中充分考虑了小型、快速、低功耗的需求,运行效率大幅提升, 在成本和灵活性上的优势更为明显。参照采用开源模式的linux在PC终端领域的成功,RISC-V架构的特点使其同样具备相对竞争优势。

  RSIC-V的优势

  综合来说,RISC-V有五大主要优点:一是完全开源,这也是其得以发展的主要原因,对指令集的使用,RISC-V基金会不会收取授权费,容许企业添加自由指令集拓展;二是架构简单,RISC-V秉承简单至上的设计美学,为了保持向后的兼容性,arm和x86都保留了许多过时的定义,而RISC-V可以说是站在巨人的肩膀上,借助已经成熟的技术优势,轻装上阵。三是易于移植,RISC-V提供了特权指令和用户指令(感兴趣的可以自行百度),总之是非常方便的将linux和unix移植到RISC-V平台。四是模块化设计,这貌似是很牛的的优点,RISC-V不仅短小精悍,而且拥有模块化的设计,开发者可以根据需要灵活的选择不同组合,实现定制化需求。五是完整的工具链,RISC-V社区提供了完整的工具链,并且RISC-V基金会会持续维护,避免了工具链开发的繁重工作。

  RSIC-V的前景

  RISC-V最大的特点是“开放”,它的开放性允许它可以自由地被用于任何目的、允许任何人设计、制造和销售基于RISC-V的芯片或软件,这种开放性,在处理器领域是彻底的第一次。正如Android系统的成功不仅仅是由于其开源的特性,更离不开智能手机的兴起。从电子产业发展的规律上看,下游终端的兴起必然为上游产业链打开增长空间,在谷歌的推动下,Android系统在发展初期得到了摩托罗拉、三星、HTC、索尼爱立信等众多手机品牌厂商的支持,同时,上游手机芯片厂商和移动运营商也加入Android系统的建设。当前时点,物联网的兴起也将为指令集架构在内的上游产业链提供新的成长土壤:从市场空间层面看,2019年,全球物联网总连接数达到120亿,预计到2025年,全球物联网总连接数将达到246亿,年复合增速约为16%,预计全球物联网收入从2019年的3430亿美元,增长到2025年的1.1万亿美元,复合增速约为27%(数据来源于全球移动通信系统协会的数据);从技术特点层面看,相较于现有架构的通用性要求,物联网更强调灵活性和多样性,这与RISC-V开源、可模块化、可扩展的特性高度契合,RISC-V能够凭借其特性使得物联网行业发挥出灵活、低功耗的特点进而降低成本,这也为物联网的快速兴起创造了有利条件。

  其实RISC-V并非是第一个采用开源模式的指令集架构,RISC-V架构的发展拥有之前的开源指令集所不具备的历史机遇:一是物联网应用兴起,二是半导体国产化进程加速。从产业链上下游的情况来看,我国厂商在芯片IP开发环节、芯片设计环节以及终端品牌和平台环节均已有所布局。上下游主要厂商的布局情况反映了产业链从底层到终端构建RISC-V生态的发展思路,从物联网、AI的兴起和我国芯片设计的自主性需求方面来看,RISC-V具备广阔的发展空间和成为全球主流架构之一的基础。

  芯来科技CEO胡振波表示,从长远来看,RISC-V对中国半导体产业会产生划时代的意义。主要体现在以下5个方面:

  (1) 通过RISC-V架构摆脱国外的垄断,实现处理器内核的国产自主。这种处理器内核不是闭门造车做出来的,而是拥有全世界认可的主流架构和主流生态。

  (2) 通过RISC-V可以极大地加强我国处理器IP话语权。IP产业处于行业最上游,远离其它产业,并没有得到产业和国家的重视。RISC-V给了中国IP产业机会,虽然目前我国在RISC-V上仍然落后,但相对于其它IP技术,落后并不太远。

  (3) RISC-V可以推动创新和差异化。由于RISC-V的开放、简洁、可扩展以及低成本,可以给终端应用市场带来巨大创新。

  (4)RISC-V可以明显降低芯片研发成本。RISC-V的产业链日趋完善,从处理器内核到硬件设计、操作系统、开发工具、基准测试以及解决方案,全产业链具备完整性,使得行业可以均摊一切成本。

  (5)RISC-V的逐渐普及在一定程度上促进了行业本土化的发展,创造了更多行业机会,为产业界和学术界积累大量CPU人才。

  2015年,RISC-V基金会成立,由超过235名成员组成,其中有20家中国机构。它是开放、协作的软件和硬件创新者社区,基金会指导未来发展并推动RISC-VISA广泛应用。RISC-V基金会吸引了大量业内领先的研究机构、硬件厂商、软件厂商。包括中科院计算所等科研机构,高通、英伟达、NXP、三星、中星微电子、华为海思、联发科等半导体厂商,谷歌、IBM等IT公司,西数、希捷量大硬盘厂商,Express Logic等开发工具厂商。

  中国有RISC-V产业和中国开放指令生态(RISC-V)两个联盟,推动RISC-V在中国的发展,10月底笔者有幸见到了RISC-V产业联盟秘书长滕岭女士,以及中国开放指令生态(RISC-V)联盟秘书长包云岗教授,聆听了两位专家对RISC-V产业的介绍,并进行了交流,中国发展RISC-V生态建设符合我国国情,势在必行,未来国内一些列RISC-V相关大赛和项目会陆续兴起,这不仅是中国集成电路发展的福音,也是我们从业者的又一机会,未来RISC-V相关人才也必将是紧缺人才。

  自工业革命以来,科技已成为全球快速发展的中坚力量,科技领域没有绝对的王者,胶卷时代的王者柯达已经倒下,尼康、佳能凭借数码相机后来居上。诺基亚的王国被苹果、三星打的支离破碎。PC时代的门户巨头不得不向移动市场的社交app低头。下一代的物联网正在崛起,是PC端的linux、windows杀出重围,还是移动端的iOS,Android后来居上,亦或是鸿蒙OS脱颖而出。是x86架构霸气仍在,还是ARM借势而上,亦或是RISC-V一统天下呢?让我们拭目以待吧!


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