x86與ARM的王者對決,RISC-V能否迎來自己的春天

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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「一場發佈會拆成三場發」的蘋果秋季第三場線上新品發佈會。發佈了三款MAC產品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,這次發佈會蘋果沒有預熱,上來就是重頭戲,全新的自研ARM架構晶片M1,這也是蘋果第一次在自家MAC上放棄了英特爾處理器。M1晶片採用了業界領先的的5nm工藝,擁有160億個電晶體,而且這是一個完整的Soc晶片。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剛出晶片,蘋果說的就是你AMD吧。AMD鬱悶的說,大哥,人家說的筆記本晶片,我覺著說的是你。

x86與ARM的王者對決,RISC-V能否迎來自己的春天

稍微瞭解CPU的人應該知道,在PC和伺服器市場,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戰競逐AIoT處理器晶片市場時,蘋果卻殺了個回馬槍,在PC端放棄了霸主級別的x86而去採用在PC端並不成熟的ARM。憤青們在一邊發出了「怒吼」,這讓我們怎麼拿著蘋果電腦裝盜版win10系統呢。只能感嘆!哎,真羨慕你們用聯想電腦的,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、續航提升了6小時達到18小時,但是連win10系統都不能用。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,蘋果整個生態鏈中唯一沒有打通的就是MAC產品,基於其一貫的商業邏輯,實現供應鏈的高度掌控,如果MAC產品也是用ARM晶片,那麼iOS及其上的APP便可以和MAC產品無縫銜接。這樣一來,就避免了CPU上被英特爾分去一杯羹,在CPU、OS全部自己掌握後,蘋果可以藉此繼續獲取高額利潤。

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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的一套指令的集合,在CPU設計之初就規定了一系列與其他硬體電路相匹配的指令系統。指令的好壞與CPU的性能密切相關。指令集可以分為複雜指令集(CISC: Complex Instruction Set
Computing)和精簡指令集(RISC: Reduced Instruction Set ComputingRISC)。目前市場上主流的晶片架構有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。

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如果把CPU看做一個人,首先他要有正常的工作能力(執行能力),足夠的邏輯能力(明白做什麼事情),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成了「架構」。x86和ARM架構的最大區別,在於設計者考慮問題的方式不同。比如,我們要命令一個人結婚,那麼我們該怎麼做呢。我們可以直接下達「結婚」的命令(CISC),也可以命令他「兩人約好時間、去民政局、結婚登記、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練,掌握複雜的技能如「結婚」(即在硬體中實現複雜功能),那麼以後就可以用非常簡單的命令去做複雜的事情,比如下達命令「結婚」他就去結婚,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複雜,比如你突然想讓他離婚怎麼辦,難道還要重新訓練離婚嗎(這樣硬體越來越大、只能通過更低的納米工藝實現)。我們為什麼不能把每一步分開,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婚登記改成離婚登記即可。

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x86 VS ARM兩大主戰場,硝煙瀰漫

如前所述,x86和ARM分別占據了PC市場和移動市場,他們的地位不言而喻,而MIPS架構由於自誕生時佈局一直不順,至今已經衰落,雖然仍然有大量客戶,但給人一種躺屍的感覺,幾乎沒有扭轉乾坤的可能。如今的天下基本只剩下x86和ARM,關於這兩者誰將統一市場的爭執一直都有,雙方你來我往,互不相讓。

x86與ARM的王者對決,RISC-V能否迎來自己的春天

x86和arm兩者分別是CISC和RISC的代表,前者更加專注於高性能同時高功耗的實現,後者則專注於小尺寸低功耗領域。僅從指令集出發,兩者都有各自適應的場景,比如在執行高密度運算時CISC就更具備優勢,而在執行簡單複雜勞動的時候RISC就更得心應手。

簡單的說,CISC是以增加處理器本身複雜度作為代價,去換取高性能,而RISC則是將複雜度交給了編譯器,犧牲了程序大小和指令寬度,換取了簡單和低功耗的硬體實現。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所需記憶體也越來越大。還是以結婚命令為例,如果我們要一群人去結婚,CISC只需要喊「結婚、結婚、結婚……」就行了,而RISC則要一直喊整個結婚的流程,如果喊得不夠快(相當於記憶體小),就很難勝過CISC,但是如果我們只需要去民政局,那麼RISC只需要喊一個簡單的命令即可,而CISC卻沒有這麼簡單的命令,實現起來就變得麻煩了。

x86從1978年發展至今已經有40多年的歷史,經歷了市場的風雲變幻,依然是伺服器和PC市場的領導者,奔騰(Pentium)、酷睿(Core)、銳龍(Ryzen,AMD推出)一個個耳熟能詳的名字,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架構的處理器依然運行在我們的電腦上。由Intel及微軟構建的Wintel聯盟生態已經近乎完善,相關的應用、配套軟體、軟體開發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勢。製造工藝上ARM和Intel處理器的一大區別是ARM從來只是設計低功耗處理器,Intel的強項是設計超高性能的台式機和伺服器處理器。

x86與ARM的王者對決,RISC-V能否迎來自己的春天

在PC領域,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,最大的特點在於節能。ARM架構之所以能夠在移動手機端占據優勢,主要由於以下3個原因:

(1)移動端需要低功耗滿足一直沒什麼進步的電池。ARM架構在滿足嵌入式或移動端數據處理要求的同時,相比X86能耗與熱量更低,更適用於依靠電池提供電力的應用終端。

(2)ARM授權相對容易。目前世界上擁有X86授權的企業只有三家,分別是Intel、AMD和VIA三家企業,其中Intel和AMD擁有X86的永久授權。為什麼intel不會授權自己的IP給其他廠商,比如蘋果?三星?因為授權設計收入遠沒有最終的產品收入高。而ARM只做底層ISA的設計,包括指令集架構、微處理器、圖形核心、互連架構等,被授權方可以根據自身所需功能,要求ARM提供合適的開發工具,在此基礎上進行優化擴展。這使得蘋果、三星、高通、聯發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計晶片,建立自身的產品線。ARM的授權收費方式為一次性技術授權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架構能夠完全支持移動手機端Android及iOS兩大主導系統。基於以上原因,ARM架構形成了極高的壁壘,幾乎壟斷整個移動端晶片市場,市場份額超過90%。

x86與ARM的王者對決,RISC-V能否迎來自己的春天

ARM當前的處理器產品中Cortex為主流系列,其中Cortex-A系列處理器適用於具有高計算要求、運行豐富作業系統以及提供交互媒體和圖形體驗的應用領域。早在數年前,ARM就希望在伺服器市場有所作為,但幾乎無合作廠商實現重大突破,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業務。2019年,ARM在此嘗試攻占伺服器市場。隨後,華為發佈首款基於ARM架構的伺服器晶片——鯤鵬920,亞馬遜AWS、Marvell、Ampere等也陸續推出了基於ARM架構設計出的伺服器晶片產品。經過近些年的發展,ARM架構的綜合能力逐步接近高端數據中心的性能要求,其生態系統也一定程度上完善成熟,相關的作業系統、中間件、應用軟體等都可以基於ARM運行。

但總的來說,ARM距離x86還很遙遠,並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。這是由最基礎的設計出發點決定的,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。隨著行動網路和網際網路融合互通日趨明顯,ARM發展後台數據中心已經是大勢所趨,無論是ARM還是Intel,雙方都沒有任何退路可言。

RSIC-V加入戰場,是否會一統天下

x86與ARM的王者對決,RISC-V能否迎來自己的春天

在過去兩年間,RISC-V取得了突飛猛進的發展。其在處理器架構領域就像是linux之於PC作業系統,Android之於手機作業系統中一樣,獨特的開源特性受到了開發者的青睞。無論是國內還是國外,越來越多的企業開始進入這個市場,不少設計在眾多領域嶄露頭角,並獲得了越來越多的晶片製造商、工具供應商、大學和代工廠的支持。同時,MIPS技術持有者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已經如明日黃花,但仍然有大量客戶,去年甚至有10個億晶片的出貨量。這一切都仿佛預示著RISC-V必將在未來競爭中占據一席之地。

中國晶片領域有四道難以踰越的關卡:光刻機、EDA軟體、晶圓、指令集。而如今隨著物聯網和RISC-V的崛起,我們看到瞭解決其中一項卡脖子的希望。2019年國內公司對RISC-V緊密佈局,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展的小國,某一天突然露出爪牙,試圖蠶食王者的土地,那麼這突然出現的第三國到底是何方神聖。

RSIC-V的起源

RISC-V源於
2010年,當時加州大學伯克利分校的一個研究團隊要設計一款CPU,為該項目選架構的時候研究團隊對比了當時的ARM、MIPS、SPARC和X86等,發現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,ARM授權價格昂貴,所以該研究團隊最終決定設計一套全新的指令集。於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。該指令集架構是第五代精簡指令集,相較於X86和ARM指令集架構,RISC-V在設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勢更為明顯。參照採用開源模式的linux在PC終端領域的成功,RISC-V架構的特點使其同樣具備相對競爭優勢。

RSIC-V的優勢

綜合來說,RISC-V有五大主要優點:一是完全開源,這也是其得以發展的主要原因,對指令集的使用,RISC-V基金會不會收取授權費,容許企業添加自由指令集拓展;二是架構簡單,RISC-V秉承簡單至上的設計美學,為了保持向後的兼容性,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,藉助已經成熟的技術優勢,輕裝上陣。三是易於移植,RISC-V提供了特權指令和用戶指令(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平台。四是模塊化設計,這貌似是很牛的的優點,RISC-V不僅短小精悍,而且擁有模塊化的設計,開發者可以根據需要靈活的選擇不同組合,實現定製化需求。五是完整的工具鏈,RISC-V社區提供了完整的工具鏈,並且RISC-V基金會會持續維護,避免了工具鏈開發的繁重工作。

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於任何目的、允許任何人設計、製造和銷售基於RISC-V的晶片或軟體,這種開放性,在處理器領域是徹底的第一次。正如Android系統的成功不僅僅是由於其開源的特性,更離不開智慧型手機的興起。從電子產業發展的規律上看,下游終端的興起必然為上游產業鏈打開增長空間,在谷歌的推動下,Android系統在發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,上游手機晶片廠商和移動運營商也加入Android系統的建設。當前時點,物聯網的興起也將為指令集架構在內的上游產業鏈提供新的成長土壤:從市場空間層面看,2019年,全球物聯網總連接數達到120億,預計到2025年,全球物聯網總連接數將達到246億,年複合增速約為16%,預計全球物聯網收入從2019年的3430億美元,增長到2025年的1.1萬億美元,複合增速約為27%(數據來源於全球移動通信系統協會的數據);從技術特點層面看,相較於現有架構的通用性要求,物聯網更強調靈活性和多樣性,這與RISC-V開源、可模塊化、可擴展的特性高度契合,RISC-V能夠憑藉其特性使得物聯網行業發揮出靈活、低功耗的特點進而降低成本,這也為物聯網的快速興起創造了有利條件。

其實RISC-V並非是第一個採用開源模式的指令集架構,RISC-V架構的發展擁有之前的開源指令集所不具備的歷史機遇:一是物聯網應用興起,二是半導體國產化進程加速。從產業鏈上下游的情況來看,我國廠商在晶片IP開發環節、晶片設計環節以及終端品牌和平台環節均已有所佈局。上下游主要廠商的佈局情況反映了產業鏈從底層到終端構建RISC-V生態的發展思路,從物聯網、AI的興起和我國晶片設計的自主性需求方面來看,RISC-V具備廣闊的發展空間和成為全球主流架構之一的基礎。

芯來科技CEO胡振波表示,從長遠來看,RISC-V對中國半導體產業會產生劃時代的意義。主要體現在以下5個方面:

(1) 通過RISC-V架構擺脫國外的壟斷,實現處理器內核的國產自主。這種處理器內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和主流生態。

(2) 通過RISC-V可以極大地加強我國處理器IP話語權。IP產業處於行業最上游,遠離其它產業,並沒有得到產業和國家的重視。RISC-V給了中國IP產業機會,雖然目前我國在RISC-V上仍然落後,但相對於其它IP技術,落後並不太遠。

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

(4)RISC-V可以明顯降低晶片研發成本。RISC-V的產業鏈日趨完善,從處理器內核到硬體設計、作業系統、開發工具、基準測試以及解決方案,全產業鏈具備完整性,使得行業可以均攤一切成本。

(5)RISC-V的逐漸普及在一定程度上促進了行業本土化的發展,創造了更多行業機會,為產業界和學術界積累大量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。它是開放、協作的軟體和硬體創新者社區,基金會指導未來發展並推動RISC-VISA廣泛應用。RISC-V基金會吸引了大量業內領先的研究機構、硬體廠商、軟體廠商。包括中科院計算所等科研機構,高通、英偉達、NXP、三星、中星微電子、華為海思、聯發科等半導體廠商,谷歌、IBM等IT公司,西數、希捷量大硬碟廠商,Express
Logic等開發工具廠商。

中國有RISC-V產業和中國開放指令生態(RISC-V)兩個聯盟,推動RISC-V在中國的發展,10月底筆者有幸見到了RISC-V產業聯盟秘書長滕嶺女士,以及中國開放指令生態(RISC-V)聯盟秘書長包雲崗教授,聆聽了兩位專家對RISC-V產業的介紹,並進行了交流,中國發展RISC-V生態建設符合我國國情,勢在必行,未來國內一些列RISC-V相關大賽和項目會陸續興起,這不僅是中國集成電路發展的福音,也是我們從業者的又一機會,未來RISC-V相關人才也必將是緊缺人才。

自工業革命以來,科技已成為全球快速發展的中堅力量,科技領域沒有絕對的王者,膠捲時代的王者柯達已經倒下,尼康、佳能憑藉數位相機後來居上。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。下一代的物聯網正在崛起,是PC端的linux、windows殺出重圍,還是移動端的iOS,Android後來居上,亦或是鴻蒙OS脫穎而出。是x86架構霸氣仍在,還是ARM借勢而上,亦或是RISC-V一統天下呢?讓我們拭目以待吧!

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