芯片架構(gòu)混戰(zhàn)：國(guó)產(chǎn)芯片即將換道超車(chē)

“選x86還是選ARM？”這是芯片在設(shè)計(jì)階段之初的首要問(wèn)題之一。

近些年，這個(gè)選項(xiàng)中還增加了一匹黑馬——RISC-V。

我們或許大概了解它們都是芯片架構(gòu)。但這些芯片架構(gòu)到底有什么不同？X86憑何馳騁江湖45年？IC巨頭為何如此青睞ARM？RISC-V又如何了成為中國(guó)最受歡迎的架構(gòu)？

這篇文章就將揭開(kāi)所有問(wèn)題的答案。

指令集架構(gòu)

首先要知道什么是指令集架構(gòu)。

維基百科是這么說(shuō)的：指令集架構(gòu)，主要指的是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中和程序設(shè)計(jì)有關(guān)的部分，包含基本數(shù)據(jù)類(lèi)型、指令集、寄存器、尋址模式、存儲(chǔ)體系、中斷、異常處理、外部I/O等。

如果拆開(kāi)來(lái)看兩個(gè)概念。指令集是指示芯片執(zhí)行某種運(yùn)算、處理功能的命令。

指令是硬件運(yùn)行的最小的功能單位，一臺(tái)計(jì)算機(jī)上全部指令的集合，就是這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，指令系統(tǒng)也稱指令集。

架構(gòu)，即是為了實(shí)現(xiàn)指令集而構(gòu)建出來(lái)的硬件電路。

一部分人將架構(gòu)定義為硬件實(shí)現(xiàn)，另一部分人則認(rèn)為架構(gòu)等同于指令集。一個(gè)指令集可以設(shè)計(jì)出不同的硬件電路，這就是架構(gòu)。

* 這里也要解釋一下指令集（架構(gòu)）和微架構(gòu)并不是同一個(gè)概念。不同的微架構(gòu)可以運(yùn)行同一個(gè)指令集，同一個(gè)指令集也可以通過(guò)不同的微架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

按照慣例，我們用蓋房子做一個(gè)類(lèi)比。

在設(shè)計(jì)建筑圖紙時(shí)，對(duì)于房屋的規(guī)劃需要按照規(guī)定來(lái)，比如房屋高度、房屋結(jié)構(gòu)、防火和疏散等都需要符合建筑規(guī)范。

在芯片設(shè)計(jì)中，指令集架構(gòu)就相當(dāng)于“芯片建筑”規(guī)范。x86、ARM、RISC-V就是不同的規(guī)范類(lèi)型，而不同的規(guī)范也有性能、成本、功耗等方面的差異。

一個(gè)成熟且適用性的架構(gòu)是需要長(zhǎng)年累月的技術(shù)積累才能開(kāi)發(fā)成功，這也是我國(guó)芯片領(lǐng)域卡脖子的一大難題。X86

X86第一次出現(xiàn)是在1978年英特爾發(fā)布的8086微處理器中。一年之后，x86又出現(xiàn)在Intel推出8088微處理器中。

而這臺(tái)8088微處理器，被IBM用來(lái)制作出了全世界第一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）。

PC產(chǎn)業(yè)自此開(kāi)始誕生，x86架構(gòu)也打開(kāi)了一個(gè)新時(shí)代。

在過(guò)往45年的發(fā)展進(jìn)程中，x86的兼容性和處理運(yùn)算能力也在不斷提升。

x86家族橫跨了桌面、服務(wù)器、便攜式電腦，超級(jí)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，曾一度在服務(wù)器市場(chǎng)占有90%的市場(chǎng)份額。

從英特爾的視角看，ARM和RISC-V都算是半路殺出的“程咬金”。不過(guò)即使如此，目前x86依然主導(dǎo)著個(gè)人電腦芯片領(lǐng)域。ARM

ARM架構(gòu)源自于ARM公司的前身——Acorn公司。這個(gè)公司1985年時(shí)開(kāi)發(fā)除了ARM1樣本，1986年開(kāi)始實(shí)際生產(chǎn)32位的ARM2。

1990年正式成立ARM公司，負(fù)責(zé)ARM架構(gòu)的研發(fā)。

ARM公司在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟后，就屢屢受到IC巨頭的青睞。

2016年，日本軟銀集團(tuán)以320億美元收購(gòu)了ARM；2021年，英偉達(dá)擬以600億美元收購(gòu)軟銀旗下ARM（最后宣告失?。?022年，韓國(guó)SK海力士擬聯(lián)合收購(gòu)ARM，最終宣布放棄。

和英特爾不同，ARM并不涉足生產(chǎn)或銷(xiāo)售CPU的業(yè)務(wù)。ARM采用的是授權(quán)處理器架構(gòu)給第三方的商業(yè)策略，目前ARM的授權(quán)權(quán)限分為三個(gè)等級(jí)：

· 使用層級(jí)授權(quán)：使用封裝好的ARM芯片，但不能進(jìn)行任何修改。

· 內(nèi)核層級(jí)授權(quán)：可基于購(gòu)買(mǎi)的ARM內(nèi)核進(jìn)行芯片開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，有一定的自主研發(fā)權(quán)。

· 架構(gòu)層級(jí)授權(quán)：可以對(duì)ARM架構(gòu)進(jìn)行改造，甚至對(duì)ARM指令集進(jìn)行擴(kuò)展或縮減。

以前研發(fā)架構(gòu)大多都是自用，ARM的這種IP授權(quán)方式反而打開(kāi)了市場(chǎng)并幫助ARM在移動(dòng)端站穩(wěn)了腳跟，吸引了高通、華為、蘋(píng)果在內(nèi)的一眾客戶。

目前，ARM基本已經(jīng)主導(dǎo)了當(dāng)前的智能手機(jī)和移動(dòng)終端的芯片市場(chǎng)。

RISC-V

過(guò)往20多年中，x86和ARM一直都處于雙雄爭(zhēng)霸的格局。自從2010年RISC-V誕生之后，指令集架構(gòu)領(lǐng)域就逐漸呈現(xiàn)出了三足鼎立的趨勢(shì)。

RISC-V之所以能夠迅速崛起，離不開(kāi)它開(kāi)源、成本低、可復(fù)用IP、能夠縮短研發(fā)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。

憑借這些優(yōu)點(diǎn)，RISC-V基金會(huì)吸引了高通、英偉達(dá)、恩智浦、三星、美光、華為海思、平頭哥、聯(lián)發(fā)科、谷歌、IBM，乃至競(jìng)品英特爾在內(nèi)的一眾IC企業(yè)。

去年年末，RISC-V國(guó)際基金會(huì)宣布：市場(chǎng)上已經(jīng)有超過(guò)100億顆RISC-V核。這100 億顆出貨的 RISC-V 核中，有一半來(lái)自中國(guó)市場(chǎng)。

中國(guó)工程院院士倪光南也在今年的玄鐵 RISC-V 生態(tài)大會(huì)上表示：

“今天 RISC-V 是中國(guó) CPU 領(lǐng)域最受歡迎的架構(gòu)，中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)和整個(gè)芯片生態(tài)將會(huì)越來(lái)越多地聚焦于 RISC-V 架構(gòu)，中國(guó)的巨大市場(chǎng)將成為支撐 RISC-V 的重要基地?！?/strong>