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          挑戰X86、ARM架構,RISC-V能否成為中國物聯網時代趕超歐美的希望

          張偉超
          2019-12-13 · 14:22
          [ 億歐導讀 ] 芯片行業落后三四十年的中國,能否借RISC-V發展契機直擊行業“金字塔尖”,絕地求生。
          芯片,英特爾,ARM,AMD,x86,ARM架構,RISC-V,芯片,開源芯片

          作者:張偉超,圖片來自“123RF”

          芯片行業落后三四十年的中國,能否借RISC-V發展契機直擊行業“金字塔尖”,絕地求生。 

          近日,由海淀區政府、北京市科委、北京微芯邊緣計算研究院共同發起,中關村科學城開源芯片源碼創新中心成立。創新中心將推動芯片設計領域全球標準創建,建設國際開源平臺,提升我國芯片設計硬實力和自主可控核心能力。 

          眾所周知,芯片的架構設計一直被譽為芯片行業的“金字塔尖”,難度巨大,且一直被國外壟斷。 

          此次,中關村科學城開源芯片源碼創新中心的成立,旨在搶抓RISC-V芯片生態發展機遇期,構建RISC-V芯片創新生態,打造我國自己的芯片和架構。  

          多年來,ARM公司主導的ARM架構、與英特爾主導的X86架構是全球芯片領域的主流架構。隨著人工智能等前沿科技發展,這些老牌的主流架構開始面臨眾多挑戰,不少科技巨頭紛紛轉向RISC-V架構。RISC-V因其靈活、精簡、開源等特性,成為全球芯片領域備受關注的架構,也被視為中國芯的“新機遇”。 

          全球芯片領域主流架構“兩極爭霸”的局面或許將會變為“三足鼎立”的新篇章。 

          RISC-V突圍的故事,還是要從兩大巨頭如何形成開始說起。 

          初代芯片王朝的崛起 

          學過半導體的人都知道一句話,CPU的發展史簡單來說就是Intel公司的發展歷史。從1971年,Intel推出了世界上第一款微處理器至今,CPU的發展已經有近五十多年的歷史。而Intel在CPU發展前進的每一步上都留下了濃墨重彩的一筆。 

          1968年,戈登·摩爾和羅伯特·諾伊斯在硅谷創辦了Intel公司。戈登·摩爾,正是大家所熟知的“摩爾定律”的提出者。 

          1971年,世界上第一塊微處理器4004在Intel公司誕生了,片內集成了2250個晶體管,晶體管之間的距離是10微米,能夠處理4bit的數據,每秒運算6萬次,頻率為108KHZ,前端總線為0.74MHz (4bit)。 

          圖為:Intel 4004芯片

          沒有微處理器,個人計算機就不可能出現,而沒有個人計算機,就不可能有后來的互聯網革命??梢哉f,微處理器的出現,改變了整個世界。 

          1978年6月8日,Intel生產出了世界上第一款16位的微處理器并命名為“i8086”。

          i8086的出現也同時開創了一個新時代:X86架構誕生了,它定義了芯片的基本使用規則。 

          圖為:Intel 8086芯片

          X86架構指的是CPU執行的一些計算機語言指令集,由于Intel從8086開始,此后升級的每一代芯片(例如80186、80286等)都用的同一種CPU架構,所以人們將這些指令集統一稱之為X86指令集,也就是所說的X86架構。 

          1981年使用X86架構的8088芯片首次用于IBM PC機中,開創了全新的微機時代,也就是大家熟知的個人PC時代。 

          1993年,Intel推出了奔騰處理器Pentium。Pentium是x86系列一大革新。其中晶體管數大幅提高、增強了浮點運算功能、并把十年未變的工作電壓降至3.3V。這樣不僅可以大幅減少功耗,也讓性能有了新的突破。 

          奔騰處理器的誕生,讓Intel公司甩掉了只會做低性能處理器的帽子,其運行速度達到工作站處理器的水平。Intel一舉超過所有日本半導體公司,坐上了半導體行業的頭把交椅。 

          此后,以Intel、AMD等公司為代表的X86架構芯片便橫掃世界,統治了個人PC與服務器時代,書寫著王朝的史詩。 

          王朝演替,各據半壁江山 

          技術決定能否提供需求,而需求也決定了技術發展的方向。 

          隨著移動互聯網時代的到來,人們對電腦等大型設備需求降低,對手機等移動設備需求顯著提升,在這個需求變革契機,另一巨頭ARM顯現出來,開啟了自己的傳奇。 

          1981年,電子設備設計和制造公司Acorn迎來了一個難得的機遇,英國廣播公司BBC打算在整個英國播放一套提高電腦普及水平的節目,他們希望Acorn公司能生產一款與之配套的電腦。 

          接下這個任務之后,Acorn公司就開始干了起來。很快他們就發現,自己產品的硬件設計并不能滿足需求。當時CPU的發展潮流,正在從8位變成16位,性能正在大幅提升。Acorn自己并不能制造生產芯片,他們只能去尋找其他廠商合適的芯片。 

          一開始,他們打算使用美國國家半導體和摩托羅拉公司的16位芯片。但是,經過評估后,他們發現了兩個缺陷:第一,芯片的執行速度有點慢,中斷的響應時間太長。第二,售價太貴,一臺500英鎊的電腦,處理器芯片就占到100英鎊。 

          于是他們打算去找當時如日中天的Intel,希望對方提供當時代表最先進技術的80286處理器的設計資料和樣品,但是,卻遭到了拒絕。無奈下Acorn公司只能自己造芯片。 

          經過多年的奮斗,Acorn最終完成了CPU的設計。對于這塊芯片,Acorn給它命名為Acorn RISC Machine。這也就是這就是大名鼎鼎的“ARM”三個字母的由來。后來的ARM架構,指的也是設計這款芯片時采用的架構。 

          圖為:ARM公司商標

          1985年,Acorn研發出來的第一款處理器芯片的型號,被定為 ARM1。但是,就在同一年,1985年10月,英特爾發布了80386。在80386面前,ARM1顯得弱小不堪。在ARM1之后,Acorn陸續推出了好幾個系列,例如ARM2,ARM3。 

          1990年,Acorn公司正式改組為ARM計算機公司——Advanced RISC Machines(雖然縮寫相同,但ARM芯片是Acorn RISC Machine的縮寫)。ARM公司是Acorn、蘋果、諾基亞、VLSI、Technology等公司的合資企業。 

          雖然Intel持續邁向X86高效能設計,而ARM則專注于低成本、低功耗的研發方向。兩者看似有著不同的方向,但在Intel強大的統治下,ARM并不好過。 

          在這個情況下,ARM決定改變他們的產品策略,他們不再生產芯片,轉而以IP授權的商業模式,將芯片設計方案轉讓給其他公司。簡單來說就是,ARM不再像Intel一樣,一顆芯片的設計、制作、封裝都由自己來完成,它相當于出售自己的“設計圖紙”,剩下的由購買方自己去完成。 

          沒想到正是這種模式,開創了屬于ARM的全新時代。

          1991年,ARM將產品授權給英國GEC Plessey半導體公司。 

          1993年,ARM將產品授權給Cirrus Logic和德州儀器(Texas Instruments,TI)。

          與德州儀器的合作,給ARM公司帶來了重要的突破。而且,也給ARM公司樹立了聲譽,證實了授權模式的可行性。 

          此后,越來越多的公司參與到這種授權模式中,與ARM建立了合作關系。其中就包括三星、夏普等公司。 

          因為手機不需要像電腦那樣強大的性能,它們更需要便捷性與低功耗,所以手機廠商不需要X86架構那樣強大的性能,因此大量使用ARM架構去設計,隨著移動手機井噴式的增長,ARM架構也隨之水漲船高。 

          2007年,真正的劃時代產品出現了。那就是iPhone。 

          蘋果iPhone的出現,徹底顛覆了移動電話的設計,開啟了全新的時代。第一代iPhone,使用了ARM設計、三星制造的芯片。 

          iphone的熱銷,App Store的迅速崛起,讓全球移動應用徹底綁定在ARM指令集上。緊接著,2008年,谷歌推出了Android(安卓)系統,也是基于ARM指令集。 

          至此,智能手機進入了飛速發展階段,ARM也因此奠定了在智能手機市場的霸主地位。

          2011年,就連傳統Wintel聯盟(windows+intel)的微軟,也宣布Windows8平臺將正式支持ARM架構處理器。這是計算機工業發展歷史上的一件大事,標志著X86架構處理器的主導地位發生動搖,也標志著ARM架構處理器正式成為另一新的巨頭。  

          巨頭弊端顯現,夾縫中殺出的RISC-V 

          兩大巨頭,一個演繹著PC時代的神話,一個在移動互聯網時代稱霸。兩種不同架構各有側重。可以說是優勢互補、無法替代的關系。 

          而在下一個時代,物聯網的時代,他們是否還能繼續穩穩坐在第一的位置上? 

          CISC(復雜指令集)和RISC(精簡指令集)是當前CPU的兩種架構分別采用的指令集。X86架構采用CISC,ARM架構采用RISC。 

          從性能上看,X86架構的芯片,無論如何都比ARM架構的芯片在更快、更強。

          X86架構的CPU運行起來,隨便就是1G以上的運行內存,并可以采用雙核、四核等模式來加強性能,通常使用45nm(甚至更高級)制程的工藝進行生產。而ARM架構方面:CPU通常是幾百兆的運行內存,最近才出現1G左右的CPU,制程通常使用不到65nm制程的工藝。 

          可以說,在性能和生產工藝方面ARM架構根本不是X86架構的對手。 
          但ARM架構的優勢不在于性能強大而在于效率,ARM架構采用RISC流水線指令集,在完成綜合性工作方面處于劣勢,但在一些任務相對固定的應用場合其優勢就能發揮得淋漓盡致。  

          從拓展能力來看,X86架構的設備采用“橋”的方式與擴展設備,如硬盤、內存等,進行連接,而且X86架構的設備出現了近30年,其配套擴展的設備種類多、價格也比較便宜,所以X86架構的電腦能很容易進行性能擴展,如增加內存、硬盤等。 

          ARM架構的設備是通過專用的數據接口使CPU與數據存儲設備進行連接,所以ARM的存儲、內存等性能擴展難以進行,一般在產品設計時已經定好其內存及數據存儲的容量,所以采用ARM架構的系統,一般不考慮擴展?;痉钚小皦蛴镁秃谩薄钡脑瓌t。 

          從功耗來看,高功耗導致了一系列X86架構無法解決的問題出現:系統的續航能力弱、體積無法縮小、穩定性差、對使用環境要求高等問題。從這里我們可以發現X86架構與ARM架構是在兩個完全不同領域方面的應用,它們之間根本不存在替換性。 

          在服務器、工作站以及其他高性能運算等應用方面,可以不考慮功耗和使用環境等條件,這時X86架構占了絕對優勢;但受功耗、環境等條件制約且工作任務固定的情況下ARM架構就占有很大的優勢,在手持式移動終端領域,X86架構的功耗更使其毫無用武之地。  

          相比于X86架構和ARM架構,RISC-V架構顯得有點名不見經傳。 

          RISC-V,一般念做:riskfive。V,就是羅馬數字5。 

          很多人提到RISC-V,都會說它是開源芯片。其實這種說法不是很準確。準確來說,RISC-V是一個基于“RISC(精簡指令集)”原則的開源指令集架構,是RISC架構的子集。 

          既然是RISC架構的子集,那么它為什么敢挑戰兩大架構的地位?

          其實這與芯片行業目前的格局與發展方向有關。 

          現如今,隨著5G、物聯網、人工智能等技術的蓬勃發展,越來越多的企業希望生產和制造服務于各個垂直行業的終端和模組。 

          但X86架構一直是Intel和AMD兩家公司掌握的封閉性技術,沒有明確的知識產權授權模式。而ARM架構則需要上億高昂的授權費用。這都使得中小企業、創新企業望而卻步。 

          這時,RISC-V出現在了人們的視野。RISC-V基于小型、快速、低功耗等現實情況設計,而且其設計者也并沒有對特定的微架構進行過度的設計,恰巧可以滿足物聯網時代傳感器:低性能,結構簡單,低功耗的需求。  

          突圍成功還是失敗 

          RISC-V的眾多優點是可以看得到的,RISC-V架構采用的開源方式,其指令集可以自由地用于任何目的,允許任何人設計、制造和銷售RISC-V芯片和軟件而不必支付給任何公司專利費。 

          雖然這不是第一個開源指令集,但它具有重要的意義:RISC-V的設計可以完全適用于現代計算設備(如倉庫規模云計算機、高端移動電話和微小嵌入式系統);設計者考慮了不同用途的性能與功率效率;RISC-V還擁有眾多支持軟件,這解決了新指令集通常的弱點。 

          中國工程院院士倪光南多次在公開演講中表示,RISC-V的優勢,在于其包含了CPU發展過程中優秀的創新點,在技術上非常完備。因為“年輕”,它不僅非常精簡,而且沒有所謂的“歷史包袱”。比如,一個技術手冊,由于ARM和英特爾都需要與自己的上一代產品兼容,可能需要2000多頁,而RISC-V卻只需要幾百頁。 

          但倪光南院士也給出幾點警示,對于移動端和 PC 端市場而言,RISC-V 的生態遠未成熟到與英特爾、ARM 等“王朝元老”相匹敵的地步。 

          首先RISC-V架構開源規則本身有一定的局限性。RISC-V強調完全開源的設計,并且讓取用者可任意加上專屬指令集,甚至可以自由選擇將架構封閉還是維持開源。這樣就導致了 RISC-V架構可能出現,雖然擁有更多的指令集,卻無法共用的問題。 

          當各個公司做出具有本身公司特色的芯片時,如果他們選擇將自己的專屬指令集保密,那么若干年后,很可能出現芯片互不兼容的情況,而這樣的碎片化問題往往是不利于產業發展的。 

          就像Android(安卓)系統本身是一個開源的系統,但經過華為、小米、OPPO等廠商各自開發成自己的系統之后,就變得不在互相兼容了,這也是RISC-V架構開源規則本身的局限性。 

          此外,RISC-V架構生態欠缺。目前,英特爾推動的x86架構市場依舊龐大,幾乎從傳統PC 到數據中心規模的服務器都在使用基于x86架構的處理器,同時相關軟件帶動的應用服務也有長達40年的優化發展歷史。 

          對于ARM架構已產生的龐大市場應用規模,RISC-V架構更加難以取代,而且ARM的IP授權模式已經趨于完善,盡管授權費用高昂,但各大廠商依舊樂此不疲,例如我國華為海思、展訊、中興、全志等芯片皆是采用ARM架構。 

          雖然RISC-V架構剛剛起步,還面臨著眾多不確定性,但從1958年集成電路發明以來,我們也看到了整個產業發生了多次的變遷,無論是市場的轉變,還是技術的創新,行業一直在帶給我們驚喜。 

          RISC-V架構具有簡單和靈活的特性,非常適合部署到物聯網、控制器、數據中心的專用芯片和邊緣計算等應用場景,具有廣大前景。未來,希望具備“得天獨厚”優勢的 RISC-V能隨著我國物聯網的先發優勢而大放異彩,成為趕超歐美的新動力。

          本文經授權發布,版權歸原作者所有;內容為作者獨立觀點,不代表億歐立場。如需轉載請聯系原作者。

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