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RISC架构迎来PC市场好时光?

发布时间:2022-06-17 13:56        来源:电子信息产业网        作者:张心怡

近期,苹果正式发布新款Mac自研芯片M2。M2采用第二代5nm工艺,号称性能是“最新10核PC笔记本电脑芯片”的1.9倍。苹果Mac芯片曾经在CISC(复杂指令集)架构和RISC(精简指令集)架构之间“反复横跳”,最终与其为手机研发的A系列处理器殊途同归,走上了基于ARM——RISC阵营代表性架构的芯片自研道路。

Mercury Research数据显示,2022年第一季度基于ARM处理器的PC客户端市场份额达到11.3%,同比增加5.4%,主要驱动力来自苹果Mac电脑。

CISC与RISC的风云变幻

苹果的联合创始人史蒂夫·乔布斯是一位不折不扣的完美主义者,不仅追求看得见的完美——比如漂亮简洁的外观和友好清晰的用户界面,也对“看不见”的完美一丝不苟——比如电路板上的元器件是否布局合理、排列整齐。处理器作为PC的核心元器件,自然不会逃过乔布斯的法眼。在处理器的选择上,苹果电脑曾在CISC和RISC阵营反复,其背后也映射出两个指令集芯片阵营的起伏变化。

如今的CISC架构是x86的天下,也是英特尔和AMD的战场。但在20世纪80年代,与英特尔在CISC芯片展开竞争的是无线通信巨头摩托罗拉,后者的68000芯片系列拥有比英特尔同期的8086芯片更高的地址总线宽度,能够管理和使用更大容量的内存。虽然英特尔率先搭载到IBM PC这款具有划时代意义的产品上,但摩托罗拉在逐步降低68000芯片的生产成本后,也成功将这款芯片通过多用户微型机、工作站等产品引入了PC市场,并被苹果的Lisa、Macintosh 128K等机型搭载。

20世纪80年代,精简指令集RISC的出现令计算机产业界眼前一亮,并迅速催生了IBM Power、ARM、MIPS、SPARC等一系列基于RISC的芯片架构,一度形成了对CISC阵营顶梁柱英特尔x86的“围剿”局面。面对声势浩大的RISC,英特尔也小试牛刀,于1989年推出了RISC处理器i860(即80860),并在超算和工作站市场进行推广应用。但市场对于英特尔这款RISC处理器反响平平,英特尔也在20世纪90年代中期停止了该项目的开发,自此专注于CISC架构。

此时的苹果也对RISC抱有乐观的预期,并将其视为制衡Wintel联盟的机会。1991年,苹果与IBM、摩托罗拉组建了技术联盟AIM,目标是推出基于IBM Power的计算平台。同年,AIM推出了RISC指令集架构Power PC。从1994年到2005年,Power PC处理器一直是苹果电脑的主力芯片。

虽然RISC从出生起就备受期待,但RISC阵营各自为战、力量零散,而Wintel联盟已经能够以销量保障研发经费的持续投入,加上英特尔作为摩尔定律的提出者和一家包含设计、制造、封装的IDM公司,能够更有力、更稳定地推动芯片性能的迭代。

在这种趋势下,乔布斯心中的天平开始偏向英特尔的芯片。2005年,苹果正式宣布与英特尔合作,从使用10年的Power PC平台转向了英特尔平台。

这一段合作关系,持续了15年。在此期间,苹果基于ARM架构的A系列自研SoC在手机市场大获成功,与自研操作系统iOS形成了软硬件的一体化闭环,再次展现了苹果对于产品强烈的“控制欲”。而2020年7月,英特尔在投资者电话会议中表示,7nm技术进度出现延迟。

在强烈的闭环导向和供应商进度不及预期等因素的作用下,苹果的自研血脉再度觉醒。2020年11月,苹果首款基于ARM架构的自研Mac芯片M1正式亮相,采用5nm制程,集成了160亿个晶体管,并实现了业界领先的每瓦性能。

乔布斯孜孜不倦追求的硬件与软件完美闭环的Mac电脑,在此刻成为现实。

ARM架构回归PC市场

虽然RISC架构曾在与CISC争夺PC芯片市场的过程中铩羽而归,却在后PC时代崛起的嵌入式系统中开疆拓土,全球超过95%的手机和平板电脑都采用了基于ARM架构的芯片。

ARM在移动市场的成功,既归功于它主打适合移动设备的低功耗、高效能、小体积优势,也得益于开放的IP授权模式。IP是芯片设计进一步分工的产物,设计公司不必设计芯片的所有功能和细节,可以通过购买IP实现特定功能,从而缩短了设计周期。ARM的授权模式,一方面简化了芯片设计,另一方面也让ARM不直接参与芯片制造,避免了与芯片制造厂商竞争,进而能够与所有的芯片制造厂商做生意。

由于长期在移动芯片和物联网芯片领域耕耘,加上ARM所属的RISC阵营主打指令条目更少、指令长短固定的“精简”优势,业界对于ARM也形成了“功耗更优”的印象,并与x86的“性能更优”区别开来。苹果Mac转向ARM架构,不啻为对这种固定印象的一次“摇撼”。

可以说,ARM架构通过Mac重新在PC芯片市场占有份额,其核心是软硬件生态的优势。

在硬件方面,独立代工厂商的兴起,使制程不再是英特尔独有的护城河,芯片设计厂商可以通过台积电、三星加工出同等甚至更先进工艺的ARM芯片。

“英特尔曾经在工艺方面保持着对其他公司压倒性的代差优势,使x86芯片拥有很强的竞争力。随着摩尔定律的发展,台积电等中立Foundry的崛起,工艺级别不再是英特尔的独门秘器,CPU仅需比拼微架构水平,那么使用x86架构可以做出高性能的CPU Core,使用ARM架构亦可,理论上任何指令集架构都可以做出高性能的CPU Core。”国内RISC-V IP企业芯来科技创始人胡振波向《中国电子报》记者表示。

在软件方面,ARM与苹果都有着长期的积累。ARM在嵌入式操作系统长期耕耘,而苹果已经研发了iOS、watchOS、tvOS、macOS四款操作系统平台,对于软件生态的构建有着很深的理解。

“决定PC芯片能否成功的核心要素不在于做出多少主频、多少跑分的CPU芯片,而在于软件生态。x86在PC方面的生态无需论述——PC的软件生态就是基于x86架构衍进出来的。ARM在这一块也有着超过10年的耕耘,这个进程还在继续,而苹果自己的封闭软件生态优势是其他企业无可比拟和不可复制的。”胡振波说。

苹果并不是唯一注重生态的RISC芯片玩家,高通在进军PC市场的初始阶段,就与ARM和微软联手构建“Windows on ARM”生态。2016年起,微软和高通联合推动Windows 10在基于ARM架构的高通骁龙芯片运行,并搭载到平板和笔记本电脑上。2021年,高通推出首个5nm Windows PC计算平台骁龙8cx,面向5G商用背景下始终在线、始终连接的PC产品,打造超轻薄、无风扇的笔记本电脑。今年3月,三星推出的Windows笔记本电脑Galaxy Book Go 5G就采用了高通的Snapdragon芯片。联想IdeaPad 5G也采用了骁龙处理器,并搭载Windows10操作系统。

RISC-V在生态构建方面尚需“补课”

另一个值得关注的后起之秀,是RISC阵营最年轻的架构——RISC-V。凭借精简、低功耗、模块化等技术优势,以及开源带来的开放性,RISC-V已然吸引了全世界IT企业的目光。英特尔、高通、英伟达、谷歌、恩智浦、三星、索尼、华为、阿里巴巴等国际国内企业都加入了RISC-V国际基金会。相比同属RISC阵营的ARM,RISC-V更加灵活,用户可以删除不需要的指令,也可以通过扩展接口实现灵活的功能定制。咨询机构德勤预测,RISC-V指令集市场规模在2023年将接近8亿美元,高于2021年近4亿美元,预计到2024年将接近10亿美元。阿里巴巴自研的RISC-V芯片玄铁系列CPU,已累计出货25亿颗,应用于微控制器、工业控制、智能家电、智能电网、汽车电子等领域。

RISC-V在高性能市场的潜力,已经受到业界的热切关注。据媒体报道,RISC-V国际基金会CEO Calista Redmond表示,基于RISC-V处理器的笔记本电脑将在今年问世。英特尔与巴塞罗那超算中心还宣布,将投资4亿欧元开发基于RISC-V、可用于构建zettascale超级计算机的处理器。

对于RISC-V来说,向PC市场渗透在技术上不存在壁垒,但在操作系统、算法库等软件生态的构建上还需要“补课”。在PC芯片市场,前有在x86软件生态积累多年且拥有盟军微软的英特尔,后有在嵌入式操作系统培育多年并与苹果MacOS联手的ARM。相比之下,RISC-V在软件生态方面的底子要薄弱得多。

“目前设计和生产出高性能、高主频RISC-V CPU芯片的硬件技术前提已经具备,但在软件生态这一块还很早期。也就是说,RISC-V的PC芯片要实现产业化和商业化落地(不提达到x86,且先达到或超过现在ARM在PC方面的状态)还需要比较长的路程,预计不会比ARM走过的路程短。”胡振波表示。

“目前RISC-V软件生态不成熟,兼容性较差,开发难度大。生态需要一个培育的过程,并不会一蹴而就。RISC-V 生态全面性虽有欠缺,但总体上呈现持续增长的态势。”赛迪顾问集成电路产业研究中心总经理滕冉表示。

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