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短兵相接是指什么生肖(短兵相接的生肖)

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近年来,泛用处理器已非产业热门关注项目,原因在于长期的兼并发展,已使技术架构及市场高度集中于x86与Arm。然而,美中科技战、新冠疫情与乌克兰问题等因素,让半导体自主化成为许多国家共同追求的目标,也让处理器与相关半导体产业,又出现了不一样的风貌。

从百家争鸣到二分天下的CPU产业

在1990年代以前,市场上曾经有过一段处理器架构百家争鸣的热闹局面,许多个人电脑跟大型主机的制造商,都拥有自己发展出来的通用处理器架构,例如惠普(HP)、迪吉多(DEC);不少大型半导体公司,也有自行开发出来的处理器架构。直到1990年代中期至2000年代中期,英特尔(Intel)主推的x86陆续击败视算科技(SGI)的MIPS架构、迪吉多的Alpha架构、惠普的PA-RISC架构、升阳(Sun)的SPARC架构及苹果(Apple)、摩托罗拉(Motorola)及IBM共同发展的PowerPC架构后,通用处理器市场才进入x86独大的时代。

一方面,在竞争的过程中,与x86竞争的架构也试图以开放、免费方式扳回局面,如2005年Sun将SPARC释出成OpenSPARC,2019年IBM宣布免收POWER指令集授权费等,但均未明显奏效。

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虽然x86占据整个市场,但在x86阵营内部,也出现了激烈的产业淘汰,导致多家生产x86处理器的芯片商陆续被逐出舞台,包含联电、Cyrix、IDT/Centaur、RISE、全美达(Transmeta)等,都已消失在市场上。除了英特尔之外,仅剩超微(AMD)、威盛等少数企业存活至今。

另一方面,Arm架构以ARM 7切入MCU市场,之后高阶化发展出ARM 9、ARM 11系列并延伸运用于PDA产品上,逐渐将其他处理器架构逐出市场,如恩益禧NEC使用的MIPS架构、日立(Hitachi)的SuperH专属架构、IBM的32-bit PowerPC架构,乃至与Arm系出同门的StrongARM架构。

Arm架构在2008年大幅翻新架构,自ARM7/9/11改成Cortex-A、R、M三线(图1),Cortex-A更明确走向CPU,或称应用程式处理器(Application Processor);Cortex-M则在MCU领域;Cortex-R诉求需要即时运算功能的MCU,如车用、工控处理器。Arm架构也在PDA市场扩展延伸的智能手机领域大幅开展。

其他专属架构的CPU多少受x86、Arm两架构的壮大而式微、结束,如AMD的29k架构于1995年停止开发;同时英特尔自己的i860/i960架构也停止研发,但仍销售至2007年。

MIPS架构虽在工作站、超级计算机等领域无法与x86架构竞争,在嵌入式、手持式领域也受Arm推挤,但在电视机顶盒领域仍有一席之地,以及试图在IoT、穿戴式等新领域寻找机会。只可惜,MIPS架构仍在2021年3月宣布停止发展。

简单归结,在不靠电池供电的应用中,开发者重视运算效能的性价比,因此x86占上风;反之,在以电池供电的应用里,开发者重视的是每瓦效能表现,使得Arm占有优势。不过这并非定局,CPU领域依然持续变化,x86与Arm开始短兵相接,加上2010年RISC-V加入战局及各种因素作用,CPU领域在近期仍有诸多动向值得观察,以下将对此探讨。

Arm、x86相互进军对方主场

2011年前后,Arm与x86开始互占地盘并互有胜负,如新创芯片商嘉协达Calexda推出Arm核心的处理器CPU,其他芯片商如Tilera、APM/AMCC(由PowerPC转向Arm)、凯为(Cavium,已于2018年并入Marvell)等也在先后时间推出Arm处理器CPU;2012年微软(Microsoft)推出的Surface RT平板电脑,亦使用高通(Qualcomm)的Arm架构CPU。

如此Arm阵营形同进入x86主导的处理器、个人电脑领域,但尚未全面冲突,毕竟Arm处理器仅能使用Linux,无法影响x86的Windows处理器市场,而平板电脑也非全然取代笔记型电脑。

x86进入Arm专长领域,则以2014年华硕ASUS推出ZenPhone手机为指标。ZenPhone使用x86架构的Atom Z系列CPU。英特尔除了试图用x86分食市场外,也试图创造市场,2013年开始积极让x86小型化而推出夸克(Quark)系列CPU及相关配套的伽利略(Galileo)开发板(图2)、爱迪生(Edison)模组、居礼(Curie)模组,期望发展物联网IoT市场与穿戴式电子市场。

对x86跟Arm阵营而言,想在对手的主场讨到便宜,都是颇具挑战性的目标。英特尔的夸克系列已在2017年宣告停止发展;Arm阵营的Calexda快速歇业、Tilera由EZChip收购,EZChip又由Mellanox收购,Mellanox再由英伟达收购;相关发展难以持续,AMCC也于2016年因MACOM的收购而生变。

两阵营虽都历经摸索与挫折,但现阶段以Arm方面稍居上风。一是2020年苹果推出M1芯片,自此让Mac电脑转向Arm架构。事实上,在Mac的发展历史上,经常每10年大胆转移CPU架构,如1976年的6502、1983年的68k、1994年的PowerPC、2005年的x86。苹果待在x86架构的时间,已经是相对久的。苹果以iPhone所用的Arm架构延伸到Mac系统,属于自然的量价均摊效益扩大、技术自主掌握度提高等有利发展策略。

二是过往以智能手机为主的芯片商,在智能手机趋于饱和后,也须另觅出路,包含高通与微软合作推行AOAC PC,让Windows系统更积极使用Arm架构,或如联发科技推出Kompanio for Chromebooks,试图与Google采用相同路线进入PC市场。

三是创客(Maker)领域兴起,树莓派(RPi)单板电脑使用博通(Broadcom)的Arm架构芯片,2012年推出时,仅适合用于电脑教学,然历经数代的发展,因效能规格的强化,2019年后的第四代RPi也开始标榜Desktop PC的角色定位,且多年来维持在35~70美元的极亲民价位而受欢迎,成为另一种Arm PC路线。公有云运算的兴起也有利于Arm在处理器领域的发展。

RISC-V无需再交授权费

无论选择Arm或x86,在技术上均非免费,使用Arm架构需要支付技术授权费,x86更是只能购买英特尔、超微等芯片厂商出货的芯片。就像在电脑作业系统领域的Windows与Mac,微软允许不同厂牌的电脑安装Windows作业系统,而苹果只允许购买Mac电脑的用户使用Mac作业系统。

自1999年Linux问世后,科技产业开始出现完全自由、不需支付技术费用的作业系统,CPU领域则在2010年有了相似概念的RISC-V。事实上,此前已有其他开放、免费的CPU架构,但不是过于学术理论,不利产业实务上的持续强化精进(效能、功耗、整合等提升),就是在商业竞争领域已明显落后,而以半放弃的态度释出,难再提振,RISC-V则是吸取过往教训,修正后再出发的成功案例。

RISC-V与Arm相同,同时经营MCU、CPU领域,MCU领域尚未受主要MCU大厂青睐,而是以中国大陆创新为主,或为国际大厂所用但仅为专属内嵌式控制运用。

前者如全智、博流智能、Codasip、乐鑫、兆易创新;后者如威腾(WD)、希捷(Seagate)等用于储存装置控制芯片,或如英伟达用于Tegra芯片的内部控制,或Google用于官方Pixel 6手机内的Titan M2防护芯片中。

RISC-V在CPU领域也仅些许开展,如瑞萨(Renesas)于2022年3月推出采64-bit RISC-V核心的RZ/Five处理器,或欧洲于2022年6月使用SiFive的Freedom U740芯片打造超级计算机系统等(图3)。

除上述的业界实际动向外,诸多国家也都积极评估与运用RISC-V,如中国、印度、俄罗斯等,期望减少使用Arm、x86架构的技术支出,欧洲超级计算机团队在相关报道上也谈及此点。

超级计算机、公有云营运商拥抱Arm

前面谈及高通、联发科技开始以Arm架构进入PC领域,除手机市场趋缓外,另一原因是手机企业日益倾向使用自研的Arm芯片,不仅苹果如此,近年来华为、三星(Samsung)乃至Google也都倾向使用自行设计的手机芯片,迫使纯手机芯片商必须探索新市场。

手机如此,重度CPU用户的超级计算机、公有云企业也有类似趋向,如富士通(Fujitsu)于2019年推出的超级计算机辅岳(Fugaku),便是使用自研的Arm核心处理器A64FX;全球最大公有云企业AWS也在2018年推出仅供自家公有云服务使用的Graviton处理器,并陆续在2019年推出Graviton2、2021年发表Graviton3(图4、图5),显示AWS走自己的路的决心相当坚定。

>在云端采行Arm架构有其优点,可以用更多轻量核心招揽更多用户购买服务,同时云端诸多服务也属相依性低的各自轻量性运作,适合使用Arm架构。相对于此,x86属少量重度核心,适合执行相依性高的运算,如线上交易、资料库等。

公有云最大企业开通Arm运算租赁服务,其他同行自然跟进,如微软Azure、Google Cloud、甲骨文Oracle Cloud、腾讯云等也推出Arm租赁服务,但跟进企业并非自研,而是从Ampere Computing采购其所研发的Arm芯片,Ampere成立于2018年,技术资产主要承袭自AMCC与MACOM。

其他主要公有云企业也投入自主研发Arm芯片,如2021年阿里云宣布推出倚天710芯片,由阿里巴巴集团的平头哥半导体公司设计。

GPU来势汹汹

回到x86,x86跨入手机、IoT、穿戴式电子均未果后,也面临愈来愈强悍的图形处理器GPU争抢其在运算系统内的价值,因此x86开始两面着手,一是在早已满足的一般用途指令外,不断追加新的延伸指令以满足特定运算,如多媒体运算、向量运算,甚至在近2年加入能加速AI推论执行的指令,如GNA系列。

另一努力方向则是进行多核化设计,以实现类同于GPU的运算加速芯片,此即英特尔的Xeon Phi芯片。英特尔原本期望可用x86多核设计发展出自有的GPU,以便与英伟达、超微推出的通用型GPU对抗。

事实上,Xeon Phi的前身,就是名为Lar rabee的众核架构(Many Core Architecture)。英特尔原本有意借此发展自己的GPU,但此构想于2010年停止,之后改专注于资料中心运算加速,然此路线也在2017、2018年停止。

不仅各种多角化尝试未果,近年来x86 CPU也被研究人员找到诸多严重的资安漏洞,必须加以修补。已售出的x86芯片可透过韧体或软体修补,但会折损若干芯片效能,而新的开发中芯片也必须加入更多防护设计,如英特尔2020年推出,开发代号Willow Cove的Tiger Lake-Y/U/H系列x86 CPU,即加入CET技术,避免黑客利用缓冲区溢位攻击来侵害x86系统。

CPU架构大战未曾停歇

归结上述明显可知,CPU与CPU架构的竞争几乎没有一天停歇,不仅尝试占领他人地盘,同时也尝试探索新应用可能,将自身立足的架构进行价值最大化、技术生态圈最大化。

也因如此CPU领域始终有新企业、新架构尝试进入市场,如Tachyum于今年5月发表神童Prodigy芯片,标榜为无所不包的Universal处理器,芯片内同时具备CPU、GPU、TPU(推论加速)等功能,目标市场为各种重度运算,如资料中心、超级计算机等。

至于在RISC-V方面,许多芯片商拥抱RISC-V架构的动机,除了想节省授权费用外,该架构允许使用者/开发者自行定义客制化指令集,也是一大原因。借由深度客制化的指令集,芯片设计者可以针对特定应用,开发出执行效率更好的处理器,这也让RISC-V有机会打进许多不同的应用市场。Arm在这方面也感受到压力,进而在2020年提出CXC(Cortex-X Custom)允许一定程度的客制,以便在设计自由度方面能与RISC-V较劲。看来处理器技术与市场仍有新机会、新挑战,后续发展值得关注。

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