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2 X86架构 X86架构The X86 architecture是微处理器执行的计算机语言指令集。X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU--i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令。同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片系列数字协处理器则另外使用X87指令包括后来 Intel 80186、80286、80386以及80486由于以“86”作为结尾以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。虽然随着CPU技术的不断发展Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4(以下简为P4)系列但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集所以它的CPU仍属于X86系列。 x86架构CPU主要应用领域个人计算机、服务器等。在PC端市场Wintel组合windows系统 intel处理器占据了大部分江山另外一部分有ADM占领。目前国内有兆芯从AMD和VIA获取授权研发自己的X86CPU有其它国产CPU 国产操作系统linux系可以用于教育和事业单位以及军工行针对的是特殊用户国产CPU和操作系统想进入民用市场由于性能、价格以及生态系统等仍需要继续优化打磨以及一个合适契机。 x86指令集发展 IAIntel英特尔处理器的服务器称之为IAIntel Architecture架构服务器 IA-32英特尔32位体系架构X86从16位到32位是在原有的架构基础上进行修改Intel称之为IA-32 x86-32现如今Intel把x86-32称为IA-32 x86-64 分为intel和AMD AMD64x86架构的64位拓展向后兼容于16位及32位的x86架构。x64于1999年由AMD设计AMD首次公开64位集以扩展给x86称为“AMD64”AMD64和Intel64基本上一致 Intel64EM64TExtended Memory 64 Technology扩展64bit内存技术本质上和AMD64一样都是IA-32的增强版本。 IA-6464位的英特尔架构英特尔安腾架构Intel Itanium architecture使用在Itanium处理器家族上的64位指令集架构由英特尔公司与惠普公司共同开发。IA是Intel Architecture英特尔架构的缩写64指64位系统。使用这种架构的CPU包括Itanium和Itanium 2。此架构与x86及x86-64并不相容操作系统与软件需使用IA-64专用版本。 Intel推出X86架构已满40年了同486相比Pentium向前迈进了一大步 而PⅡ的前进步伐则没有这么大了X86 CPU的发展似乎已到了尽头。英特尔非常清楚是X86指令集限制了CPU性能的进一步提高因此他们正同惠普共同努力开发下一代指令集架构Instruction Set Architecture ISA EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing显性并行指令计算)。对英特尔而言 IA64英特尔的64位架构是下一个10到15年的架构。新的ISA将使英特尔摆脱X86架构的限制从而设计出超越所有现有RISC CPU和X86 CPU的新型处理器。
3 ARM架构 ARM架构也称作进阶精简指令集机器Advanced RISC Machine更早称作Acorn RISC Machine是一个32位精简指令集RISC处理器架构其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点ARM处理器非常适用于行动通讯领域符合其主要设计目标为低耗电的特性。其它请参考ARM介绍 目前ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到从可携式装置PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏和计算机到电脑外设硬盘、桌上型路由器甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。在此还有一些基于ARM设计的派生产品重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。 ARM 授权方式ARM 公司本身并不靠自有的设计来制造或出售 CPU 而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家。ARM 提供了多样的授权条款包括售价与散播性等项目。对于授权方来说ARM 提供了 ARM 内核的整合硬件叙述包含完整的软件开发工具编译器、debugger、SDK以及针对内含 ARM CPU 硅芯片的销售权。对于无晶圆厂的授权方来说其希望能将 ARM 内核整合到他们自行研发的芯片设计中通常就仅针对取得一份生产就绪的智财核心技术IP Core认证。对这些客户来说ARM 会释出所选的 ARM 核心的闸极电路图连同抽象模拟模型和测试程式以协助设计整合和验证。需求更多的客户包括整合元件制造商IDM和晶圆厂家就选择可合成的RTL暂存器转移层级如 Verilog形式来取得处理器的智财权IP。借着可整合的 RTL客户就有能力能进行架构上的最佳化与加强。这个方式能让设计者完成额外的设计目标如高震荡频率、低能量耗损、指令集延伸等而不会受限于无法更动的电路图。虽然 ARM 并不授予授权方再次出售 ARM 架构本身但授权方可以任意地出售制品如芯片元件、评估板、完整系统等。商用晶圆厂是特殊例子因为他们不仅授予能出售包含 ARM 内核的硅晶成品对其它客户来讲他们通常也保留重制 ARM 内核的权利。 国外生产厂商TI 德州仪器、Samsung三星、Freescale飞思卡尔、Marvell马维尔、Nvidia英伟达、Qualcomm(高通、STMicroelectronics(意法半导体。 国内生产厂商华为海思芯片、飞腾FT-1500、FT2000-4等CPU芯片、兆易创新GD32系列MCU参考STM32系列、瑞芯微RK系列芯片、联发科台湾天玑系列。 ARM架构的CPU可以有多核例如几年前联发科推出10核处理器Helio X20被戏称一核有难八核围观国产FT处理器已经推出了16核处理器。但是由于ARM自身低功耗等因素的限制核心数多并不一定能大大提升性能。 目前ARM主要市场是手机端CPU和MCU手机CPU市场由高通骁龙系列、华为麒麟系列、以及三星猎户系列和联发科系列在MCU端主要是STM32以及国产的GD32其它厂商的芯片用于其它领域比如汽车电子、智能家居等。在CPU处理器上有华为海思的鲲鹏920CPU应用于泰山服务器中和FT的CPU军工领域虽然FT的CPU起步很早但是鲲鹏显然有后来居上之趋势。国内ARM芯片做的最好的是华为海思鲲鹏920CPU性能在ARM架构中是NO1另外海思麒麟系列手机芯片已发展为全球前三的地位海思的视频处理芯片以及IoT芯片在行业中都是标杆的产品。 在2020年11月11日apple公司发布了新一代的mac book亮点就是使用了apple自己的ARM架构的M1。由于ARM的功耗小在新一代的macbook上apple大胆的去掉了散热风扇芯片将笔记本厚度进一步压缩续航时间达到了18小时。同时搭载M1芯片的mac book CPU 性能提升至 3.5 倍GPU 性能提升至 5 倍机器学习性能提升至 9 倍。根据apple公司的影响力未来PC中市场将会被ARM架构的CPU替代。天下苦wintel久已
4 MPIS架构 MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlockedpipedstages)其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。 MIPS技术公司是美国著名的芯片设计公司它采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点并可以应用更多先进的技术开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一新的架构集成了所有原来MIPS指令集并增加了许多更强大的功能。MIPS自己只进行CPU的设计之后把设计方案授权给客户使得客户能够制造出高性能的CPU。 1984年MIPS计算机公司成立开始设计RISC处理器 1986年推出R2000处理器。 1992年SGI收购了MIPS计算机公司。 1988年推R3000处理器。 1991年推出第一款64位商用微处器R4000之后又陆续推出R8000于1994年、R10000于1996年和R12000于1997年等型号。 1998年MIPS脱离SGI成为MIPS技术公司随后MIPS公司的战略发生变化把重点放在嵌入式系统1998年MIPS科技股票在美国纳斯达克股票交易所公开上市。 1999年MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核coreMIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS645Kc。 2000年MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。 2007年8月16日MIPS科技宣布中科院计算机研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集授权。 2007年12月20日MIPS科技宣布扬智科技已取得其针对先进多媒体所设计的可定制化系统单芯片SoC核心“MIPS32 24KEcPro”授权。 MPIS架构授权和ARM架构授权不一样ARM架构授权用户基本不能自行修改而MPIS架构授权后可以自己修改。目前MPIS发扬光大寄希望中科龙芯公司龙芯处理器从龙芯1号到现在的龙芯3号系列的3A4000CPU的性能已经大幅度提高在完全可以胜任日常办公或者作为特殊用途的服务器。龙芯CPU和国产的飞腾FT处理器并驾齐驱发展我国自主可控CPU。
5 PowerPC系列 PowerPC 是一种精简指令集RISC架构的中央处理器CPU其基本的设计源自IBM国际商用机器公司的IBMPowerPC 601 微处理器POWERPerformanceOptimized With Enhanced RISC《IBM Connect 电子报》2007年8月号译为“增强RISC性能优化”架构。二十世纪九十年代IBM(国际商用机器公司)、Apple苹果公司和Motorola摩托罗拉公司开发PowerPC芯片成功并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。 PowerPC 处理器有广泛的实现范围包括从诸如 Power4 那样的高端服务器CPU 到嵌入式 CPU 市场任天堂Gamecube 使用了 PowerPC。PowerPC处理器有非常强的嵌入式表现因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串行和以太网控制器那样的集成 I/O该嵌入式处理器与“台式机”CPU 存在非常显著的区别。 6 SPARC架构 SPARC架构Scalable Processor ARChitecture可扩展处理器架构是国际上流行的RISC处理器体系架构之一SPRAC如今已发展成为一个开放的标准任何机构或个人均可研究或开发基于SPRAC架构的产品而无需交纳版权费。SPARC 处理器架构具备精简指令集RISC、支持32 位/64 位指令精度架构运行稳定、可扩展性优良、体系标准开放等特点。SPARC因此得以迅速发展壮大在现在已经有大约3万多个成功的应用案例。 SPARCV7/V8 是目前嵌入式控制系统常用的处理器标准版本并在航天设备的电子系统中得到广泛应用。然而SPARC只是一个处理器的架构标准并不提供现成的源码或IP核具体的芯片实现要由开发者去完成。 运行Oracle Solaris的Oracle SPARC T4服务器提供了创世界纪录的性能其单线程性能提高了5倍、内存容量高达2 TB且实现了极高的系统吞吐量和I/O容量。SPARC T4服务器适用于需要极高的可靠性、可用性和集成式片上加密加速的企业应用程序和任务关键型应用程序可确保最终的安全性。
7 Alpha架构 Alpha处理器最早由DEC公司设计制造在Compaq(康柏公司收购DEC之后Alpha处理器继续得到发展并且应用于许多高档的Compaq服务器上。自1995年开始开发了21164芯片那时的工艺为0.5um主频为200MHz。1998年推出新型号21264当时的主频是600MHz。较新的21264芯片主频达到1GHz工艺为0.18um。在该芯片具有完善的指令预测能力和很高的存储系统带宽超过1GB/s并且其中增加了处理视频信息的功能其多媒体处理能力得到了增强。 Alpha架构于1992年2月25日在东京召开的一次会议上面被正式推介新架构的关键特性都一一的被罗列出来。当时说Alpha只是产品开发的内部代号。新处理器采用完全64-bit RISC设计执行固定长度指令(32 bits)。有32个64 bit整数寄存器操作43-bit的虚拟地址(在后来能够扩充到64-bit)。和VAX相同使用little-endian字节顺序即低字节的寄存器占用低内存地址线。而不像如摩托罗拉等大多数处理器所使用的big-endian字节顺序即低字节寄存器占用高内存地址线。除此之外处理器还内建一个算术协处理器有32个浮点64-bit寄存器采用随机存取而不是在intel x86协处理器上使用的堆栈存取方式。整个Alpha的生命周期被设计为至少25年。 Alpha处理器被用于DEC自己的工作站和服务器中。作为VAX的后续被开发支持VMS操作系统如 Digital UNIX。不久之后开放源代码的操作系统也可以在其上运行如Linux和 DSB 。Microsoft 支持这款处理器直到Windows NT 4.0 SP6 但是从Windows 2000 RC2开始放弃了对Alpha的支持。 目前国内采用此架构的是申微超算处理器得益于国家的支持申威处理器在军队应用广泛。
8 架构之间的竞争 8.1 PC和服务竞争 PC端和服务器端是X86架构的天下而X86架构基本是以Intel为首AMD为辅二分天下之势。国产CPU基本只能用在军工行业或者事业单位等。其实说性能powerpc可谓是高出不胜寒。硬件方面Power系统在可靠性、可用性和可维护性的方面的出色表现使得 IBM从芯片到系统所设计的整机方案有着独有的优势。Power架构的处理器在超算、大型企业的UNIX服务器等多个方面应用也十分成功。在软件方面其专用的AIX系统在稳定性、软件方案集成度和厂商技术支持能力方面都要更强。由于用户选一平台主要看软件需求一般对数据保护和7*24小时不宕机等有所要求power架构的稳定性和运维等方面相对更优。但是由于IBM的技术把控使得其价格太不友好同时技术也赶不上环境的变化在云计算兴起后随着分布式系统逐渐成熟系统对小型机的依赖开始降低改为依靠集群提供性能也可实现分布式处理。而更为关键的是IBM的全套服务尽管稳定性优秀但却影响了Power架构对其他商家的吸引力。 而Sparc架构和Power架构基本犯了同样的错误价格不友好。SPARC架构测成功和Sun旗下的Solaris系统有着密不可分的关系。当计算机系统庞大、用户数量巨大增加时基于Unix操作系统打造的 Solaris能更好地利用计算机资源是所有商业版中最可靠最完善的版本。而依赖SPARC架构和Solaris系统的性能和可靠性其占领了服务器高端市场。Sun的另一个更为知名的产品是Java虽然在上世纪90年代为智能家电开发的Java并没有为其带来相应的回报但已成为今天移动时代最重要的开发语言。如此强大的实力本应统领服务器市场但遗憾的是在windows和英特尔组成Wintel联盟之后两者凭借自身在各自市场的规模效应使得采用Wintel产品的服务器厂商可以通过低廉的价格大肆抢占中低端市场。而当Sun醒悟过来通过开源等方式想要挽回败局时为时已晚。 X86架构与Power和SPARC在高性能领域的风生水起不同x86架构是天生的小屌丝。1978年他出生的那年英特尔还只是一个普通的科技公司。可是x86架构随同其cisc指令集却开启了一个新的时代。x86之所以可以赢得市场主要原因在于其是一个十分开放的架构。IBM和SUN当年都是从芯片到服务器到系统一手包办的公司。而英特尔则是一个十分纯粹的芯片厂商其业务仅与AMD等少数芯片生产者存在竞争这就使得服务器厂商不用忌惮与之发生竞争关系。 单从性能来看无论Power还是SPARC架构都可以击溃x86可是最终能够赢下来的却偏偏是最弱的x86架构。这并非劣币淘汰良币而是市场竞争的选择根源上讲x86的成功在于英特尔根本不碰服务器。因此不论设备生产商、软件开发者或者系统开发者都可以与不存在利益竞争关系的英特尔合作。受益于此x86架构的兼容性也越发强大生态体系越发完善这才成就了现如今市场占有率超过90%的一家独大局面英特尔也借助x86架构一跃成为全球顶级的芯片提供商。
8.2 移动端竞争 正如PC和服务器端是X86的天下一样移动端是ARM的天下。Intel在CPU界的大名可谓家喻户晓但是在手机登移动端却难以看到英国ARM公司背影。在2006年自从AMD的64位处理器发布以来AMD成功逆袭了Intel市场占有率大幅上升而Intel老迈的P4处理器则是腹背受敌尽失昔日霸气市场表现一路走低。为了稳住投资人的信心最好的做法自然是让公司持续盈利为此Intel进行大规模的重整包括上任新CEO 欧德宁、大规模裁员、以及出售XScale手机处理器业务。正因为这个举措使得Intel到达了人生巅峰从PC市场有赚的钵满盆满然而也是因为此Intel忽视了移动领域的迅猛发展。当年Intel拒绝了乔帮主还是PPT的Iphone手机不然是否就会不一样但是想一下Iphone X 使用Intel基带信号差的诟病Intel做手机芯是否会臭名昭著也未可知 和Intel公司不同 ARM公司不制造不销售芯片而是只自己设计IP核包括指令集架构、微处理器、GPU、互连架构等然后谁想用就授权卖给谁再从每颗实际造出来的产品中收取版税。ARM有三种授权模式分别是架构授权、内核授权、使用授权分别对应大中小公司非常讨喜贴个牌子就能说是自己的CPU为ARM处理器的广泛使用打下坚实基础。 ARM的成功除了商业模式的独特之外还少不得自身素质的优秀Intel技术毫无疑问是顶尖的但应用场景在传统PC上换成移动设备就行不通了移动设备比起性能首先要考虑功耗和续航Intel就吃了这个大亏X86架构独步天下肯定是不能随意变改的移动设备当然继续沿用X86架构然而换来却是高功耗和快速掉电换谁都看不上。反之功耗控制则是ARM的强项使用精简指令集RISC和创新的big.LITTLE架构使ARM处理器能耗比一直领先于Intel。 Intel正在积极布局推出应用于 IoT 物联网的 Atom E3900 及车载电子的 Atom A3900 系列号称 CPU 性能提升70%GPU 性能提升190%其中 Atom A3900 特别针对高温环境设计可在110°C高温下使用15年。Intel是一家伟大的企业但也是会犯错误的既然已经错失移动市场不妨暂时脱离提前做好下一阶段的技术研发5G也有可能实现弯道超车。
