芯片架构混战：国产芯片即将换道超车

“选x86还是选ARM？”这是芯片在设计阶段之初的首要问题之一。

近些年，这个选项中还增加了一匹黑马——RISC-V。

我们或许大概了解它们都是芯片架构。但这些芯片架构到底有什么不同？X86凭何驰骋江湖45年？IC巨头为何如此青睐ARM？RISC-V又如何了成为中国最受欢迎的架构？

这篇文章就将揭开所有问题的答案。

指令集架构

首先要知道什么是指令集架构。

维基百科是这么说的：指令集架构，主要指的是计算机体系结构中和程序设计有关的部分，包含基本数据类型、指令集、寄存器、寻址模式、存储体系、中断、异常处理、外部I/O等。

如果拆开来看两个概念。指令集是指示芯片执行某种运算、处理功能的命令。

指令是硬件运行的最小的功能单位，一台计算机上全部指令的集合，就是这台计算机的指令系统，指令系统也称指令集。

架构，即是为了实现指令集而构建出来的硬件电路。

一部分人将架构定义为硬件实现，另一部分人则认为架构等同于指令集。一个指令集可以设计出不同的硬件电路，这就是架构。

* 这里也要解释一下指令集（架构）和微架构并不是同一个概念。不同的微架构可以运行同一个指令集，同一个指令集也可以通过不同的微架构来实现。

按照惯例，我们用盖房子做一个类比。

在设计建筑图纸时，对于房屋的规划需要按照规定来，比如房屋高度、房屋结构、防火和疏散等都需要符合建筑规范。

在芯片设计中，指令集架构就相当于“芯片建筑”规范。x86、ARM、RISC-V就是不同的规范类型，而不同的规范也有性能、成本、功耗等方面的差异。

一个成熟且适用性的架构是需要长年累月的技术积累才能开发成功，这也是我国芯片领域卡脖子的一大难题。

X86

X86第一次出现是在1978年英特尔发布的8086微处理器中。一年之后，x86又出现在Intel推出8088微处理器中。

而这台8088微处理器，被IBM用来制作出了全世界第一台个人计算机（PC）。

PC产业自此开始诞生，x86架构也打开了一个新时代。

在过往45年的发展进程中，x86的兼容性和处理运算能力也在不断提升。

x86家族横跨了桌面、服务器、便携式电脑，超级计算机等领域，曾一度在服务器市场占有90%的市场份额。

从英特尔的视角看，ARM和RISC-V都算是半路杀出的“程咬金”。不过即使如此，目前x86依然主导着个人电脑芯片领域。

ARM

ARM架构源自于ARM公司的前身——Acorn公司。这个公司1985年时开发除了ARM1样本，1986年开始实际生产32位的ARM2。

1990年正式成立ARM公司，负责ARM架构的研发。

ARM公司在市场上站稳脚跟后，就屡屡受到IC巨头的青睐。

2016年，日本软银集团以320亿美元收购了ARM；2021年，英伟达拟以600亿美元收购软银旗下ARM（最后宣告失败）；2022年，韩国SK海力士拟联合收购ARM，最终宣布放弃。

和英特尔不同，ARM并不涉足生产或销售CPU的业务。ARM采用的是授权处理器架构给第三方的商业策略，目前ARM的授权权限分为三个等级：

· 使用层级授权：使用封装好的ARM芯片，但不能进行任何修改。

· 内核层级授权：可基于购买的ARM内核进行芯片开发和设计，有一定的自主研发权。

· 架构层级授权：可以对ARM架构进行改造，甚至对ARM指令集进行扩展或缩减。

以前研发架构大多都是自用，ARM的这种IP授权方式反而打开了市场并帮助ARM在移动端站稳了脚跟，吸引了高通、华为、苹果在内的一众客户。

目前，ARM基本已经主导了当前的智能手机和移动终端的芯片市场。

RISC-V

过往20多年中，x86和ARM一直都处于双雄争霸的格局。自从2010年RISC-V诞生之后，指令集架构领域就逐渐呈现出了三足鼎立的趋势。

RISC-V之所以能够迅速崛起，离不开它开源、成本低、可复用IP、能够缩短研发时间等优点。

凭借这些优点，RISC-V基金会吸引了高通、英伟达、恩智浦、三星、美光、华为海思、平头哥、联发科、谷歌、IBM，乃至竞品英特尔在内的一众IC企业。

去年年末，RISC-V国际基金会宣布：市场上已经有超过100亿颗RISC-V核。这100 亿颗出货的 RISC-V 核中，有一半来自中国市场。

中国工程院院士倪光南也在今年的玄铁 RISC-V 生态大会上表示：

“今天 RISC-V 是中国 CPU 领域最受欢迎的架构，中国芯片产业和整个芯片生态将会越来越多地聚焦于 RISC-V 架构，中国的巨大市场将成为支撑 RISC-V 的重要基地。”

视线拉回到国内，倪光南院士的话完全可以在市场上得到印证。

华米科技2018年发布了号称全球首颗基于RISC-V的智能穿戴AI芯片——黄山一号。

平头哥2018年加入RISC-V，2019年正式发布了基于RISC-V架构的处理器——玄铁910。

2021年底，华为基于RISC-V架构研发，推出首款全新的高清电视芯片Hi373V110。之后又发布了多款芯片，以RISC-V替代ARM。

同是2021年，中科院发布了自研的高性能RISC-V开源处理器“香山”，已成功流片并运行Liunx。

RISC-V的开源有助于我们突破原本架构的垄断局面。也希望国内企业可以趁着优势，早日实现真正意义上的芯片“自主”研发设计。