ARM是一家好很厉害的公司 ,ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。全称为Advanced RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计,但也配备16位指令集,一般来讲比等价32位代码节省达35%,却能保留32位系统的所有优势。当然这家公司不生产产品,它是做架构设计的
ARM架构,曾称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。还有基于ARM设计的派生产品,重要产品包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。ARM家族占比所有32位嵌入式处理器的75%,成为占全世界最多数的32位架构。当然现在已经不只是32位了。
ARM是世界上最具影响力的芯片技术提供商之一,主要从事低费用、低功耗、高性能芯片研发,全世界99%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。所有的iPhone和iPad都使用ARM芯片,多数Kindle阅读器和Android设备也都采用这一架构。这点苹果三星能比华为好到哪里去呢?而现在其实可以说ARM是全球唯一认可的手机芯片架构标准制定商。
ARM虽然没有直接制造产品,但使用ARM架构的芯片却无处不在。智能手机、智能电视、可穿戴设备、移动基站、企业服务器、医疗器械、智能驾驶以及物联网等其他科技领域,ARM均有涉猎。
先说下高通和ARM的关系。ARM公司本身并不参与终端处理器芯片的制造和销售,而是通过向其它芯片厂商授权设计方案,来获取收益。
举个例子,如果处理器相当于一栋完整的建筑, ARM就像是建筑的框架,至于最后建造出来的房子长什么样,舒适度如何,就是由处理器厂商自己决定了。但是采用相同架构的处理器,性能基本上已经锁定在一定的范围之内,不会有本质的区别。所以,看处理器的性能要先看架构。
ARM公司提供两类CPU授权:核心指令集授权,以及现成的CPU内核设计方案授权。业内多数手机处理器厂商选择直接购买ARM CPU设计方案,然后与其它组件(比如GPU、多媒体处理、调制解调器等等)整合,制造出完整的SoC片上系统。这些现成的CPU都是基于ARM Cortex A5、A8、A9,甚至A15微架构的。或是基于现有的架构进行二次定制修改的,比如三星的蜂鸟Hummingbird核心等都是在Cortex-A8的基础上修改的。
但也有少数手机处理器厂商,如高通,直接在ARM v7指令集的基础上深度开发自己的处理器微架构,如高通公司的Scorpion和Krait,进而设计自主的CPU,具有更大的灵活性。
严格地来说,高通骁龙和苹果A系列芯片采用的是ARM的架构/指令集层级授权,而并非简单地使用了ARM的IP核心。
这个级别的授权可以对ARM架构进行大幅度改造,甚至可以对ARM指令集进行扩展或缩减,苹果就是一个很好的例子,在使用ARMv7-A架构基础上,扩展出了自己的苹果swift架构。
那既然都是架构/指令集层级授权,为什么高通骁龙和苹果A系列芯片的性能差异那么大?
其实单纯从跑分的角度来看,骁龙的多核性能和A系列芯片不相上下。但苹果采用的了“少核心,多性能”的策略,不计成本地增大核心面积和效率,用来换取功耗和性能。
不仅如此,苹果设计的芯片在流水线效率、通道、带宽和L2/L3上从不吝啬,目的就是为了把单核的性能提高。
这样的设计对于日常应用和 游戏 来说很占优势,因为这些场景下CPU更多的是单核(或双核)工作。
另外一个让我们觉得A系列芯片性能更好的原因是iOS对于苹果芯片的优化,正是因为苹果不仅有自研芯片的能力,更是在 *** 作系统上形成了闭环,使得iOS配+苹果芯片的体验要超过安卓+高通芯片。
从底层一点的技术上来看,由于安卓采用的Java虚拟机导致了安卓系统对资源的占用要比苹果iOS要多,一直以来就使得安卓手机在体验上没有苹果手机流畅。
不过这两年随着芯片性能和内存容量的不断提高,安卓手机的体验已经越来越接近苹果手机。而骁龙的GPU性能要比A系列芯片更胜一筹,所以两者的差距事实上并没有想象中的那么巨大。
题主的问题实际上是一个伪问题。
单从处理器角度而言,高通的高端处理器(8XX系列)和苹果A系列处理器综合比较,性能差不多。
下面是我在网上找的骁龙835和A10的性能评测数据
在单核性能方面苹果占优 ,主要是因为苹果A10单核面积要比骁龙大,集成的晶体管数量占优。
苹果A10是四核心,骁龙是8核心(最新的苹果A11是六核心)。在多核性能对比中, 骁龙占优 。实际上,我们应用程序大部分场景下都是单核运行,所以苹果的A10在用户实际体验中还是占优的。
GPU部分骁龙占优。
综合比较而言,骁龙还稍稍有点优势。
但为什么,我们实际体验中,苹果手机比安卓手机要明显流畅呢?这其实和 *** 作系统架构有很大关系。
谷歌的Android系统,是以linux为核心,在此基础上增加了Java虚拟机,所有的应用实际上是在这个虚拟机上运行的。这保证了应用程序的跨平台性。同时使用JAVA语言作为开发语言的程序员是全球数量最多的。谷歌也充分利用了这部分资源,使Android平台迅速聚集了最多开发者为其开发应用。
问题也就出在这个Java虚拟机,了解java虚拟机的朋友们都知道。虚拟机的好处是,程序员在开发程序的过程中,程序员不必关心内存资源回收的问题,虚拟机的内存回收机制会帮你处理这些问题,这样极大的减轻了程序员的开发负担。但缺点也同时存在,那就是虚拟机再运行过程中,占用系统资源很大。
这也就是为什么安卓旗舰手机内存比苹果手机内存大,但运行效果远不如苹果手机的主要原因。
苹果IOS系统是在其私有的UNIX基础上演变过来的,它不存在虚拟机机制,同时ios是一个闭源系统,苹果对其硬件和ios系统做了大量的优化和适配。保证了IOS应用高效的运行。而Android系统是一个开源系统,系统版本碎片化,导致硬件和软件都有很多兼容性问题,最终使得运行效率降低。
所以,典型的以三星为代表,就用堆硬件来解决android的运行效率问题。
长此以往,使人们认为,安卓手机性能不如苹果手机,进而认为高通不如苹果A处理器。
对了,多说一下,苹果IOS系统响应优先级中,屏幕响应为最高级别。这也是人们认为苹果运行快的一个原因。
题主说的没错,高通骁龙系列芯片和苹果A系列芯片都是用的ARM的指令集,但由于设计思路的不同,两者的CPU性能有着天壤之别。
我们知道,苹果是第一个用上64位处理器的手机厂商,为了发掘最强大的性能,苹果把自己的CPU做的非常强悍。于是,在当年令人无法想象的A7处理器就诞生了。
A7 Cyclone是一个很宽的架构,每个时钟周期最多可以同时解码、发射、执行、收回6个指令/微 *** 作,作为比较,上一代的A6 Swift则最多不超过3个。另一方面,A7的重排序缓冲达到了惊人的192,是上代的四倍多,同时巧合的是正好与Intel Haswell架构一样。分支预测错误惩罚也增加了,但幅度不大,而且又正好与Intel Sandy Bridge及其后的架构在同样范围内。也就是说,A7的规模几乎已经能和桌面版的core处理器相比较了。
这种情况下,A7展现出了巨大的单核性能提升,高通方面直到骁龙652处理器发布才能够与之相比。
高通骁龙处理器一直以来都是魔改ARM公版架构,公版架构的规模相当小,同主频的时候公版架构性能只有苹果A系列的一半。因此高通处理器的单核性能相对较弱,但较小规模的架构可以堆更多的核心,因此,高通处理器的多核心性能还是不错的。我们能够看到,骁龙845的单核性能依然不如A9,但多核性能已经接近A11了。
说起来很讽刺,虽然高通扼着中国绝大多数手机厂商的命门,但是单从利润上来讲,高通却不及苹果
其实 iPhone的利润高出我们的想象 。现在的苹果公司,是打算不卖芯片的,他们主要卖手机,要知道,IOS性能吊打安卓可是一个重要的卖点,在高利润的支持下,苹果有能力做 高性能高成本大芯片面积大核心芯片 ,并且还可以很快收回成本。
反观高通,核心技术和商品都是芯片,这种情况下芯片业务收益最大化才是关键。那么同样大的晶圆,怎么能实现做出更多的芯片和更少的废品率呢?那就只能 芯片面积尽量小,核心架构尽量接近公版。
当然另一层原因,就是高通现在也是吃“老本”, 没有,或者说不需要一个能与苹果比肩的CPU架构研发团队。
这是为什么呢?原因就是经过代代开发, ARM公版完善程度已经非常高了,在这种情况下,除非有相当高的实力,巨量的金钱,才可能砸出一个比公版更好的架构,既然高通已经做到了芯片老大地位,就没必要再砸大钱研究新架构。
反正对于高通来说,在安卓芯片领域,他的地位有目共睹,更何况他还有我们国内这个对他不离不弃的巨大市场做保障呢。
而苹果呢,自家有设计能力,也有从工厂到提供商、工程团队、消费者的完备体系,简单说就是任性,反正不管投入多少,都能收回来,那么,就放手干吧~
高通和苹果均使用ARM公司的ARM架构,为何性能差距这么大?
让我们一起来看看,为何苹果处理器要远远领先其他厂家呢。
设计能力
ARM公司已经将基础框架搭建完成,如何进一步设计则看各家公司的研发实力。
所有的一切,同苹果高额的利润模式同样密不可分。
大核设计苹果处理器芯片面积较大,并且没有集成基带芯片,节省了一定空间。
系统原因一个使用安卓系统,一个使用iOS系统。
还有那些情况,能够造成苹果处理器要远远优于高通?
文/小伊评 科技
关于SOC架构设计是一个非常深奥的学问,其中包括譬如总线带宽,缓存,晶体管数量,结构等等,这些东西很深奥,就算是我也只是略懂皮毛,所以本文我们不探讨这些深奥的东西,我们从其他几个方面来说明一下苹果A系列处理器为什么这么厉害,我直接来罗列几个因素,大家一看就知道苹果的A系列处理器为什么强悍了。
01 坚持自研架构放眼目前的手机市场,能够有能力生产高端移动SOC的一共就只有五个,分别是苹果,高通,华为海思,联发科以及三星。
在这五家企业中,目前只有苹果的A 系列处理器在CPU方面还在坚持使用自家研发的微架构,而其他几家包括高通和三星在内目前基本上都已经放弃了自主研发架构转而采用ARM公版的Cortex架构,譬如骁龙865这一次就用上了CortexA77的核心。
另外笔者还要再说一句,其实在安卓阵营当中,除了三星的猫鼬架构算是名副其实的自研架构之外(表现很差劲,早早就被放弃了),高通的Kryo架构其实就是对Cortex魔改,至于华为和联发科则是一开始就是用的公版的Cortex微架构。
并且在架构执行效率方面,苹果的A系列处理器一直是公认强于ARM的公版架构的,ARM直到最新发布的A78/X1之后才在核心执行效率方面勉强追上了苹果的脚步。
可以这么说,强大的核心架构是保证苹果A系列处理器性能的基石。
02 强悍的人才储备Jim Keller曾经任职过诸多顶级的半导体公司,譬如英特尔,AMD,苹果等等,他曾经带领团队设计出了大名鼎鼎的K7系列,把AMD从破产边缘拉回来,然后做了K8系列,在消费市场把英特尔打的抬不起头来。 而最近被很多PC发烧友津津乐道的AMD Ryzen系列的Zen架构其实也是出自Jim Keller之手 ,就是这样的灵魂级的人物被苹果挖过来设计了苹果的A4和A5处理器,为苹果A系列芯片夯实了基础。
而且苹果芯片的核心团队还远不止如此,包括著名计算机领域Yale Patt(计算机系统概论的作者),Tse-Yu Yeh等等,这些无一例外都是芯片设计领域的顶尖选手。
在拥有全世界顶级的人才支持的情况下,苹果A系列处理器拥有强悍的性能余额就不足为奇了。
03 无需内置基带苹果A系列处理器之所以能够拥有远超其他SOC的强大性能,除了在技术层面有领先之外,还有一个非常重要的原因就是放弃了内置基带,历代的苹果A系列处理器都是采用了外挂基带的形式,既然不需要内置基带,那么在其他条件基本相近的前提下,苹果A系列处理器就可以把更多的资源留给CPU以及GPU,毕竟一款SOC性能的强弱和晶体管数量是成正比的。
苹果之所以无法内置基带,和他在通信领域经验缺失是有一定的关系的,毕竟通信领域的入门门槛是很高的,可不是砸钱就能短时间堆出来的。
而反观其他几家半导体设计企业,旗下的SOC全部都内置了基带芯片,华为甚至还是第一个将5G基带集成在SOC中的企业,这些企业无一例外都是在通信行业有一定沉淀的。
也就是说,苹果A系列处理器的集成度其实是不如高通,华为的,这可能是苹果A系列处理器在性能方面大放异彩的核心原因。
苹果A系列芯片性能强于高通芯片,一个很重要原因就是苹果A系列芯片没有集成基带,只由CPU和GPU两个部分组成,甚至连WiFi芯片也没有。因此在相同的体积和工艺制程下,苹果A系芯片CPU的面积更大,上面可以集成的晶体管数量也就越多。
而高通本来是通信行业的,和手机处理器比起来,基带芯片才是它最拿手的地方。所以高通芯片一个主要特色就是将基带芯片也集成到了处理器当中。这样做的好处是让基带芯片也和CPU、GPU一样使用最先进的工艺制程,从而减少功耗,降低发热量。但是手机芯片的体积那么小,高通处理器再继承了基带、WiFi等模块之后,留给CPU、GPU的空间就比较小了。因此同一时期的高通芯片在性能上是不如苹果A系芯片的。
但是手机不是 游戏 机,决定手机使用体验的除了性能之外还有很多方面,其中就包括基带的信号和功耗。高通拥有自己的基带技术,基带与处理器之间的兼容性更好,因此网络信号质量更佳,且功耗比较低,手机发热量小。更重要的是,由于集成了基带,其它手机厂商购买了高通处理器之后,就相当于得到了一套完整的移动平台解决方案,基带、WiFi、蓝牙之类的都包括进去了。
相对的,苹果A系处理器由于没有基带芯片,只能寻求第三方的外挂基带。而使用外挂基带就存在与处理器的兼容性问题,而且功耗比较高,手机发热量大。比如iPhone XS Max使用的英特尔基带就是基于14nm的,而同期高通芯片集成的基带只有7nm,两者的功耗就差了许多。更早的iPhone X由于CPU和基带的功耗都比较高,一玩 游戏 就发热卡顿。
比较下来,苹果A系处理器的性能好,但是信号质量稍弱一些。而通骁龙处理器的性能不如苹果,但信号质量更好。所以一般对手机性能要求比较高的用户会选择苹果手机,但如果对信号网络质量比较高的用户则会选择高通手机。
高通骁龙和苹果A系芯片性能差别大,原因主要是,苹果是购买ARM的指令集授权,自行开发微架构,高通骁龙是购买ARM的IP核授权(省了开发微架构),然后魔改一下(其实往往是增加或减少缓存,优化内存控制器等),性能会比公版内核强一些,也就是一些而已,比不上能独立开发微架构的。
打个简单的比方,同样是做麻辣小龙虾,苹果是自制调料、自购食材、自己烹制。
由于是自制调料,需要什么味道,自己配就是了;也因为是自购食材,想要哪儿的小龙虾,下单就是了。简单说,菜的味道可以自己做主,自由发挥空间最大。
高通是购买现成麻小调味包,小龙虾也由ARM提供,调料和食材没得选(只能接受ARM标准化产品),回家倒锅里一煮,想味道重一点,少加小龙虾,想味道淡一点,多加小龙虾,麻辣的味道,他是没法调制的,发挥的空间没有苹果那么大。
公版内核?相当于买现成全套已经煮熟的小龙虾,放锅里加热后食用,完全没有自由发挥空间。
所以,看一家芯片设计公司能力的大小,能否独立设计微架构是一个重要指标。 像桌面CPU领域,英特尔和AMD是能独立设计微架构的,所以桌面CPU领域成为两家的后花园。
但是,凡事有利必有弊,自己设计微架构,对团队的设计能力要求非常高,尤其团队带头人,往往能决定芯片的竞争力。
后来,吉姆又从AMD离开,进了马斯克的特斯拉,干了一阵(在一家公司呆的时间平均不超过3年),又去了英特尔,直到现在离职。
如果从芯片的角度来说,高通和苹果的产品不完全基于ARM,不过,总体的印象来说,苹果的A系列芯片确实会好过高通。下边先列举几个整体性的原因,后边说一些关于CPU的内容。
1、时间差。高通的旗舰芯片大多出现在年初,而苹果的产品是在秋天,两款芯片之间是有着半年多的时间差。比如高通骁龙845表现非常不错,结果到了秋天,苹果弄出来一个A12。第二年高通的855出来了,但是产品上市,铺货,七七八八的事情处理完成,855这样的芯片大范围输送到用户手里可能要到年中,然而苹果下一代又要快来了。
一般来说事情有个先后,而年份又是一个非常重要的整体概念和划分依据,即使两方的设计能力相当,并且都意图设计最好的芯片,但这种时间上的差就会造成晚出来的那个会有更好的表现,也更容易使用最新的一些技术。另外,苹果的运营效率不得不佩服,A系列芯片可以瞬间触及用户,技术的传到也会带来技术感知上的时间差。
芯片的表现是一个综合的概念,也要通过产品来实现。由于苹果品牌和价格上的优势,产品属于高端的原因,苹果手机的整体定位倾向于市场上最好的那类,如果产品表现好,也会去部分带动芯片的表现。
其中一个比较重要的环节在价格,依托iPhone高端上比较大的销量,苹果可以在芯片上大量投入,可以把高性能的芯片更好的卖出去。这种更为良性的循环可以推动苹果设计出更好的芯片。安卓这边由于产品挡位铺的比较大,中低端的产品不再少数,其中一些芯片并没有使用那么先进的技术,而国内一些性价比的机型在突出性能的同时,在整体素质方面也会多少有些不足,这些在产品端的不足会对芯片的表现带来不利的影响,甚至可能不能发挥芯片性能的极致。当然,这里说的不光光是跑分,芯片是一个非常综合的东西。
3、不同的平台。这个方面其实很好理解了,也就是经常提到的优化问题。
乔布斯提到一个类似这样的观点,好的软件公司都要有自己的硬件。软件是我们接触最直接的部分,系统相应, 游戏 表现等都是软件的图像带来的直接反馈。苹果的A系列芯片是为IOS专门定制,整体表现会占优势。反过来说,IOS就像是一个优化器,可以把A系列的性能更好的展现出来。
手机毕竟是多功能集成的产品,IOS的规则可以更好的实现资源调度。最常见的例子:安卓的后台问题直到现在还是会多多少少拖累整机的表现。
总体上来说,由于时间差,产品定位,不同平台的问题,苹果和高通的芯片在最终表现上确实会有差距。
不过从目前的表现来看,两者之间的差距其实并没那样巨大,一则是芯片技术的发展,另外一个原因在于手机这个品类的成熟。当中档产品已经可以满足大部分需求的时候,高端芯片差距的感知也会变少。
问题中提到了ARM,这里简要说几个关于CPU的部分,也应该是熟知的部分了。
1、指令集
提到ARM,最直接的关联是指令集。ARM定了很多规范,不过苹果和高通如何使用这些规范则是另外一回事儿。而规范的使用和规范的制定存在相互影响,很难说苹果的芯片就是完完全全的按照ARM的规范来,也有可能是苹果和高通在一些地方用的好进而影响规范的制定。总之,ARM作为芯片行业中重要的一员,但并不是说万物就基于ARM。另外,现在手机芯片集成的功能很多,ARM也并不能完全覆盖,比如常说的人工智能芯片,GPU,ISP,网络模块等。
2、架构
苹果和高通的芯片架构差别,比如A12,六核心,两个Vorex核心,四个tempest核心。
高通骁龙855,八核心,一个prime核心,三个performance核心,四个efficiency核心。两者在缓存,内存控制,调度极致方面肯定有很多不同。不过究竟哪个好还是会回到前边的内容,最终的产品和平台如何使用。另外,在宣传策略上也会有差异,苹果经常是丢出一句,非常强,参考对象变成了英特尔。而高通这边,除了和苹果芯片竞争,还要面对华为,三星等芯片的竞争,总体思路上也会有一些变化。
以上还只是CPU这一个部分,整个芯片的架构和最终表现的差异最终会更大。总体来说,把苹果和高通的芯片直接对比很难说的清楚。
芯片的架构就好比建房子的框架结构,框架是设计房子的关键,造芯片也是类似的道理,设计前就要先选择好架构。目前除了ARM架构,还有X86、RISC-V和MIPS。
四大架构的基本介绍与特点
1、X86主要使用在PC端的CPU,1978年发明,目前是英特尔公司运营,主要应用在Inter、AMD的CPU,它的特点是性能高、速度快、兼容性好。
2、ARM架构是32位指令集,由英国Acorn公司1983年发明,它的特点是成本低、功耗低,被苹果、三星、华为、高通等客户广泛应用在移动通讯和嵌入式系统中。
3、RISC-V架构是开源的指令集,起步比较晚,由RISC-V基金会在2014年发明。它的特点是模块化、简化、可扩展,可以根据场景设计合适的指令集,使用者有三星、英伟达、西部数据等,用在工控,电器,服务器,传感器等产品的CPU。
4、MIPS架构是精简指令集,1971年MIPS公司发明,特点是简洁、优化方便、高扩展性,主要代表的产品是龙芯。
ARM架构在芯片市场占95%的份额,已经形成了完整的生态链
ARM公司在移动芯片市场有95%的份额,通过授权赚取专利费,去年的营收达到16亿美元。采用ARM架构必须授权才可以,目前全球设计的芯片都是按ARM公司的方案,开发的软件也是按照这个方案来设计,所以各种各样的手机都不会有兼容性的问题,经过好多年的积累,已经形成了一套完整的架构体系。
除了ARM架构,还在开发的RISC-V架构有望可以发起挑战,但有很大的难度
除了ARM架构,目前还在开发的RISC-V架构有望展开竞争。因为ARM授权费不断上涨,印度政府大力协助开发RISC-V,我国也在上海将其列入研究的对象,中科院在内的160多家企业加入到科研中。这个开源的指令集受到大家的关注,令ARM公司感到了很大压力。ARM是封闭的指令集,不能随意进行更改,架构不够灵活,而开源的RISC-V设计者可以根据不同的需求自由定制,更改指令集。RISC-V架构是后起之秀,目前还在开发阶段没有正式投入使用,无法建立完善的生态圈,缺乏大型公司的支持,要想与ARM竞争,还有很长的路要走。
目前,常用的处理器架构有ARM、x86、MIPS、RISC-V等,按照指令集分为CISC和RISC两种。不同的架构应用场合不同,下文具体说一说。
1、x86架构
我们使用的电脑以及公司的服务器,大部分采用了x86架构的处理器,以intel和AMD的处理器为主。
x86架构的处理器采用了CISC指令集 (复杂指令集计算机),x86架构的CPU分为x86和x86-64两类,目前主流的是x86-64,即64位的处理器。
2、ARM架构
我们的手机几乎全部使用了ARM架构,采用了RISC指令集(精简指令集) ,ARM的优势在于低功耗,因此非常适合手机等终端使用,x86架构的处理器无法解决低功耗的问题,所以移动终端很少使用x86架构的处理器。
华为麒麟处理器、苹果的A系列处理器、高通骁龙处理器无一例外的采用了ARM架构,此外大部分的工控系统、智能家居的控制系统、家庭的机顶盒等也采用了ARM架构。
随着美国“禁售令”的影响,ARM中断了与华为的业务往来,ARM这家公司走进了人们的视野,ARM公司成立于1991年,是一家英国的公司,后来被日本软银收购。ARM公司只出售IP(技术知识产权),不设计和制造自己的芯片,位于ARM架构的最顶端。 如果ARM不再给华为授权,那么华为的麒麟处理器、凌霄处理器等均会受到一定的影响,无法使用最新的架构。
3、MIPS架构
MIPS架构同样是一种RISC(精简指令集)的处理器架构,1981年由MIPS 科技 公司开发并授权,广泛用于电子产品、网络设备、个人 娱乐 设备等。比如家庭使用的无线路由器如果是MTK芯片,那么大部分是MIPS架构的处理器。
这里说一下我国自主的“龙芯”处理器,中科院计算所购买了MIPS的永久性结构授权,兼容MIPS架构的处理器,也就是可以贴上“兼容MIPS指令集”的商标,所有核心的架构都是自己研发的。
4、RISC-V架构
RISC-V架构是基于精简指令集(RISC)的开源架构,可以自由地用于任何目的,允许任何容人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件,并不需要ARM、MIPS那样需要经过授权,受到各种使用的限制。
相比x86、arm架构,RISC-V比较“年轻”,RISC-V诞生于2010年,由加州大学伯克莱分校发布。
RISC-V架构可以说是解决国产民用处理器困局的终极方案。从长远利益来看,基于各种x86、arm等架构的处理器属于“假自主”,仍然受到intel、arm等授权的限制,比如最近由于“禁售令”影响,arm中断与华为的业务往来,停止相关授权服务,长远来看,对华为的麒麟处理器可能会造成比较大的影响。
目前,国内很多厂商参与了RISC-V生态系统,建立了RISC-V产业联盟,包括了原微电子、紫光展锐、安徽华米等,去年小米发布了基于RISC-V指令集的可穿戴芯片黄山1号。RISC-V是ARM架构最大的威胁,前景虽好,但是毕竟还在起步阶段,随着技术的迭代,相信一定会推动RISC-V建立强大的生态系统。
以上就是目前常见的CPU架构,x86是PC和服务器的主流,ARM是移动设备的主流,RISC-V可能是未来的主流。
每一种构架都有在自己的行业里有很大的优势,ARM主要就是在移动终端,最大的就是手机行业。
现在世界上芯片构架技术比较好的有四种,也是主流的构架技术,分别是X86、ARM、RiSC-V和MIPS,而手机行业主要的就是ARM公司。
ARM
ARM架构是一个32位精简指令集处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。它主要从事低费用、低功耗、高性能芯片研发,所以ARM处理器非常适用于移动通讯领域,所以全世界99%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。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主要是面向移动、低功耗领域,因此在设计上更偏重节能、能效方面。
在智能手机、智能电视、可穿戴设备、移动基站、企业服务器、医疗器械、智能驾驶以及物联网等其他 科技 领域基本上都适用ARM架构。从 *** 作系统到上层应用软件都是基于arm架构开发的,所以它在移动设备上基本上形成了一个完整的产业链。现在很多的CPU都是基于ARM Cortex A5、A8、A9,A15微架构的。
在手机芯片设计领域,就拿华为来说。华为设计芯片通常先从ARM取得芯片设计构架然后再进行设计,设计完成之后再最终交给台积电进行代工,这才是一个完整芯品的设计流程。就像建造一栋房子,先有基本的构架,然后才有设计师的设计,制造。而且不止华为,例如苹果,三星,英特尔都是基于ARM构架的。
X85
X86主要面对的是计算机行业的。它是微处理器执行的计算机语言指令集,指一个intel通用计算机系列的标准编号缩写,也标识一套通用的计算机指令集合。1978年6月8日,x86架构诞生。它的CPU基本上是1G以上、双核、四核大行其道,通常使用45nm甚至更高级制程的工艺进行生产。X86结构的电脑采用“桥”的方式与扩展设备进行连接,所以可以使电脑更容易进行性能拓展。
它在近三十年基本上垄断了个人电脑的 *** 作系统行业,同时也拥有着大量的用户。它有着成熟用户应用、软件配套、软件开发工具的配套及兼容等工作,还有许多第三方软件和软件编程工具来帮助用户去使用。
RISC-V
RiSC-V架构是基于精简指令集计算原理建立的开放指令集架构,它在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。这种指令集不会垄断或者盈利,它架构简单,完全开源,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。它可以根据需要,来设计基于它的一些处理器,例如服务器CPU,家用电器cpu,工控cpu和总在传感器中的CPU。
MIPS
MIPS架构是一种采取精简指令集的处理器架构,1981年被开发出来。可以说它是RISC的一个小的分支,但是又不同于RISC。毕竟RISC是开源的,MIPS是在它的基础上发展的比较好,比较成功的。
基于MIPS的MCU的应用涉及了很多的行业之中,在工业、办公自动化、 汽车 、消费电子系统和先进技术中都有很大的应用。
在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。
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真心说CPU架构及微指令集不是十分的难,但是难的是要搞出对应的开发工具性软件否则没用,国内没有公司开发过这类工具性软件,说大家不爱听的话,如果国外全面封锁工具性软件,不要说集成电路产业,就算是机械加工,都没法过日子了,所有的图纸设计软件都是用的国外的,国内没有一家公司在搞,全是拿别人的。
提问的还忘了alpha(已经作古多年的DEC留下的顶尖处理器遗产,当年远远优于x86),中国申威处理器。
16核用于桌面和服务器,260众核((64+1)4)用于超算,该架构不仅数值计算能力强大(太湖之光),还有着无与伦比的单位算力的低功耗。
IBM的PP和MIPS都具有嵌入式应用的强大优势,而手机AP就是典型的嵌入式应用。在大数据的驱动下AI技术有了实现商用的可能性,同时,随着智能化场景的不断扩大,用作于数据处理和存储的数据中心建设也在全球范围内兴起。根据Arizton的报告显示,从投资额进行计算,预计全球超大规模数据中心市场规模将在2026年达到12764亿美元,在2020至2026年内该市场将以超过402%复合年增长率保持增长。
显然,通过收购的方式,是加快数据中心芯片布局的方式之一,而在这背后,也预示着,这四大芯片巨头决战数据中心的步伐也加快了。
根据IDC的预测显示,2015年到2025年,数据将以每年25%的速度增长。这些数据的增长带动了云端计算和边缘计算等市场的兴起,他们的增长也拉动了数据中心市场的成长。由此,芯片巨头们也在数据中心市场展开了布局。
英特尔是全球最大PC和数据中心服务器CPU制造商,2017年初他们更是将其以“PC为中心”的战略转移到“以数据为中心”的业务中,从2017年初他们确立了这个战略后,到了2019年,数据中心业务便表现出了较好的成绩。到2020年,其全年财报体现出以数据为中心的转型取得了显著进展,数据中心业务呈迅猛发展态势——2020年相较2019年增长11%。
也因此,英特尔已经将以数据为中心业务的总体潜在市场规模由2021年的1600亿美元调整为2022年的2000亿美元。这将是公司 历史 上最为重大的机遇所在。CPU是英特尔在数据中心市场发展的基石,在此基础之上,英特尔新任CEO帕特·基辛格也在今年提出英特尔2023 CPU产品路线图——面向数据中心的Granite Rapids,我们将采用英特尔7纳米制程工艺生产计算芯片。
AMD是英特尔在CPU领域的竞争对手之一,凭借着 EPYC系列产品,AMD再次迎来其高光时刻,同时该系列产品也为AMD进军数据中心市场带来了希望——根据Mercury Research的数据显示,经过长达六年的重返数据中心的争夺战,到2021年第一季度,AMD的X86处理器在数据中心的销售份额达到了115%。
数据中心市场的增长也为AMD的营收带来了提升,从其2021年第一季度显示,AMD营业额同比增长93%,净收入增长超300%,数据中心营业额增长超一倍。此外,根据AMD总裁兼首席执行官苏姿丰博士Computex 2021时的演讲显示,今年还将会有100多款各大厂商的搭载EPYC处理器的服务器平台问世,以及400多个基于EPYC处理器的实例。
这也是Arm服务器芯片在数据中心市场获得契机的原因之一。其于去年推出的ThunderX3 也是针对云计算和HPC高性能运算市场中的特定工作负载而设计,公司希望通过 Marvell 的差异化优势为最终客户带来更高的性能成本比和性能功耗比优势。
与上述三家芯片巨头不同的是,英伟达则是以GPU上的优势进入到数据中心市场。从英伟达的财报中看,数据中心市场的发展已经成为了他们营收当中重要的一部分。近几年,英伟达的数据中心业务的表现就开始逐渐露出锋芒——2021财年第一季度其数据中心业务首次达到了10亿美元,2021财年第二季度当中,其数据中心业务收入达到175亿美元,该项业务的收入占总营收的比重达到45%,首超 游戏 业务,创 历史 新高。
但随着数据中心市场的成长,仅凭单一的CPU或者是GPU都难以支撑这个市场的发展。因此,这四大芯片巨头开始向更多的领域做拓展——原来在CPU领域有着优势的企业开始向GPU、FPGA等领域进军,而GPU企业在在试图向多元化的方向发展,于是,我们看到了,这四大芯片厂商在数据中心市场的催化下,开始出现了交集。
英特尔曾在2018年提出XPU异构愿景,既由标量(对应CPU)、矢量(对应GPU)、矩阵(对应ASIC)、空间(对应FPGA)组成的架构,可以进行多种架构组合。英特尔认为,必须在CPU的基础上加入并完善GPU、FPGA、AI芯片、视觉处理芯片等不同类型的计算架构,组成一个有机的整体。
而这也是他们能够在数据中心市场持续发展的动力之一,因此,他们也针对这个愿景进行了布局,在自研方面,英特尔于去年11月正式发布其全新服务器GPU,即首款数据中心的独显产品。
在收购方面,英特尔于2015年完成了对全球第二大FPGA 厂商Altera的收购,2018年收购无晶圆厂eASIC开始向Chiplet发展,2019年四月收购为FPGA提供IP和定制解决方案的供应商Omnitek,6月,又收购了网络交换芯片厂商Barefoot(该收购旨在解决数据爆发式增长的问题,这些海量数据激发了对分析这些数据的计算能力的需求,也刺激了对在数据中心内交换这些数据的联网系统的需求),2019年还对以色列数据中心AI芯片制造商Habana Labs进行了收购(虽然Habana独立运营,但该笔收购也加强了英特尔在数据中心人工智能产品上的实力)。
在英特尔重返独立显卡之前,AMD是业内唯一一家既能做高性能x86 CPU,也能做高性能GPU的公司。而随着新的竞争的到来,AMD也对其GPU领域的发展做出了新的规划——AMD在其2020年财报会议上宣布,公司将在通用化GPU的基础上,将其产品定位成专注于 游戏 优化的RDNA和专注于运算导向的CDNA。
在对数据中心的布局上,最值得一提的是,AMD将对FPGA领域的龙头赛灵思的收购,这也是他们布局数据中心市场的重要一步——在拥有CPU 和 GPU 产品后,赛灵思可以为他们布局数据中心市场提供加速能力。
从英伟达方面来看,这是一个市值曾一度超过英特尔的巨头芯片公司,而市场对于他的看好,也来源于他们在数据中心这一市场的布局。而他们也开始突破GPU领域市场,开始向CPU市场进行发力——在今年4月,英伟达推出其基于Arm的数据中心CPU,据英伟达介绍,该芯片是专为大规模神经网络工作负载设计的,预计将于2023年在英伟达的产品中使用。
而针对数据中心方面的布局,英伟达也同样逃不过用收购的方式来进行发展。这其中包括,他们以69亿美元收购Mellanox获得的网络技术,与计划用400亿美元的价格收购Arm。
由于英特尔、AMD、英伟达针对数据中心的布局,使得他们的产品形成了一定的竞争关系,也被行业成为是数据中心市场的三大巨头。但在他们的发展中,尤其是英伟达以Arm架构为基础推出了CPU之后,我们也看到了Arm架构对于数据中心市场的冲击力,而这就不得不再提一下Marvell,这个在决战数据中心市场中一个不可忽视的力量。
除了他们所推出的Arm服务器芯片以外,在数据中心市场方面,Marvell 凭借着广泛的存储、计算、 安全与网络产品组合带来了同类最佳的构建模块与架构,以优异的总拥有成本满足了基础设施需求,在数据中心市场而占有一席之地。
这针对这些领域的布局,marvell也进行了多笔的收购,包括在2017年以约60亿美元收购Cavium,2019年收购以太网网络连接产品领域的Aquantia、格罗方德旗下Avera半导体子公司。2020年,他们还收购了光芯片厂商Inphi。近期,Marvell还宣布将收购供应云服务器以及边缘数据中心的网络交换芯片等产品的 Innovium。这些收购都将直接或间接地加强其在数据中心市场的发展。
如果说,向更多的领域做拓展,是这四大芯片厂商为数据中心市场的发展而打下基础。近期,这四大芯片厂商又不约而同地将目光投向了DPU市场。
在英伟达看来,数据中心路线图包括CPU、GPU和DPU这三类芯片。英伟达也在今年早些时候的博客中表示:“DPU(即数据处理单元)已经成为以数据为中心的加速计算模型的第三个成员,英伟达首席执行官黄仁勋在一次演讲中说:“这将代表未来计算的三大支柱之一。”这三者之间,CPU用于通用计算,GPU用于加速计算,而DPU在数据中心周围移动数据,进行数据处理。
因此,除了上文我们提到的,他们在CPU、GPU领域的成就外,他们也针对DPU这一市场进行了布局——去年英伟达发布了第一款DPU产品BlueField-2,今年的GTC上又发布了BlueField-3,BlueField-3会在明年上半年推向市场。
英特尔则在今年推出了名为IPU产品,按照英特尔的说法,英特尔官方的说法,IPU是一种可编程网络设备,旨在使云和通信服务提供商减少在中央处理器(CPU)方面的开销,并充分释放性能价值。在这种介绍下,也有人认为,这与当下主流的DPU作用类似。
而英特尔之所以能够在DPU领域取得成绩,这也离不开当时收购Altera。从DPU的本质上看,根据THENEXTPLATFORM的分析报告显示,在2020年,SmartNIC正在演变成DPU。SmartNIC可以通过从服务器的CPU上卸载网络处理工作负载和任务,提高云端和私有数据中心中的服务器性能。而针对多种SmartNIC的方案来说,由于FPGA是可重编程的,因此利用FPGA实现的数据平面功能可以任意并且实时地去除和重新配置,采用这种设计可以将网络功能提速几个数量级,因而,也被视为是数据中心市场发展的动力之一。
而赛灵思也是SmartNIC领域中的杰出玩家,据了解,该公司于2019年秋季收购了Solarflare Communications,并且Solarflare自2012年以来一直在构建基于ASIC和FPGA的NIC进行电子交易。由此来看,如果AMD收购了赛灵思,那么对于他们发展DPU来说也大有裨益。
除此之外,近期,Marvell也发布了一款DPU产品,根据半导体行业观察此前的报道显示,Marvell将推出OCTEON 10系列DPU,这是一个全新的SoC系列,建立在TSMC的5nm工艺节点之上,在这个处理器上,将首次展示Arm的新型基础设施处理器——Neoverse N2。根据公开消息显示,这将是Marvell第一个基于TSMC N5P工艺的芯片设计,实际上也是同类中第一个采用该工艺的DPU。
但对于未来数据中心市场的发展而言,这个市场可能会由这些芯片巨头厂商所主导,但并不意味着其他厂商没有机会,一些细分领域的巨头和初创公司也将会是这个市场中另外一股不可忽视的势力。
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