CPU架构大战未曾停歇，x86、Arm、RISC-V开始互占地盘

CPU架构大战未曾停歇，处理器技术与市场仍有新机会。

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。

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。

图1 经典ARM架构走向Cortex-A/R/M架构  来源：Arm

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。

图2 接脚相容于Arduino的Galileo开发板，主控芯片为Intel Quark 来源：Intel

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)。

图3 欧洲大学团队以RISC-V晶片及主机板为基础打造超级电脑 来源：NextPlatform

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。

图4 AWS的Graviton3系列Arm架构处理器 来源：AWS

图5 Graviton3处理器效能与成本比较 来源：NextPlatform

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。

编辑：黄飞