09, 8月, 2020
挑战X86、ARM架构RISC-V能否成为中国物联网时代赶超欧美的希望

挑战X86、ARM架构RISC-V能否成为中国物联网时代赶超欧美的希望

芯片行业落后三四十年的中国,能否借RISC-V发展契机直击行业“金字塔尖”,绝地求生。

近日,由海淀区政府、北京市科委、北京微芯边缘计算研究院共同发起,中关村科学城开源芯片源码创新中心成立。创新中心将推动芯片设计领域全球标准创建,建设国际开源平台,提升我国芯片设计硬实力和自主可控核心能力。

两大巨头,一个演绎着PC时代的神话,一个在移动互联网时代称霸。两种不同架构各有侧重。可以说是优势互补、无法替代的关系。

“与传统基础设施建设不同,以5G为代表的新型基础设施通过提高效率来带动经济发展,这更符合高质量发展的要义。”业内专家指出,在数字化对现代社会的渗透作用上,5G大有可为。

数据显示,目前我国5G基站建设规模接近16万个,已在50个城市正式开启5G大规模商用,医疗健康、媒体娱乐、工业生产正逐渐成为5G应用的先导性领域。此外,我国云数据中心资源总体供给规模近年来复合增长率在30%以上,全球500强超级计算机的计算能力中32%来自中国。

“在传统基础设施建设方面,整体来看我国已经处于相对完善的阶段。”中泰证券分析师冯胜表示,区别于传统基建,新基建主要立足于科技端,主要包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域。

1968年,戈登·摩尔和罗伯特·诺伊斯在硅谷创办了Intel公司。戈登·摩尔,正是大家所熟知的“摩尔定律”的提出者。

奔腾处理器的诞生,让Intel公司甩掉了只会做低性能处理器的帽子,其运行速度达到工作站处理器的水平。Intel一举超过所有日本半导体公司,坐上了半导体行业的头把交椅。

当前,我国正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期,结构性、体制性、周期性问题相互交织。通过数字经济与实体经济的融合发展,可有效激发市场动力。其中,数字经济作为新经济的重要生产资料,通过网络基础设施与智能机等信息工具,以互联网、云计算、区块链、物联网等通信技术为载体,推动人类经济形态和社会生产力快速发展,也成为经济转型的重要突破口。

而在下一个时代,物联网的时代,他们是否还能继续稳稳坐在第一的位置上?

多年来,由ARM公司主导的ARM架构、与英特尔主导的X86架构是全球芯片领域的主流架构。随着人工智能等前沿科技发展,这些老牌的主流架构开始面临众多挑战,不少科技巨头纷纷转向RISC-V架构。RISC-V因其灵活、精简、开源等特性,成为全球芯片领域备受关注的架构,也被视为中国芯的“新机遇”。

2007年,真正的划时代产品出现了。那就是iPhone。

X86架构指的是CPU执行的一些计算机语言指令集,由于Intel从8086开始,此后升级的每一代芯片(例如80186、80286等)都用的同一种CPU架构,所以人们将这些指令集统一称之为X86指令集,也就是所说的X86架构。

1981年,电子设备设计和制造公司Acorn迎来了一个难得的机遇,英国广播公司BBC打算在整个英国播放一套提高电脑普及水平的节目,他们希望Acorn公司能生产一款与之配套的电脑。

为数字经济发展打下扎实基础

苹果iPhone的出现,彻底颠覆了移动电话的设计,开启了全新的时代。第一代iPhone,使用了ARM设计、三星制造的芯片。

“这些数据表明,我国新型基础设施具备良好的发展基础,技术先进、功能强大的网络、计算和融合类新型基础设施正在逐渐形成,加快新型基础设施建设正当其时。”中国信息通信研究院政策与经济研究所所长辛勇飞指出,我国新型基础设施建设应坚持问题导向和目标导向,在抓好长远战略布局的同时,加紧补齐短板、突破瓶颈,推进我国新型基础设施建设迈上新台阶。

此后,越来越多的公司参与到这种授权模式中,与ARM建立了合作关系。其中就包括三星、夏普等公司。

虽然Intel持续迈向X86高效能设计,而ARM则专注于低成本、低功耗的研发方向。两者看似有着不同的方向,但在Intel强大的统治下,ARM并不好过。

巨头弊端显现,夹缝中杀出的RISC-V

众所周知,芯片的架构设计一直被誉为芯片行业的“金字塔尖”,难度巨大,且一直被国外垄断。

1981年使用X86架构的8088芯片首次用于IBM PC机中,开创了全新的微机时代,也就是大家熟知的个人PC时代。

随着移动互联网时代的到来,人们对电脑等大型设备需求降低,对手机等移动设备需求显著提升,在这个需求变革契机,另一巨头ARM显现出来,开启了自己的传奇。

2011年,就连传统Wintel联盟(windows+intel)的微软,也宣布Windows8平台将正式支持ARM架构处理器。这是计算机工业发展历史上的一件大事,标志着X86架构处理器的主导地位发生动摇,也标志着ARM架构处理器正式成为另一新的巨头。

没有微处理器,个人计算机就不可能出现,而没有个人计算机,就不可能有后来的互联网革命。可以说,微处理器的出现,改变了整个世界。

基于Chromium的Edge浏览器届时将通过Windows Update推送到Windows 10设备,以替换现有的Edge并成为新的默认浏览器。鉴于其功能与Google Chrome浏览器非常相似,因此很有可能有些人会放弃第三方浏览器,而继续使用Windows 10自带选项来提高一致性。

在这个情况下,ARM决定改变他们的产品策略,他们不再生产芯片,转而以IP授权的商业模式,将芯片设计方案转让给其他公司。简单来说就是,ARM不再像Intel一样,一颗芯片的设计、制作、封装都由自己来完成,它相当于出售自己的“设计图纸”,剩下的由购买方自己去完成。

1985年,Acorn研发出来的第一款处理器芯片的型号,被定为 ARM1。但是,就在同一年,1985年10月,英特尔发布了80386。在80386面前,ARM1显得弱小不堪。在ARM1之后,Acorn陆续推出了好几个系列,例如ARM2,ARM3。

经过多年的奋斗,Acorn最终完成了CPU的设计。对于这块芯片,Acorn给它命名为Acorn RISC Machine。这也就是这就是大名鼎鼎的“ARM”三个字母的由来。后来的ARM架构,指的也是设计这款芯片时采用的架构。

“5G网络建设作为产业发展的重要基石,可以带动大规模的信息消费增长。”工信部副部长陈肇雄表示,5G作为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施,不仅在助力疫情防控、复工复产等方面作用突出,更在稳投资、促消费、助升级、培植经济发展新动能等方面潜力巨大。

是否会发生这种情况仍有待观察,但是Edge在未来几个月中的份额肯定会增加。这款全面更新后的浏览器也有望在较旧的Windows和macOS上发布。

在此次疫情防控和复工复产中表现突出的新型基础设施,不仅将在接下来的经济社会运行中发挥更重要的支撑作用,还将成为促进新一轮经济增长的新动能,迎来重大发展机遇。

此次,中关村科学城开源芯片源码创新中心的成立,旨在抢抓RISC-V芯片生态发展机遇期,构建RISC-V芯片创新生态,打造我国自己的芯片和架构。

RISC-V突围的故事,还是要从两大巨头如何形成开始说起。

一开始,他们打算使用美国国家半导体和摩托罗拉公司的16位芯片。但是,经过评估后,他们发现了两个缺陷:第一,芯片的执行速度有点慢,中断的响应时间太长。第二,售价太贵,一台500英镑的电脑,处理器芯片就占到100英镑。

1978年6月8日,Intel生产出了世界上第一款16位的微处理器并命名为“i8086”。

王朝演替,各据半壁江山

i8086的出现也同时开创了一个新时代:X86架构诞生了,它定义了芯片的基本使用规则。

1971年,世界上第一块微处理器4004在Intel公司诞生了,片内集成了2250个晶体管,晶体管之间的距离是10微米,能够处理4bit的数据,每秒运算6万次,频率为108KHZ,前端总线为0.74MHz (4bit)。

事实上,新基建并不是一个新概念,早在2018年年底召开的中央经济工作会议上就明确了5G、人工智能、工业互联网等“新型基础设施建设”的定位。

接下这个任务之后,Acorn公司就开始干了起来。很快他们就发现,自己产品的硬件设计并不能满足需求。当时CPU的发展潮流,正在从8位变成16位,性能正在大幅提升。Acorn自己并不能制造生产芯片,他们只能去寻找其他厂商合适的芯片。

此外,5G建设本身包括芯片、器件、材料、精密加工等硬件以及操作系统、云平台、数据库等软件。5G与大数据、人工智能等关联技术结合,又将带动诸多行业,为很多领域数字化转型奠定基础。

此后,以Intel、AMD等公司为代表的X86架构芯片便横扫世界,统治了个人PC与服务器时代,书写着王朝的史诗。

至此,智能手机进入了飞速发展阶段,ARM也因此奠定了在智能手机市场的霸主地位。

iphone的热销,App Store的迅速崛起,让全球移动应用彻底绑定在ARM指令集上。紧接着,2008年,谷歌推出了Android(安卓)系统,也是基于ARM指令集。

疫情期间,火神山、雷神山医院建设的“云直播”成为国内外网民关注的热点。许多网友通过5G网络成为这两所医院建设过程中的“云监工”。可以说,5G、大数据、云计算、物联网等新技术已渐渐融入人们日常的生产生活。

因为手机不需要像电脑那样强大的性能,它们更需要便捷性与低功耗,所以手机厂商不需要X86架构那样强大的性能,因此大量使用ARM架构去设计,随着移动手机井喷式的增长,ARM架构也随之水涨船高。

学过半导体的人都知道一句话,CPU的发展史简单来说就是Intel公司的发展历史。从1971年,Intel推出了世界上第一款微处理器至今,CPU的发展已经有近五十多年的历史。而Intel在CPU发展前进的每一步上都留下了浓墨重彩的一笔。

“新型基础设施建设重点在‘新’,要避免‘村村点火户户冒烟’,搞重复建设。新基建不同于传统基建的大型设施,不能简单重复传统基建的方式方法,否则就会导致资源过剩。”西部数字经济研究院院长张鸿表示,新基建要针对不同地区的人口特征,制定倾向型投资,重点加大人口流入地区的5G、智能化、轨道交通和新能源等新型基础设施建设。

没想到正是这种模式,开创了属于ARM的全新时代。

从性能上看,X86架构的芯片,无论如何都比ARM架构的芯片在更快、更强。

全球芯片领域主流架构“两极争霸”的局面或许将会变为“三足鼎立”的新篇章。

于是他们打算去找当时如日中天的Intel,希望对方提供当时代表最先进技术的80286处理器的设计资料和样品,但是,却遭到了拒绝。无奈下Acorn公司只能自己造芯片。

1993年,Intel推出了奔腾处理器Pentium。Pentium是x86系列一大革新。其中晶体管数大幅提高、增强了浮点运算功能、并把十年未变的工作电压降至3.3V。这样不仅可以大幅减少功耗,也让性能有了新的突破。

作为新型基础设施的重要组成部分,5G不仅满足部分高端消费群体,比如虚拟现实、超高清视频、大型网络游戏等方面的需求,同时也可以解决城市热点地区网络拥塞的现象。据中国信通院预测,预计到2025年我国5G网络建设投资累计将达1.2万亿元,未来5年工业企业开展网络化改造投资规模有望达到5000亿元,5G网络建设将带动产业链上下游以及各行业应用投资超过3.5万亿元。

X86架构的CPU运行起来,随便就是1G以上的运行内存,并可以采用双核、四核等模式来加强性能,通常使用45nm(甚至更高级)制程的工艺进行生产。而ARM架构方面:CPU通常是几百兆的运行内存,最近才出现1G左右的CPU,制程通常使用不到65nm制程的工艺。

加快新型基础设施建设正当其时

新型基础设施究竟新在哪儿

CISC(复杂指令集)和RISC(精简指令集)是当前CPU的两种架构分别采用的指令集。X86架构采用CISC,ARM架构采用RISC。

中国通信企业协会副会长武锁宁指出,新基建有别于传统基础设施建设,此次将5G基建、人工智能、工业互联网等内容列入其中,通过网络增长和实体经济相融合,将带动更多的产业应用。

在人们的印象里,传统的基础设施主要包括铁路、公路、机场、桥梁等,但随着数字时代的到来,基础设施的内涵也在改变。

技术决定能否提供需求,而需求也决定了技术发展的方向。

与德州仪器的合作,给ARM公司带来了重要的突破。而且,也给ARM公司树立了声誉,证实了授权模式的可行性。

可以看出,新Edge的受欢迎程度并不低,在其发布之初就被不少人选用,这是因为微软在 Windows 平台上特殊的战略可以确保人们不管喜不喜欢至少可以尝试一下。