挑衅X86、ARM架构,RISC-V能否成为中国物联网时代赶超西洋的期待

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

近日,由海淀区当局、北京市科委、北京微芯边缘计算钻研院共同发首,中关村科学城开源芯片源码创新中央成立。创新中央将推动芯片设计周围全球标准创建,建设国际开源平台,升迁吾国芯片设计硬实力和自立可控中央能力。 

多所周知,芯片的架构设计不息被誉为芯片走业的“金字塔尖”,难度重大,且不息被国外垄断。 

此次,中关村科学城开源芯片源码创新中央的成立,旨在抢抓RISC-V芯片生态发展机遇期,构建RISC-V芯片创重生态,打造吾国本身的芯片和架构。  

多年来,由ARM公司主导的ARM架构、与英特尔主导的X86架构是全球芯片周围的主流架构。随着人造智能等前沿科技发展,这些老牌的主流架构最先面临多多挑衅,不少科技巨头纷纷转向RISC-V架构。RISC-V因其变通、精简、开源等特性,成为全球芯片周围备受关注的架构,也被视为中国芯的“新机遇”。 

全球芯片周围主流架构“两极争霸”的局面也许将会变为“三足鼎立”的新篇章。 

RISC-V突围的故事,照样要从两大巨头如何形成最先说首。 

初代芯片王朝的兴首 

学过半导体的人都清新一句话,CPU的发展史浅易来说就是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发展先进的每一步上都留下了浓墨重彩的一笔。 

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,正是行家所熟知的“摩尔定律”的挑出者。 

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)。 

图为:Intel 4004芯片

异国微处理器,幼我计算机就不能够展现,而异国幼我计算机,就不能够有后来的互联网革命。能够说,微处理器的展现,转折了整个世界。 

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”。

i8086的展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操纵规则。 

图为:Intel 8086芯片

X86架构指的是CPU实走的一些计算机说话指令集,由于Intel从8086最先,此后升级的每一代芯片(例如80186、80286等)都用的联相符栽CPU架构,因而人们将这些指令集联相符称之为X86指令集,也就是所说的X86架构。 

1981年操纵X86架构的8088芯片首次用于IBM PC机中,开创了崭新的微机时代,也就是行家熟知的幼我PC时代。 

1993年,Intel推出了奔腾处理器Pentium。Pentium是x86系列一大革新。其中晶体管数大幅挑高、添强了浮点运算功能、并把十年未变的做事电压降至3.3V。如许不光能够大幅缩短功耗,也让性能有了新的突破。 

奔腾处理器的诞生,让Intel公司屏舍了只会做矮性能处理器的帽子,其运走速度达到做事站处理器的程度。Intel一举超过一切日本半导体公司,坐上了半导体走业的头把交椅。 

此后,以Intel、AMD等公司为代外的X86架构芯片便横扫世界,总揽了幼我PC与服务器时代,书写着王朝的史诗。 

王朝演替,各据半壁江山 

技术决定能否挑供需求,而需求也决定了技术发展的倾向。 

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矮,对手机等移动设备需求隐晦升迁,在这个需求变革契机,另一巨头ARM展现出来,开启了本身的传奇。 

1981年,电子设备设计和制造公司Acorn迎来了一个可贵的机遇,英国广播公司BBC打算在整个英国播放一套挑高电脑广泛程度的节现在,他们期待Acorn公司能生产一款与之配套的电脑。 

接下这个义务之后,Acorn公司就最先干了首来。很快他们就发现,本身产品的硬件设计并不克已足需求。那时CPU的发展潮流,正在从8位变成16位,性能正在大幅升迁。Acorn本身并不约束造生产芯片,他们只能往追求其他厂商正当的芯片。 

一路先,他们打算操纵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,芯片的实走速度有点慢,休止的回响反映时间太长。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。 

于是他们打算往找那时如日中天的Intel,期待对方挑供那时代外最先辈技术的80286处理器的设计原料和样品,但是,却遭到了拒绝。无奈下Acorn公司只能本身造芯片。 

经过多年的搏斗,Acorn最后完善了CPU的设计。对于这块芯片,Acorn给它命名为Acorn RISC Machine。这也就是这就是远近著名的“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。 

图为:ARM公司商标

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,就在联相符年,1985年10月,英特尔发布了80386。在80386眼前,ARM1显得松柔不堪。在ARM1之后,Acorn不息推出了益几个系列,例如ARM2,ARM3。 

1990年,Acorn公司正式改组为ARM计算机公司——Advanced RISC Machines(固然缩写相通,但ARM芯片是Acorn RISC Machine的缩写)。ARM公司是Acorn、苹果、诺基亚、VLSI、Technology等公司的相符资企业。 

固然Intel不息迈向X86高效能设计,而ARM则凝神于矮成本、矮功耗的研发倾向。两者看似有着差别的倾向,但在Intel兴旺的统属下,ARM并不益过。 

在这个情况下,ARM决定转折他们的产品策略,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。浅易来说就是,ARM不再像Intel相通,一颗芯片的设计、制作、封装都由本身来完善,它相等于出售本身的“设计图纸”,剩下的由购买方本身往完善。 

没想到正是这栽模式,开创了属于ARM的崭新时代。

1991年,ARM将产品授权给英国GEC Plessey半导体公司。 

1993年,ARM将产品授权给Cirrus Logic和德州仪器(Texas Instruments,TI)。

与德州仪器的配相符,给ARM公司带来了主要的突破。而且,也给ARM公司竖立了声誉,证实了授权模式的可走性。 

此后,越来越多的公司参与到这栽授权模式中,与ARM竖立了配相符相关。其中就包括三星、夏普等公司。 

由于手机不必要像电脑那样兴旺的性能,它们更必要便捷性与矮功耗,因而手机厂商不必要X86架构那样兴旺的性能,产品展示因此大量操纵ARM架构往设计,随着移脱手机井喷式的添长,ARM架构也随之水涨船高。 

2007年,真实的划时代产品展现了。那就是iPhone。 

苹果iPhone的展现,彻底推翻了移动电话的设计,开启了崭新的时代。第一代iPhone,操纵了ARM设计、三星制造的芯片。 

iphone的炎销,App Store的快捷兴首,让全球移动行使彻底绑定在ARM指令集上。紧接着,2008年,谷歌推出了Android(安卓)编制,也是基于ARM指令集。 

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。

2011年,就连传统Wintel联盟(windows intel)的微柔,也宣布Windows8平台将正式声援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波动,也标志着ARM架构处理器正式成为另一新的巨头。  

巨头弊端展现,夹缝中杀出的RISC-V 

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。两栽差别架构各有偏重。能够说是上风互补、无法替代的相关。 

而在下一个时代,物联网的时代,他们是否还能不息稳稳坐在第一的位置上? 

CISC(复杂指令集)和RISC(精简指令集)是现在CPU的两栽架构别离采用的指令集。X86架构采用CISC,ARM架构采用RISC。 

从性能上看,X86架构的芯片,不论如何都比ARM架构的芯片在更快、更强。

X86架构的CPU运走首来,随意就是1G以上的运走内存,并能够采用双核、四核等模式来强化性能,清淡操纵45nm(甚至更高级)制程的工艺进走生产。而ARM架构方面:CPU清淡是几百兆的运走内存,近来才展现1G旁边的CPU,制程清淡操纵不到65nm制程的工艺。 

能够说,在性能和生产工艺方面ARM架构根本不是X86架构的对手。 但ARM架构的上风不在于性能兴旺而在于效果,ARM架构采用RISC流水线指令集,在完善综相符性做事方面处于劣势,但在一些义务相对固定的行使场相符其上风就能发挥得淋漓尽致。  

从拓展能力来看,X86架构的设备采用“桥”的手段与扩展设备,如硬盘、内存等,进走连接,而且X86架构的设备展现了近30年,其配套扩展的设备栽类多、价格也比较益处,因而X86架构的电脑能很容易进走性能扩展,如增补内存、硬盘等。 

ARM架构的设备是议决专用的数据接口使CPU与数据存储设备进走连接,因而ARM的存储、内存等性能扩展难以进走,清淡在产品设计时已经定益其内存及数据存储的容量,因而采用ARM架构的编制,清淡不考虑扩展。基本奉走“够用就益””的原则。 

从功耗来看,高功耗导致了一系列X86架构无法解决的题目展现:编制的续航能力弱、体积无法缩短、安详性差、对操纵环境请求高等题目。从这边吾们能够发现X86架构与ARM架构是在两个十足差别周围方面的行使,它们之间根本不存在替换性。 

在服务器、做事站以及其他高性能运算等行使方面,能够不考虑功耗和操纵环境等条件,这时X86架构占了绝对上风;但受功耗、环境等条件制约且做事义务固定的情况下ARM架构就占领很大的上风,在手持式移动终端周围,X86架构的功耗更使其毫无用武之地。  

相比于X86架议和ARM架构,RISC-V架构显得有点名不见经传。 

RISC-V,清淡念做:riskfive。V,就是罗马数字5。 

许多人挑到RISC-V,都会说它是开源芯片。其实这栽说法不是很实在。实在来说,RISC-V是一个基于“RISC(精简指令集)”原则的开源指令集架构,是RISC架构的子集。 

既然是RISC架构的子集,那么它为什么敢挑衅两大架构的地位?

其实这与芯片走业现在的格局与发展倾向相关。 

现现在,随着5G、物联网、人造智能等技术的荣华发展,越来越多的企业期待生产和制造服务于各个垂直走业的终端和模组。 

但X86架构不息是Intel和AMD两家公司掌握的封闭性技术,异国清晰的知识产权授权模式。而ARM架构则必要上亿振奋的授权费用。这都使得中幼企业、创新企业看而却步。 

这时,RISC-V出现在了人们的视野。RISC-V基于幼型、快速、矮功耗等现原形况设计,而且其设计者也并异国对特定的微架构进走太甚的设计,碰巧能够已足物联网时代传感器:矮性能,组织浅易,矮功耗的需求。  

突围成功照样战败 

RISC-V的多多益处是能够看得到的,RISC-V架构采用的开源手段,其指令集能够解放地用于任何主意,批准任何人设计、制造和出售RISC-V芯片和柔件而不消支付给任何公司专利费。 

固然这不是第一个开源指令集,但它具有主要的意义:RISC-V的设计能够十足适用于当代计算设备(如仓库周围云计算机、高端移动电话和微弱嵌入式编制);设计者考虑了差别用途的性能与功率效果;RISC-V还拥有多多声援柔件,这解决了新指令集清淡的瑕玷。 

中国工程院院士倪光南多次在公开演讲中外示,RISC-V的上风,在于其包含了CPU发展过程中特出的创新点,在技术上专门齐全。由于“年轻”,它不光专门精简,而且异国所谓的“历史包袱”。比如,一个技术手册,由于ARM和英特尔都必要与本身的上一代产品兼容,能够必要2000多页,而RISC-V却只必要几百页。 

但倪光南院士也给出几点警示,对于移动端和 PC 端市场而言,RISC-V 的生态远未成熟到与英特尔、ARM 等“王朝元老”相匹敌的地步。 

最先RISC-V架构开源规则本身有必定的限制性。RISC-V强调十足开源的设计,并且让取用者可肆意添上专属指令集,甚至能够解放选择将架构封闭照样维持开源。如许就导致了 RISC-V架构能够展现,固然拥有更多的指令集,却无法共用的题目。 

当各个公司做出具有本身公司特色的芯片时,倘若他们选择将本身的专属指令集保密,那么若干年后,很能够展现芯片互不兼容的情况,而如许的碎片化题目往往是不幸于产业发展的。 

就像Android(安卓)编制本身是一个开源的编制,但经过华为、幼米、OPPO等厂商各自开发成本身的编制之后,就变得不在互相兼容了,这也是RISC-V架构开源规则本身的限制性。 

此外,RISC-V架构生态缺乏。现在,英特尔推动的x86架构市场照样重大,几乎从传统PC 到数据中央周围的服务器都在操纵基于x86架构的处理器,同时相关柔件带动的行使服务也有长达40年的优化发展历史。 

对于ARM架构已产生的重大市场行使周围,RISC-V架构更添难以取代,而且ARM的IP授权模式已经趋于完善,尽管授权费用振奋,但各大厂商照样笑此不疲,例如吾国华为海思、展讯、复兴、全志等芯片皆是采用ARM架构。 

固然RISC-V架构刚刚首步,还面临着多多不确定性,但从1958年集成电路发明以来,吾们也看到了整个产业发生了多次的变迁,不论是市场的转折,照样技术的创新,走业不息在带给吾们惊喜。 

RISC-V架构具有浅易和变通的特性,专门正当安放到物联网、限制器、数据中央的专用芯片和边缘计算等行使场景,具有通俗前景。异日,期待具备“得天独厚”上风的 RISC-V能随着吾国物联网的先发上风而大放异彩,成为赶超西洋的新动力。

 


posted @ 20-01-08 03:39  作者:admin  阅读量:

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