目前,主要的CPU架構有四種:ARM、X86、MIPS、Power。
其中ARM/MIPS/Power均是基于精簡指令集機器處理器的架構;X86則是基于復雜指令集的架構,Atom是x86或者是x86指令集的精簡版。
精簡指令集,是計算機中央處理器的一種設計模式,也被稱為RISC(Reduced Instruction Set Computing的縮寫)。特點是所有指令的格式都是一致的,所有指令的指令周期也是相同的,并且采用流水線技術。
復雜指令集,英文名是CISC(Complex Instruction Set Computer的縮寫)。它是英特爾生產的x86系列(也就是IA-32架構)CPU及其兼容CPU,如AMD、VIA的。即使是現在新起的X86-64(也被稱為AMD64)都是屬于CISC的范疇。
ARM、X86、MIPS和Power簡介
ARM
ARM架構過去稱作進階精簡指令集機器(Advanced RISC Machine,更早稱作:Acorn RISC Machine),是一個32位精簡指令集(RISC)處理器架構,其廣泛地使用在許多嵌入式系統設計。由于節能的特點,ARM處理器非常適用于移動通訊領域,符合其主要設計目標為低耗電的特性。
x86
xx86或80x86是Intel首先開發制造的一種微處理器體系結構的泛稱。x86架構是重要地可變指令長度的CISC(復雜指令集電腦,Complex Instruction Set Computer)。
MIPS
MIPS,是一種采取精簡指令集(RISC)的處理器架構,1981年出現,由MIPS科技公司開發并授權,廣泛被使用在許多電子產品、網絡設備、個人娛樂裝置與商業裝置上。最早的MIPS架構是32位,最新的版本已經變成64位。不過MIPS目前已經不是市場主流。
Power
POWER是1991年,Apple、IBM、Motorola組成的AIM聯盟所發展出的微處理器架構。PowerPC是整個AIM平臺的一部分,并且是到目前為止唯一的一部分。Power架構目前也不是市場主流了,發展前景并不被看好。
國產處理器廠家有哪些
目前,在移動芯片領域,ARM架構的芯片占據了90%以上的市場份額,在服務器CPU市場上,英特爾X86處理器占據超過90%市場份額。MIPS和Power雖然已經不是主流,卻也有不少廠家在使用。
首先來看ARM處理器,ARM架構是公開授權的。ARM自身并不生產芯片,只轉讓芯片設計許可。ARM的授權分為3種,分別是架構授權、內核授權和使用授權。
架構授權:是指企業購買了架構級的ARM處理器設計和制造許可。企業獲得架構授權之后,可以從整個架構和指令集方面入手,對ARM架構進行大幅度改造,甚至可以對ARM指令集進行擴展或縮減,以便達到更高性能、更低功耗或更低成本等不同目的。
內核授權:內核授權則是指用戶可以將其所購買的ARM核心應用到其自行設計的芯片中。但用戶不得對其購買的ARM核心本身進行修改。
使用授權:擁有使用授權的用戶只能購買已經封裝好的ARM處理器核心,而如果想要實現更多功能和特性,則只能通過增加封裝之外的DSP核心的形式來實現。
? 移動芯片領域:華為、展訊、小米
華為
華為在2013年購買了ARM的架構授權,也就是說華為可以對ARM原有架構進行改造和對指令集進行擴展或者縮減。從2013年到現在,海思麒麟處理器已經從910更新到980,并且一直在升級。
有消息稱麒麟980處理器將在8月31日與華為Mate 20新機同時發布。麒麟980擁有8 核心,4個A77大核,4個A55小核心,采用臺積電7nm制成工藝。來自極果曝光的華為Mate 20跑分顯示,麒麟980處理器跑分超過了35W分,超過驍龍845處理器5W左右。
展訊
展訊處理器也有部分采用ARM架構,展訊通信是中國領先的 2G、3G 和 4G 無線通信終端的核心芯片供應商之一,成立于2001年,于2013年12月23日被紫光集團收購,2016年與銳迪科整合成為紫光展銳。
展訊的處理器芯片主要面向中低端,其中一款SC9832集成四核ARM Cortex-A7處理器,該方案已經被中國移動、酷派、360、Micromax、Condor等眾多國內外智能手機品牌采用。
小米
2017年2月,小米公布了史上研發周期最長的一款產品,自主芯片澎湃S1,引起業界一片喧囂。因為作為手機廠商,自主研發處理器芯片,當時世界上也只有蘋果和華為兩家。
據當時報道,這款SoC的CPU部分為四核1.4G主頻的Cortex A53和四核2.2G主頻的Cortex A53,與海思麒麟650(4核2.0GHz A53+4核1.7GHz A53)、高通驍龍616(4核1.7GHz A53+4核1.2GHz A53)、高通驍龍625(8核2.0Ghz A53)屬于同一個檔次。
搭載澎湃S1的手機是小米5C,當時的消息是說,小米的C系列后續機型都會搭載自家的松果處理器,然而澎湃S2卻遲遲未見發布,據內部消息透露,以小米高性價比的利潤,根本就無法承擔澎湃S2的研發費用,以后不會有澎湃S2,小米6C也不會再出現。
? 服務器芯片領域:阿里、華芯通、飛騰
阿里
2016年12月,ARM與阿里在數據中心業務展開合作,阿里巴巴宣布將在自身數據中心的服務器上大量采用ARM設計的低功耗CPU,逐步替換Intel產品。
消息稱,阿里巴巴自主運營著支撐巨大電商業務的數據中心,同時還在中美等國提供名為“阿里云”的云服務。伴隨需求增加,阿里巴巴將在各地增設數據中心。同時,因設備類耗電量正在迅速增大,該公司將逐步把英特爾CPU改為ARM產品,以提高用電效率。
華芯通
華芯通半導體由貴州省政府與美國高通于2016年創立。2018年5月27日,華芯通半導體正式發布其ARM架構服務器芯片品牌-昇龍(StarDragon)。
昇龍處理器是華芯通第一代服務器芯片產品,它是兼容ARMv8架構的48核處理器芯片,采用目前國際上先進的10納米工藝,在性能上媲美國際市場中高端服務器主流芯片產品水平。
飛騰
2014年10月,飛騰第一款兼容ARM指令集的CPU——FT-1500A面世,成為國產CPU的代表之作。隨后,飛騰又在2016年推出了FT-2000(代號為“火星”),并在2017年流片了優化升級的FT-2000+芯片,后者是飛騰目前最頂尖也是性價比最高的芯片產品,其實測性能達到了2014年Intel志強E5主流服務器芯片的水平。
然而日前,有報道稱國內國內自主芯片領軍廠商飛騰存在芯片造假,引起行業人士的關注。8月3日,天津飛騰就此事召開新聞發布會回應稱,天津飛騰的CPU產品基于ARM技術架構研發,但包括CPU計算模塊(內核)在內的代碼部分均為公司歷時多年自主研發完成。
面對芯片造假傳聞,飛騰公司總經理谷虹回應道,“我們從未向ARM購買包括Cortex A57在內的任何CPU產品,更不可能將沒有購買過的產品打上所謂標簽推向市場。”
再看MIPS處理器,國內有龍芯、北京君正就是采用的MIPS架構。
龍芯
龍芯是中國科學院計算所主導研發的通用CPU,主要產品有龍芯1號、龍芯2號和龍芯3號。龍芯1號的頻率為266MHz,最早在2002年開始使用。龍芯2號的頻率最高為1GHz。龍芯3A是首款國產商用4核處理器,其工作頻率為900MHz~1GHz。龍芯3A的峰值計算能力達到16GFLOPS。龍芯3B是首款國產商用8核處理器,主頻達到1GHz,支持向量運算加速,峰值計算能力達到128GFLOPS,具有很高的性能功耗比。
目前,龍芯1號處理器已經隨北斗衛星上天,并且已經有十多顆北斗衛星使用了龍芯1E和龍芯1F作為主控芯片。1號芯片的抗輻照能力可以與現在使用的國外芯片一較高下,價格和性能都要優于國外芯片。
龍芯2號芯片2K1000處理器在國產高性能芯片中的價格是最低的,和同性能TI芯片的開發板價格接近。2K1000處理器已經在石油、軌道交通、電力等領域有了應用,性能與國外芯片相當。
龍芯3A處理器采用的是RISC架構,兼容MIPS指令,原生四核設計,內含兩條HT PHY超傳輸總線,采用65nm(納米)工藝,主頻1GHz,晶體管數目4.25億個, 單顆龍芯3A的最大功耗為15W,一臺刀片服務器功耗也僅為110W(兩顆龍芯3A處理器,16GB內存,1塊250GB硬盤,兩塊1000Mbps網卡等),理論峰值為16Gflops,每顆CPU單瓦特能效比1.06Gflops/W,是目前X86 CPU的2倍以上,達到了世界先進水平。
北京君正
成立于2005年,致力于在中國研制自主創新CPU技術和產品,目前已發展成為一家國內外領先的嵌入式CPU芯片及解決方案提供商。
有人認為,北京君正在人工智能CPU上很出色。北京君正既可以自己開發一套人工智能指令集,也可以單獨開發一個人工智能加速單元。而且這些都可以直接嵌入cpu的底層,也就是cpu的人工智能指令集,和北京君正早期開發的simd同理。這和寒武紀只是外圍的指令集,而非cpu指令集,其中的差距是很大的。也就是說北京君正的AI cpu 從速度和功耗肯定比寒武紀要好。
有人認為,北京君正基于MIPS架構的芯片,在同等工藝上,功耗比ARM有優勢,但兼容性很差。在移動操作系統已經被安卓和ios徹底統一的現在,尤其是安卓,90%以上的安卓設備都是ARM的。但是ARM指令集和MIPS并不兼容,所以市面上大部分為ARM優化的程序不能在君正的MIPS處理器上直接運行。君正要想在市場上生存,必須要把ARM納入視野。
在Power處理器上,中晟宏芯于2014年獲得了Power 8架構的授權,然而目前Power架構目前已經不是主流市場。
中晟宏芯
該公司從2013年末成立以來也是問題重重,不間斷的進行股權更換,甚至在2016年鬧出欠薪風波,總體來說,在國產芯片的發展上,基本沒有看到顯眼的成績。
申威處理器
在國產處理器發展過程中,江南所的申威處理器也很值得一提,申威處理器使用的是Alpha指令,主要用于超算處理器中,國內最強的超算神威·太湖之光就使用了申威的處理器。
文中第一部分并未提到Alpha架構,Alpha也不是主流架構。資料顯示,Alpha架構于1992年2月25日,在東京召開的一次會議上面被正式推介。Alpha處理器最早由DEC公司設計制造,在Compaq(康柏)公司收購DEC之后,Alpha處理器繼續得到發展,并且應用于許多高檔的Compaq服務器上。
最后重點介紹X86處理器,事實上真正做到高性能且通用的處理器只有X86。
上海兆芯
上海兆芯的X86處理器在VIA X86處理器上改進,VIA是可授權X86的三家公司之一,另外兩家分別是英特爾和AMD。目前可授權X86的企業有英特爾、AMD、VIA。
上海兆芯最新的KX-5000架構做到了8核架構,性能與英特爾的Core i3-6100處理器接近,進步也是非常明顯。
海光(Hygon)
2018年7月,中國國產Dhyana X86處理器開始啟動生產,引起業界高度關注,這預示著國產處理器芯片又進一步。
北京時間7月9日,由海光(Hygon)負責制造的中國國產Dhyana(禪定)x86處理器開始啟動生產。早在2016年AMD與中國海光集團達成的合作協議,AMD將高性能X86架構授權給中國公司,授權費是2.93億美元,而Dhyana處理器就是雙方合作的產物,主要針對服務器市場。
此次授權對于國內芯片產業發展,收益是有的,不過也存在很多問題。從收益層面來看,海光生產出了X86 CPU,該款處理器性能還相當高。但是如果要站在是否掌握X86 CPU關鍵技術層面來看,還是有一定差距。
因為產品從設計到成品需要經歷很多環節,而很多環節中方并沒有參與。當時AMD與天津海光達成協議,設立合資公司開發X86芯片的時候,同時與海光成立了兩個公司,一個叫做成都海光微電子(HMC),一個叫做和成都海光集成電路設計有限公司(Hygon)。其中 AMD持有HMC 51%股份和Hygon 30%的股份。
其中,HMC享有IP所有權,然后授權給Hygon進行芯片的設計,而Hygon設計出芯片之后再交由HMC進行生產。HMC找代工廠生產之后,再交由Hygon來銷售,也就是說這中間很多環節中方根本沒參與。
總結:國產CPU的發展,一直是業界人士關注的重點,無論是移動領域還是服務器領域,都是從無到有,從有到優逐漸在發展,只是未來還有很遠的路要走。
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