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什么是芯片架构?芯片架构的重要性

2022-05-01 17:53:17 | 作者:bob球彩

  我国目前在芯片领域主要是卡在制造和设计软件上,可就在2020年9月14号,美国的芯片巨头英伟达宣布将从日本软银手里以400亿美金的价格收购全球最大的半导体IP提供商ARM公司,一旦这一收购完成,无疑将对我国的芯片设计行业带来更大挑战,可以这么说,如果ARM被英伟达囊入怀中,我们当下需要尽快攻破的难题又多了一个,而这个难题就是除了光刻机和EDA软件外,另一项对芯片研发至关重要的基础技术,指令集架构。

  也许指令集架构,你听着比较陌生,为了便于大家了解,我们需要先讲一下英伟达跟ARM这两家公司。说起英伟达,很多人应该多少知道一些,特别是喜欢玩游戏的朋友,电脑里大部分装的都是英伟达的GPU(显卡),它是目前全球最大的图形处理芯片设计公司,在独立GPU的市场占有率为73%,远高于对手AMD的27%,随着英伟达持续在人工智能和数据中心的发力,让它的市值在20年正式超过美国芯片老大英特尔,达到3000多亿美元,随着自身迎来高光时刻,英伟达一直想补足在移动领域的短板,其实不仅仅是英伟达,英特尔,AMD这种传统做PC芯片的公司,都没在手机平板领域做起来,这背后主要的原因就与指令集架构有关。

  在移动端芯片谁做起来了呢,就是英国的ARM公司,目前全球90%以上的移动终端设备里使用的都是基于ARM架构的芯片,而ARM之所以能崛起,主要有两个原因,一、ARM所设计的芯片指令集架构相比英特尔设计的更适合移动设备,其特点主要是低功耗,低成本,从苹果的iPod到第一代iPhone用的都是ARM的芯片架构,这也奠定了ARM后来在移动终端的地位。二、ARM在经营策略上,采用IP授权模式,就是卖芯片设计方案给其他公司,通过技术授权费和版税营业,因为收费不高,大大降低了芯片设计公司的早期研发成本和风险,进而促使很多公司都愿意采用ARM的技术,所以ARM的生态圈越来越大,像高通,苹果,华为,三星,包括想要收购ARM的英伟达,都在一些芯片上使用了ARM的架构。

  其实ARM成功与现在很多互联网公司很像,先以低价占领市场,当大家都用它的产品时,就有了行业话语权,一般ARM对客户收取的一次性技术授权费,在100万到1000万美元之间,然后客户每卖出去一颗基于ARM技术的芯片,还需要支付1%到2%的版税,这点钱对动辄几十上百亿投资的半导体行业来说,简直就是白菜价了,我国的芯片设计公司,未来也可以借鉴ARM模式,迅速做大市场。

  ARM的低价模式也有一个问题,就是它的营收上不来,2017年到2019年的三年中,ARM的营收分别为18.3亿美元,18.36亿美,18.98亿美元,也就是说,自从2016年孙正义的软银在收购了ARM以后,ARM的营收基本没涨,要知道,当时软银买它可是花了320亿美元,对ARM寄予厚望的孙正义还称这是他一生中最重要的交易,只可惜他太高估了ARM的赚钱能力,四年后还是无奈的决定出售,当然,如果不是因为软银这几年间接连的投资不利,估计还会持有ARM一段时间,毕竟400亿美元卖给英伟达,刨去各项费用,对软银来说,相当于没赚钱。

  根据软银与英伟达之间的协议,支付给软银的400亿美元中,有215亿是英伟达的股票,120亿是现金,还有价值15亿的股票给ARM员工,以及未来ARM完成业绩目标后,才会再给软银50亿的现金和股票,其实软银本来就是英伟达的大股东之一,这次操作对他们可以说是各取所需,通过收购ARM,英伟达可以把技术融入到ARM的生态当中,相当于一下就拥有了对移动芯片市场的巨大影响力,同时,在数据中心,人工智能,物联网等领域,两者是很好的互补。

  软银在这笔交易中,既收回了一些资金,并且重仓了英伟达,有了ARM的加持,英伟达的实力会大幅提升,未来在资本市场的收益将有很大空间,也让软银在芯片领域拥有更大的话语权,这就是软银本来可以选择ARM上市,但是他没有,反而决定卖给英伟达,这笔交易对ARM来说,基本是没有什么好处的,反而会让ARM在以后的发展处于劣势,很多芯片公司都使用的是ARM架构,而这些芯片公司之间是有竞争关系的,英伟达也不例外,所以英伟达收购ARM,会让其他的芯片公司担忧,ARM失去它一直保持的独立性和中立性。

  从长期来看,ARM被收购后,除了对外业务会涨价外,技术逐渐融于英伟达是必然的,这会导致ARM的商业模式不复存在,成为一家主要服务于英伟达的研发部门,虽然英伟达的CEO黄仁勋承诺会保持ARM的独立性,但能有多少人相信呢,大家都开始制定计划B,而且ARM一旦从英国公司变成美国公司,英国在科技上更是少了话语权,只能附庸于美国,所以消息一出,深知这一收购会对ARM带来重大影响的创始人赫尔曼豪泽,就写信给英国首相鲍里斯,希望英国政府能阻止这一收购。

  好在这种体量的收购受到国际反垄断法的约束,而且每个国家也都有自己反垄断法的相关规定,所以跨国大公司间想要收购,它必须获得其产品所在市场国家的政府同意,才能完成收购,如果其中有一个国家反对,它要么退出该国家市场,要么只能放弃收购,所以,虽然英伟达和软银宣布了收购事项,但它接下来还需要获得英国,欧盟,中国等国家的同意,要知道,中国当下设计的高端芯片中,有95%都用的是ARM的技术,所以英伟达到底能否成功收购ARM,这件事儿的变数还是挺大的,不过,对我们国家芯片长远发展来说,最重要的还是实现芯片指令集架构的自主研发,和完善GPU、CPU、操作系统、软硬件等在内的整个生态,这样我们的芯片产业,才能实现闭环,真正做到自给自足。

  美国芯片巨头英伟达试图收购英国ARM背后的深意,这其中涉及芯片产业的核心技术指令集和微架构,但是我国目前在芯片领域,除了光刻机和EDA软件以外的另一难题,芯片中的指令集与微架构到底是干什么用的,我国目前在这领域面临的困境以及未来如何破局。首先说指令集,在我们的手机和电脑等设备里最核心的部件就是CPU,它负责进行各种运算,从而让我们在使用时实现各种功能,而作为用户感受到的功能实现都是基于软件层面的,不管你是手机看了下微信还是电脑打开个网页,这些功能实现的基础是得有一个完备的操作系统。

  而完备的操作系统这一块目前在全世界由美国垄断,电脑端有微软的Windows和苹果的Mac,手机端有谷歌的安卓和苹果的IOS。操作系统是由程序员用C、C++等高级语言编写出来的,其目的简单来说就是对CPU发出指令,让CPU按照我们的要求进行运算,但问题来了,计算机高级语言是方便人类逻辑理解的编程语言,机器是理解不了的,要知道CPU的物理性质也只是一种电路元件,所以当操作系统发出一个指令后,需要通过编译器转化成二进制代码,也就是0和1的数字来实现对机器的指令传输,为了能把CPU的性能发挥到极致,在研发之初,芯片公司就为处理器建立了一套完整的指令集。

  目前最流行的指令集主要有两种,CISC复杂指令集,RISC精简指令集,这两种指令集的区别,从名字上就能看出复杂指令集支持的指令更多,每种运算需求都有自己一套完整的指令,比如你去超市买牙膏,需要出门步行进超市购买这几个步骤,所以要实现买牙膏这整个步骤流程,也就是我们说的指令,一开始就设计在了芯片当中,如果你要实现买水果,就还有一套买水果的指令,因此,采用复杂指令设计出来的CPU更强大,运算效率更高。

  早期来说,复杂指令集的各种指令中大约有百分20的指令会被反复使用,使用频率占整个程序代码的80%,余下80%的指令却不经常使用,只占程序设计的20%,像我们刚才说的买牙膏和买水果,这里面80%的步骤都是一样的,只是牙膏和水果这两个东西不同而已,而精简指令集就是把复杂的指令集进行简化,不用让每个需求都有一套单独的指令,简单来说就是不管你去超市买什么东西,出门步行进超市购买这几个步骤都是一样的,所以每次你买不同的东旭,都是使用这几个步骤(指令),不用因为你买的东西不同就设计一套不同的指令,所以精简指令集对于芯片研发来说,门槛更低,相比于复杂指令集更适用高难度运算的电脑CPU,精简指令集则更适用于运算要求较低,使用功耗也更低的手机CPU。

  在两种指令集的基础上,有分别产出了不同的架构,最有代表性的一个是英特尔的x86架构,另一个就是ARM架构,x86架构基于复杂指令集,ARM架构基于精简指令集,那么架构指的又是什么呢?简单来说,架构基本上等于指令集,这就是我们经常会把指令集架构当成一个词来说的原因,所以当听到有人说芯片架构,他们主要指的就是指令集架构,指令集与架构唯一的区别,就是针对CPU,架构是指在指令集的基础上,实现对CPU内所含部件,如控制单元,逻辑单元,存储单元的一系列完整设计安排。

  CPU里,还有一种架构,我们称之为微架构,在买电脑时,我们经常会看到四核六核这样的信息,这里面的核指的就是CPU的核心,而微架构,就是对这些核心的设计,它包含核心可以达到的最高频率,核心在一定频率下能执行的运算量,一定工艺水平下核心的能耗水平等,如果说指令集架构是上层的芯片运算逻辑规范,那么微架构就是底层的电路设计的实现,是在指令系统架构的框架之内进行的,在业界,微架构是芯片研发企业的核心,也是技术含量最高的领域之一,就是实现独立微架构研发的企业,才能真正具备CPU的自研能力,而这也是我国众多芯片设计企业目前面临的难题。

  电脑端的芯片,从指令集到微架构,主要是由英特尔和AMD垄断的,这两家都是美国的公司,AMD最早也是从英特尔拿到X86指令集架构的授权,但微架构与英特尔的不一样,因为英特尔很少对外授权X86架构,所以我国企业目前在自研电脑CPU这块还比较空白,有在做的,但并没有市场形成太强的影响力。而手机端的芯片就是ARM垄断了,我国大部分的芯片设计企业基本上都是买的ARM的设计方案。

  虽然像苹果、高通这样的企业,他们也是用的ARM是指令集架构,但他们的微架构是完全自己研发的,CPU能力比公版的ARM强大很多,而我国包括华为在内,虽然目前拥有ARM指令集架构的永久授权,但微架构的研发能力还很弱,手机目前大多数使用的都是SOC芯片,也就是把CPU、GPU等元件集成在一个芯片上,而我们的强项是将不同的元器件组合在一起,让他们变得更高效,也就是别人做好的核,我们把它们组装起来,我们把它组装起来啊,而下一步的重要任务就是我们现有的芯片企业实现自己对核心微架构的研发,真正设计出我们自己的芯片。

  那么,我国该如何走出自己的芯片架构之路呢?首先,在指令集层面,RISC是目前业内最被看好,有机会弯道超车的新架构,这是一种开源的指令集架构,本身是不收费的,2010年才诞生,比ARM还要精简,并建立了不同的模块,来应对不同的场景,因此,开发起来更简单,最终生产出的芯片,相比今天的ARM成本与功耗都会更低,再加上开源的定制特性,让它在未来的物联网领域大有前景,而且芯片公司可以对指令集进行修改,拓展并销售修改后设计方案,这里面有机会诞生下一个ARM,我国多家芯片公司已经成立了RISC-V产业联盟,大家合力,有望更快推进RISC-V的发展。

  再有就是操作系统层面,一定要对指令集形成生态支持,就如X86的成功,是因为有Windows,ARM是因为有安卓和IOS一样,RISC-V也要有一个可以与它绑定,同时可以覆盖大量用户和软件开发者的操作系统,但这也是一个大难点,因为操作系统和指令集是相互赋能的关系,但RISC-V目前还没完全发展起来,所以也就不会有企业愿意去做基于RISC-V的操作系统,没有了操作系统的支持,RISC-V想发展起来就会很慢,目前有的解决办法是,先从对操作系统要求较强的物联网细分领域开始,逐步进入移动端和电脑端,当然还有终极一招,就是自己研发指令集、微架构和操作系统,我国的龙芯中科已经在这么做了,那些指令集Longacre也研发完成,相信未来会有更多有实力,有决心的公司加入到芯片自主研发大军中。



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