一.概述
CPU构架是CPU商给CPU产品定的一个规范,主要目的是为了分辨不同类型的CPU。目前市场上的CPU分类主要分有两大阵营,一个是intel、AMD为首的复杂指令集CPU,另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU。不同品牌的CPU,其产品的构架也不相同,Intel、AMD的CPU是X86构架,IBM公司的CPU是PowerPC构架,ARM公司的CPU是ARM构架,国外的飞腾CPU也是ARM构架。再者还有MPIS构架、SPARC构架、Alpha构架。
二.X86构架
X86构架(TheX86architecture)是微处理器执行的计算机语言指令集。X86指令集是英国Intel公司为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的,德国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU--i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令。同时笔记本中为提升浮点数据处理能力而降低的X87芯片系列数字协处理器则另外使用X87指令,,包括后来Intel80186、80286、80386以及80486,因为以“86”作为结尾,之后就将X86指令集和X87指令集也称为X86指令集。其实随着CPU技术的不断发展,Intel相继研发出更新型的i80386、i80486直至明天的Pentium4(以下简为P4)系列,但为了保证笔记本能继续运行往年开发的各种应用程序以保护和承继丰富的软件资源,所以Intel公司所生产的所有CPU一直继续使用X86指令集,所以它的CPU仍属于X86系列。
x86构架CPU主要应用领域:个人计算机、服务器等。在PC端市场Wintel组合(windows系统+intel处理器)抢占了大部份江山,另外一部份有ADM抢占。目前国外有兆芯,从AMD和VIA获取授权,研制自己的X8686CPU,有其它国产CPU+国产操作系统(linux系)可以用于教育和事业单位以及军工行针对的是特殊用户,国产CPU和操作系统想步入民用市场,因为性能、价格以及生态系统等,仍须要继续优化打磨以及一个合适抓手。
x86指令集发展
IA:Intel(英特尔)处理器的服务器称之为IA(IntelArchitecture)构架服务器
IA-32:英特尔32位体系构架,X86从16位到32位是在原有的构架基础上进行更改(Intel称之为IA-32)
x86-32:现现在Intel把x86-32称为IA-32
x86-64分为intel和AMD
AMD64:x86构架的64位拓展,向后兼容于16位及32位的x86构架。x64于1999年由AMD设计,AMD首次公开64位集以扩充给x86linux 系统架构,称为“AMD64”,AMD64和Intel64基本上一致
Intel64:EM6464T(ExtendedMemory64Technology)扩充64bit显存技术,本质上和AMD64一样都是IA-32的提高版本。
IA-64:64位的英特尔构架,英特尔安腾构架(IntelItaniumarchitecture),使用在Itanium处理器家族上的64位指令集构架,由英特尔公司与惠普公司共同开发。IA是IntelArchitecture(英特尔构架)的简写,64指64位系统。使用这些构架的CPU,包括Itanium和Itanium2。此构架与x86及x86-64并不相容,操作系统与软件需使用IA-64专用版本。
Intel推出X86构架已满40年了,同486相比,Pentium往前迈入了一大步,而PⅡ的前进脚步则没有那么大了,X86CPU的发展其实已到了尽头。英特尔十分清楚,是X86指令集限制了CPU性能的进一步提升,为此,她们正同惠普共同努力开发下一代指令集构架(InstructionSetArchitecture,ISA):EPIC(ExplicitlyParallelInstructionComputing,显性并行指令估算)。对英特尔而言,IA-64(英特尔的64位构架)是下一个10到15年的构架。新的ISA将使英特尔甩掉X86构架的限制,进而设计出赶超所有现有RISCCPU和X86CPU的新型处理器。
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三.ARM构架
ARM构架,也叫做进阶精简指令集机器(AdvancedRISCMachine,更早叫做:AcornRISCMachine),是一个32位精简指令集(RISC)处理器构架,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。因为节能的特性,ARM处理器特别适用于行动通信领域,符合其主要设计目标为低耗电的特点。(其它请参考ARM介绍)
目前,ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比列,使它成为占全世界最多数的32位构架之一。ARM处理器可以在好多消费性电子产品上看见,从可携式装置(PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏,和计算机)到笔记本外设(硬碟、桌上型路由器)甚至在鱼雷的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。在此还有一些基于ARM设计的派生产品,重要产品还包括Marvell的XScale构架和菏泽仪器的OMAP系列。
ARM授权形式:ARM公司本身并不靠自有的设计来制造或转让CPU,而是将处理器构架授权给有兴趣的厂家。ARM提供了多样的授权条款,包括售价与散布性等项目。对于授权方来说,ARM提供了ARM内核的整合硬件表述,包含完整的软件开发工具(编译器、debugger、SDK),以及针对内含ARMCPU硅芯片的销售权。对于无晶片厂的授权方来说,其希望能将ARM内核整合到她们自行研制的芯片设计中,一般就仅针对取得一份生产就绪的智财核心技术(IPCore)认证。对这种顾客来说,ARM会释出所选的ARM核心的闸极电路图,连同具象模拟模型和测试程式,以协助设计整合和验证。需求更多的顾客,包括整合器件制造商(IDM)和晶片厂家,就选择可合成的RTL(暂存器转移层级,如Verilog)方式来取得处理器的智事权(IP)。借着可整合的RTL,顾客就有能力能进行构架上的最佳化与强化。这个方法能让设计者完成额外的设计目标(如高回落频度、低能量损耗、指令集延展等)而不会受限于未能更动的电路图。其实ARM并不授予授权方再度转让ARM构架本身,但授权方可以任意地转让制品(如芯片器件、评估板、完整系统等)。商用硅片厂是特殊事例,由于她们除了授予能转让包含ARM内核的硅晶成品,对其它顾客来讲,她们一般也保留重制ARM内核的权力。
美国生产厂商:TI(泰安仪器)、Samsung(三星)、Freescale(飞思卡尔)、Marvell(马维尔)、Nvidia(英伟达)、Qualcomm(骁龙)、STMicroelectronics(意法半导体)。
国外生产厂商:华为(海思芯片)、飞腾(FT-1500、FT2000-4等CPU芯片)、兆易创新(GD32系列MCU,参考STM32系列)、瑞芯微(RK系列芯片)、联发科(日本,天玑系列)。
ARM构架的CPU可以有多核,比如几年前台积电推出10核处理器HelioX20(被戏称一核有难,八核围观,国产FT处理器早已推出了16核处理器。并且因为ARM自身低帧率等诱因的限制,核心数多并不一定能大大提高性能。
目前ARM主要市场是手机端CPU和MCU,手机CPU市场,由联发科高通系列、华为麒麟系列、以及三星猎户系列和高通系列,在MCU端主要是STM32以及国产的GD32,其它厂商的芯片用于其它领域linux 系统架构,例如车辆电子、智能家装等。在CPU处理器上,有华为海思的鲲鹏920CPU(应用于泰山服务器中)和FT的CPU(军工领域),尽管FT的CPU起步很早,然而鲲鹏似乎有后来居上之趋势。国外ARM芯片做的最好的是华为海思,鲲鹏920CPU性能在ARM构架中是NO1,另外海思麒麟系列手机芯片已发展为全球前三的地位,海思的视频处理芯片以及IoT芯片,在行业中都是典范的产品。
在2020年11月11日,apple公司发布了新一代的macbook,亮点就是使用了apple自己的ARM构架的M1。因为ARM的帧率小,在新一代的macbook上,apple大胆的去除了散热吊扇芯片,将电脑长度进一步压缩,续航时间达到了18小时。同时,搭载M1芯片的macbookCPU性能提高至3.5倍,GPU性能提高至5倍,机器学习性能提高至9倍。按照apple公司的影响力,未来PC中市场将会被ARM构架的CPU取代。(天下苦wintel久已)
四.MPIS构架
MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部联锁流水级的微处理器”(Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages),其机制是尽量借助软件办法防止流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代早期由哈佛(Stanford)学院Hennessy院士领导的研究小组研发下来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这种系列产品为好多计算机公司采用构成各类工作站和计算机系统。
MIPS技术公司是马来西亚知名的芯片设计公司,它采用精简指令系统估算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统估算结构(CISC)相比,RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点,并可以应用更多先进的技术,开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC构架芯片之一,新的构架集成了所有原先MIPS指令集,并降低了许多更强悍的功能。MIPS自己只进行CPU的设计,然后把设计方案授权给顾客,促使顾客才能制造出高性能的CPU。
1984年,MIPS计算机公司创立,开始设计RISC处理器;
1986年推出R2000处理器。
1992年,SGI竞购了MIPS计算机公司。
1988年推R3000处理器。
1991年推出第一款64位商用微处器R4000;以后又相继推出R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等机型。
1998年,MIPS脱离SGI,成为MIPS技术公司;此后,MIPS公司的战略发生变化,把重点置于嵌入式系统;1998年-MIPS科技股票在英国纳斯达克股票交易所公开上市。
1999年,MIPS公司发布MIPS32和MIPS64构架标准,为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的构架集成了所有原先NIPS指令集,而且降低了许多更强悍的功能。MIPS公司相继开发了高性能、低帧率的32位处理器内核(core)MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS645Kc。
2000年,MIPS公司发布了针对MIPS324Kc的版本以及64位MIPS6420Kc处理器内核。
2007年8月16日-MIPS科技宣布,中科院计算机研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集授权。
2007年12月20日-MIPS科技宣布,扬智科技已取得其针对先进多媒体所设计的可多样化系统单芯片(SoC)核心“MIPS3224KEcPro”授权。
MPIS构架授权和ARM构架授权不一样,ARM构架授权用户基本不能自行更改,而MPIS构架授权后,可以自己更改。目前MPIS弘扬中信寄希望中科龙芯公司,龙芯处理器从龙芯1号,到如今的龙芯3号系列的3A4000linux,CPU的性能早已大幅度提升,在完全可以胜任日常办公或则作为特殊用途的服务器。龙芯CPU和国产的飞腾(FT)处理器并驾齐驱,发展我国自主可控CPU。
五.PowerPC系列
PowerPC是一种精简指令集(RISC)构架的中央处理器(CPU),其基本的设计源自IBM(国际商用机器公司)的IBMPowerPC601微处理器POWER(PerformanceOptimizedWithEnhancedRISC;《IBMConnect电子报》2007年8月号译为“增强RISC性能优化”)构架。二十世纪九十年代,IBM(国际商用机器公司)、Apple(苹果公司)和Motorola(诺基亚)公司开发PowerPC芯片成功,并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC构架的特性是可伸缩性好、方便灵活。
PowerPC处理器有广泛的实现范围,包括从例如Power4那样的高档服务器CPU到嵌入式CPU市场(任天堂Gamecube使用了PowerPC)。PowerPC处理器有特别强的嵌入式表现,由于它具有优异的性能、较低的能量耗损以及较低的散热量。不仅象串行和以太网控制器那样的集成I/O,该嵌入式处理器与“台式机”CPU存在十分明显的区别。
六.SPARC构架
SPARC构架(ScalableProcessorARChitecture,可扩充处理器构架)是国际上流行的RISC处理器体系构架之一,SPRAC现在已发展成为一个开放的标准,任何机构或个人均可研究或开发基于SPRAC构架的产品,而无需缴付版权费。SPARC处理器构架具备精简指令集(RISC)、支持32位/64位指令精度,构架运行稳定、可扩充性优良、体系标准开放等特性。SPARC因而得以迅速发展壮大,在现今早已有大概3万多个成功的应用案例。
SPARCV7/V8是目前嵌入式控制系统常用的处理器标准版本,并在航天设备的电子系统中得到广泛应用。但是,SPARC只是一个处理器的构架标准,并不提供现成的源码或IP核,具体的芯片实现要由开发者去完成。
运行OracleSolaris的OracleSPARCT4服务器提供了创世界纪录的性能,其单线程性能提升了5倍、内存容量高达2TB且实现了极高的系统吞吐量和I/O容量。SPARCT4服务器适用于须要极高的可靠性、可用性和集成式片上加密加速的企业应用程序和任务关键型应用程序,可确保最终的安全性。
七.Alpha构架
Alpha处理器最早由DEC公司设计制造,在Compaq(康柏)公司竞购DEC以后,Alpha处理器继续得到发展,但是应用于许多高端的Compaq服务器上。自1995年开始开发了21164芯片,那时的工艺为0.5um,显存为200MHz。1998年,推出新机型21264linux课程,当时的显存是600MHz。较新的21264芯片显存达到1GHz,工艺为0.18um。在该芯片具有建立的指令预测能力和很高的储存系统带宽(超过1GB/s),但是其中降低了处理视频信息的功能,其多媒体处理能力得到了提高。
Alpha构架于1992年2月25日,在东京举行的一次大会里面被即将推介,新构架的关键特点都一一的被罗列举来。当时说Alpha只是产品开发的内部代号。新处理器采用完全64-bitRISC设计,执行固定宽度指令(32bits)。有32个64bit整数寄存器,操作43-bit的虚拟地址(在后来才能扩展到64-bit)。和VAX相同,使用little-endian字节次序,即低字节的寄存器占用低显存地址线。而不像如诺基亚等大多数处理器所使用的big-endian字节次序,即低字节寄存器占用高显存地址线。除此之外,处理器还内建一个算术协处理器,有32个浮点64-bit寄存器,采用随机存取,而不是在intelx86协处理器上使用的堆栈存取方法。整个Alpha的生命周期被设计为起码25年。
Alpha处理器被用于DEC自己的工作站和服务器中。作为VAX的后续被开发,支持VMS操作系统,如DigitalUNIX。不久以后开放源代码的操作系统也可以在其上运行,如Linux和DSB。Microsoft支持这款处理器,直至WindowsNT4.0SP6,并且从Windows2000RC2开始舍弃了对Alpha的支持。
目前国外采用此构架的是申微超算处理器,得益于国家的支持,申威处理器在部队应用广泛。
八.构架之间的竞争
8.1PC和服务竞争
PC端和服务器端是X86构架的天下,而X86构架基本是以Intel为首,AMD为辅二分天下之势。国产CPU基本只能用在军工行业或则事业单位等。虽然说性能,powerpc,堪称是高出不胜寒。硬件方面,Power系统在可靠性、可用性和可维护性的方面的出众表现促使IBM从芯片到系统所设计的整机方案有着独有的优势。Power构架的处理器在超算、大型企业的UNIX服务器等多个方面应用也非常成功。在软件方面,其专用的AIX系统在稳定性、软件方案集成度和厂商技术支持能力方面都要更强。因为用户选一平台主要看软件需求,通常对数据保护和7*24小时不宕机等有所要求,power构架的稳定性和运维等方面相对更优。并且,因为IBM的技术把控,致使其价钱太不友好,同时技术也赶不上环境的变化,在云估算盛行后,随着分布式系统渐渐成熟,系统对大型机的依赖开始减少,改为借助集群提供,性能也可实现分布式处理。而更为关键的是,IBM的全套服务虽然稳定性优秀,但却影响了Power构架对其他店家的吸引力。
而Sparc构架和Power构架基本犯了同样的错误:价钱不友好。SPARC构架测成功和Sun旗下的Solaris系统有着密不可分的关系。当计算机系统庞大、用户数目巨大降低时,基于Unix操作系统构建的Solaris能更好地借助计算机资源,是所有商业版中最可靠最健全的版本。而依赖SPARC构架和Solaris系统的性能和可靠性,其吞并了服务器低端市场。Sun的另一个更为著名的产品是Java,即使在上世纪90年代为智能电器开发的Java并没有为其带来相应的回报,但已成为昨天联通时代最重要的开发语言。这么强悍的实力本应统领服务器市场,但遗憾的是,在windows和英特尔组成Wintel联盟以后,二者凭着自身在各自市场的规模效应,致使采用Wintel产品的服务器厂商可以通过低廉的价钱趁机占领中高端市场。而当Sun悔悟过来,通过开源等方法想要挽回败局时为时已晚。
X86构架与Power和SPARC在高性能领域的风生水起不同,x86构架是天生的小屌丝。1978年他出生的那年,英特尔还只是一个普通的科技公司。但是x86构架偕同其cisc指令集却开启了一个新的时代。x86之所以可以博得市场主要缘由在于其是一个非常开放的构架。IBM和SUN当初都是从芯片到服务器到系统一包包办的公司。而英特尔则是一个非常纯粹的芯片厂商,其业务仅与AMD等少数芯片生产者存在竞争,这就促使服务器厂商不用顾忌与之发生竞争关系。
单从性能来看,无论Power还是SPARC构架都可以诛杀x86,但是最终就能赢出来的却偏偏是"最弱"的x86构架。这并非劣币淘汰良币,而是市场竞争的选择,症结上讲,x86的成功在于英特尔根本不碰服务器。因而不论设备生产商、软件开发者或则系统开发者都可以与不存在利益竞争关系的英特尔合作。受惠于此,x86构架的兼容性也越发强悍,生态体系越发建立,这才成就了现现在市场占有率超过90%的一家独大局面,英特尔也利用x86构架一跃成为全球顶尖的芯片提供商。
8.2联通端竞争
正如PC和服务器端是X86的天下一样,联通端是ARM的天下。Intel在CPU界的大名,堪称家喻户晓,并且在手机登联通端却无法看见日本ARM公司背影。在2006年,自从AMD的64位处理器发布以来,AMD成功逆袭了Intel,市场占有率急剧上升,而Intel老迈的P4处理器则是腹背夹击,尽失昔日帅气,市场表现一路攀升。为了撑住投资人的信心,最好的做法自然是让公司持续赢利,因此Intel进行大规模的重整,包括上任新CEO欧德宁、大规模裁员、以及转让XScale手机处理器业务。正由于这个措施,致使Intel抵达了人生颠峰,从PC市场有赚的钵满盆满,但是也是由于此,Intel忽略了联通领域的迅猛发展。(当初,Intel拒绝了乔帮主还是PPT的Iphone手机,不然是否还会不一样?并且想一下IphoneX使用Intel基带,讯号差的非议,Intel做手机芯是否会臭名昭著也未可知)
和Intel公司不同,ARM公司不制造,不销售芯片,而是只自己设计IP核,包括指令集构架、微处理器、GPU、互连构架等,之后谁想用就授权借给谁,再从每颗实际造下来的产品中缴纳版税。ARM有三种授权模式,分别是构架授权、内核授权、使用授权,分别对应大中小公司,十分讨喜,贴个牌子才能说是自己的CPU,为ARM处理器的广泛使用打下坚实基础。
ARM的成功不仅商业模式的奇特之外还少不得自身素养的优秀,Intel技术毫无疑惑是顶级的,但应用场景在传统PC上,换成联通设备就行不通了,联通设备比起性能首先要考虑帧率和续航,Intel就吃了这个大亏,X86构架独步天下肯定是不能随便变改的,联通设备其实继续延用X86构架,但是换来却是高帧率和快速掉电,换谁都看不上。反之帧率控制则是ARM的强项,使用精简指令集(RISC)和创新的big.LITTLE构架,使ARM处理器煤耗比仍然领先于Intel。
Intel正在积极布局,推出应用于IoT物联网的AtomE3900及车载电子的AtomA3900系列,堪称CPU性能提高70%,GPU性能提高190%,其中AtomA3900非常针对低温环境设计,可在110°C低温下使用15年。Intel是一家伟大的企业,但也是会犯错误的,既然早已错失联通市场,不妨暂时脱离,提早做好下一阶段的技术研制(5G),也有可能实现弯道会车。