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目前,主要的CPU架构有四种:ARM、X86、MIPS、Power。
其中ARM/MIPS/Power均是基于精简指令集机器处理器的架构;X86则是基于复杂指令集的架构,Atom是x86或者是x86指令集的精简版。
精简指令集,是计算机中央处理器的一种设计模式,也被称为RISC(Reduced Instruction Set Computing的缩写)。特点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,并且采用流水线技术。
复杂指令集,英文名是CISC(Complex Instruction Set Computer的缩写)。它是英特尔生产的x86系列(也就是IA-32架构)CPU及其兼容CPU,如AMD、VIA的。即使是现在新起的X86-64(也被称为AMD64)都是属于CISC的范畴。
ARM、X86、MIPS和Power简介
ARM
ARM架构过去称作进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,更早称作:Acorn RISC Machine),是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点,ARM处理器非常适用于移动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。
x86
xx86或80x86是Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。x86架构是重要地可变指令长度的CISC(复杂指令集电脑,Complex Instruction Set Computer)。
MIPS
MIPS,是一种采取精简指令集(RISC)的处理器架构,1981年出现,由MIPS科技公司开发并授权,广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位,最新的版本已经变成64位。不过MIPS目前已经不是市场主流。
Power
POWER是1991年,Apple、IBM、Motorola组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。PowerPC是整个AIM平台的一部分,并且是到目前为止唯一的一部分。Power架构目前也不是市场主流了,发展前景并不被看好。
国产处理器厂家有哪些
目前,在移动芯片领域,ARM架构的芯片占据了90%以上的市场份额,在服务器CPU市场上,英特尔X86处理器占据超过90%市场份额。MIPS和Power虽然已经不是主流,却也有不少厂家在使用。
首先来看ARM处理器,ARM架构是公开授权的。ARM自身并不生产芯片,只转让芯片设计许可。ARM的授权分为3种,分别是架构授权、内核授权和使用授权。
架构授权:是指企业购买了架构级的ARM处理器设计和制造许可。企业获得架构授权之后,可以从整个架构和指令集方面入手,对ARM架构进行大幅度改造,甚至可以对ARM指令集进行扩展或缩减,以便达到更高性能、更低功耗或更低成本等不同目的。
内核授权:内核授权则是指用户可以将其所购买的ARM核心应用到其自行设计的芯片中。但用户不得对其购买的ARM核心本身进行修改。
使用授权:拥有使用授权的用户只能购买已经封装好的ARM处理器核心,而如果想要实现更多功能和特性,则只能通过增加封装之外的DSP核心的形式来实现。
☞ 移动芯片领域:华为、展讯、小米
华为
华为在2013年购买了ARM的架构授权,也就是说华为可以对ARM原有架构进行改造和对指令集进行扩展或者缩减。从2013年到现在,海思麒麟处理器已经从910更新到980,并且一直在升级。
有消息称麒麟980处理器将在8月31日与华为Mate 20新机同时发布。麒麟980拥有8 核心,4个A77大核,4个A55小核心,采用台积电7nm制成工艺。来自极果曝光的华为Mate 20跑分显示,麒麟980处理器跑分超过了35W分,超过骁龙845处理器5W左右。
展讯
展讯处理器也有部分采用ARM架构,展讯通信是中国领先的 2G、3G 和 4G 无线通信终端的核心芯片供应商之一,成立于2001年,于2013年12月23日被紫光集团收购,2016年与锐迪科整合成为紫光展锐。
展讯的处理器芯片主要面向中低端,其中一款SC9832集成四核ARM Cortex-A7处理器,该方案已经被中国移动、酷派、360、Micromax、Condor等众多国内外智能手机品牌采用。
小米
2017年2月,小米公布了史上研发周期最长的一款产品,自主芯片澎湃S1,引起业界一片喧嚣。因为作为手机厂商,自主研发处理器芯片,当时世界上也只有苹果和华为两家。
据当时报道,这款SoC的CPU部分为四核1.4G主频的Cortex A53和四核2.2G主频的Cortex A53,与海思麒麟650(4核2.0GHz A53+4核1.7GHz A53)、高通骁龙616(4核1.7GHz A53+4核1.2GHz A53)、高通骁龙625(8核2.0Ghz A53)属于同一个档次。
搭载澎湃S1的手机是小米5C,当时的消息是说,小米的C系列后续机型都会搭载自家的松果处理器,然而澎湃S2却迟迟未见发布,据内部消息透露,以小米高性价比的利润,根本就无法承担澎湃S2的研发费用,以后不会有澎湃S2,小米6C也不会再出现。
☞ 服务器芯片领域:阿里、华芯通、飞腾
阿里
2016年12月,ARM与阿里在数据中心业务展开合作,阿里巴巴宣布将在自身数据中心的服务器上大量采用ARM设计的低功耗CPU,逐步替换Intel产品。
消息称,阿里巴巴自主运营着支撑巨大电商业务的数据中心,同时还在中美等国提供名为“阿里云”的云服务。伴随需求增加,阿里巴巴将在各地增设数据中心。同时,因设备类耗电量正在迅速增大,该公司将逐步把英特尔CPU改为ARM产品,以提高用电效率。
华芯通
华芯通半导体由贵州省政府与美国高通于2016年创立。2018年5月27日,华芯通半导体正式发布其ARM架构服务器芯片品牌-昇龙(StarDragon)。
昇龙处理器是华芯通第一代服务器芯片产品,它是兼容ARMv8架构的48核处理器芯片,采用目前国际上先进的10纳米工艺,在性能上媲美国际市场中高端服务器主流芯片产品水平。
飞腾
2014年10月,飞腾第一款兼容ARM指令集的CPU——FT-1500A面世,成为国产CPU的代表之作。随后,飞腾又在2016年推出了FT-2000(代号为“火星”),并在2017年流片了优化升级的FT-2000+芯片,后者是飞腾目前最顶尖也是性价比最高的芯片产品,其实测性能达到了2014年Intel志强E5主流服务器芯片的水平。
然而日前,有报道称国内国内自主芯片领军厂商飞腾存在芯片造假,引起行业人士的关注。8月3日,天津飞腾就此事召开新闻发布会回应称,天津飞腾的CPU产品基于ARM技术架构研发,但包括CPU计算模块(内核)在内的代码部分均为公司历时多年自主研发完成。
面对芯片造假传闻,飞腾公司总经理谷虹回应道,“我们从未向ARM购买包括Cortex A57在内的任何CPU产品,更不可能将没有购买过的产品打上所谓标签推向市场。”
再看MIPS处理器,国内有龙芯、北京君正就是采用的MIPS架构。
龙芯
龙芯是中国科学院计算所主导研发的通用CPU,主要产品有龙芯1号、龙芯2号和龙芯3号。龙芯1号的频率为266MHz,最早在2002年开始使用。龙芯2号的频率最高为1GHz。龙芯3A是首款国产商用4核处理器,其工作频率为900MHz~1GHz。龙芯3A的峰值计算能力达到16GFLOPS。龙芯3B是首款国产商用8核处理器,主频达到1GHz,支持向量运算加速,峰值计算能力达到128GFLOPS,具有很高的性能功耗比。
目前,龙芯1号处理器已经随北斗卫星上天,并且已经有十多颗北斗卫星使用了龙芯1E和龙芯1F作为主控芯片。1号芯片的抗辐照能力可以与现在使用的国外芯片一较高下,价格和性能都要优于国外芯片。
龙芯2号芯片2K1000处理器在国产高性能芯片中的价格是最低的,和同性能TI芯片的开发板价格接近。2K1000处理器已经在石油、轨道交通、电力等领域有了应用,性能与国外芯片相当。
龙芯3A处理器采用的是RISC架构,兼容MIPS指令,原生四核设计,内含两条HT PHY超传输总线,采用65nm(纳米)工艺,主频1GHz,晶体管数目4.25亿个, 单颗龙芯3A的最大功耗为15W,一台刀片服务器功耗也仅为110W(两颗龙芯3A处理器,16GB内存,1块250GB硬盘,两块1000Mbps网卡等),理论峰值为16Gflops,每颗CPU单瓦特能效比1.06Gflops/W,是目前X86 CPU的2倍以上,达到了世界先进水平。
北京君正
成立于2005年,致力于在中国研制自主创新CPU技术和产品,目前已发展成为一家国内外领先的嵌入式CPU芯片及解决方案提供商。
有人认为,北京君正在人工智能CPU上很出色。北京君正既可以自己开发一套人工智能指令集,也可以单独开发一个人工智能加速单元。而且这些都可以直接嵌入cpu的底层,也就是cpu的人工智能指令集,和北京君正早期开发的simd同理。这和寒武纪只是外围的指令集,而非cpu指令集,其中的差距是很大的。也就是说北京君正的AI cpu 从速度和功耗肯定比寒武纪要好。
有人认为,北京君正基于MIPS架构的芯片,在同等工艺上,功耗比ARM有优势,但兼容性很差。在移动操作系统已经被安卓和ios彻底统一的现在,尤其是安卓,90%以上的安卓设备都是ARM的。但是ARM指令集和MIPS并不兼容,所以市面上大部分为ARM优化的程序不能在君正的MIPS处理器上直接运行。君正要想在市场上生存,必须要把ARM纳入视野。
在Power处理器上,中晟宏芯于2014年获得了Power 8架构的授权,然而目前Power架构目前已经不是主流市场。
中晟宏芯
该公司从2013年末成立以来也是问题重重,不间断的进行股权更换,甚至在2016年闹出欠薪风波,总体来说,在国产芯片的发展上,基本没有看到显眼的成绩。
申威处理器
在国产处理器发展过程中,江南所的申威处理器也很值得一提,申威处理器使用的是Alpha指令,主要用于超算处理器中,国内最强的超算神威·太湖之光就使用了申威的处理器。
文中第一部分并未提到Alpha架构,Alpha也不是主流架构。资料显示,Alpha架构于1992年2月25日,在东京召开的一次会议上面被正式推介。Alpha处理器最早由DEC公司设计制造,在Compaq(康柏)公司收购DEC之后,Alpha处理器继续得到发展,并且应用于许多高档的Compaq服务器上。
最后重点介绍X86处理器,事实上真正做到高性能且通用的处理器只有X86。
上海兆芯
上海兆芯的X86处理器在VIA X86处理器上改进,VIA是可授权X86的三家公司之一,另外两家分别是英特尔和AMD。目前可授权X86的企业有英特尔、AMD、VIA。
上海兆芯最新的KX-5000架构做到了8核架构,性能与英特尔的Core i3-6100处理器接近,进步也是非常明显。
海光(Hygon)
2018年7月,中国国产Dhyana X86处理器开始启动生产,引起业界高度关注,这预示着国产处理器芯片又进一步。
北京时间7月9日,由海光(Hygon)负责制造的中国国产Dhyana(禅定)x86处理器开始启动生产。早在2016年AMD与中国海光集团达成的合作协议,AMD将高性能X86架构授权给中国公司,授权费是2.93亿美元,而Dhyana处理器就是双方合作的产物,主要针对服务器市场。
此次授权对于国内芯片产业发展,收益是有的,不过也存在很多问题。从收益层面来看,海光生产出了X86 CPU,该款处理器性能还相当高。但是如果要站在是否掌握X86 CPU关键技术层面来看,还是有一定差距。
因为产品从设计到成品需要经历很多环节,而很多环节中方并没有参与。当时AMD与天津海光达成协议,设立合资公司开发X86芯片的时候,同时与海光成立了两个公司,一个叫做成都海光微电子(HMC),一个叫做和成都海光集成电路设计有限公司(Hygon)。其中 AMD持有HMC 51%股份和Hygon 30%的股份。
其中,HMC享有IP所有权,然后授权给Hygon进行芯片的设计,而Hygon设计出芯片之后再交由HMC进行生产。HMC找代工厂生产之后,再交由Hygon来销售,也就是说这中间很多环节中方根本没参与。
总结:国产CPU的发展,一直是业界人士关注的重点,无论是移动领域还是服务器领域,都是从无到有,从有到优逐渐在发展,只是未来还有很远的路要走。