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普大喜奔的CPU变革：中国RISC-V，将挑战X86/ARM架构

【老平按】各位，还记得老平刚刚几天前发布的那篇2018年4月22日刷频的热文吗？



在《一个人的战斗：关于国产芯片和操作系统的往事》一文里，作者梁宁，这位倪光南院士的弟子，回忆自己本世纪初参与倪光南院士主导参与的，国家级芯片和操作系统项目，最后功败垂成，让人心情沉重。



如果不是亲历者讲述，恐怕我们很少有人知道，当年我们曾经壮志满怀，国家投入那么多的资源，以解决芯片和操作系统问题！



通过文章略带忧伤的回忆，我们才知道，一直有大批像倪光南院士这样的中国科技界勇士，自强不息，大智到若愚，大白到若辱，坚韧地坚守到让人泪目！



若不是在2018年4月16日的中兴事件以后，受到刺激和触动的作者，作为曾经的当事人，揭示当初问题症结之所在，还有悲观情绪满地......



你就无法体会到，当华为的备胎芯片一夜之间全部转正，当华为鸿蒙惊艳问世，给了整个中华民族怎样的鼓舞！无数人扬眉吐气，热泪盈眶！



作者说得很对，这种充满了不确定性的创新项目，不适合政府集中资源去投资，也不能指望BAT这样的上市公司去砸钱！



所以最后，是毛主席的好学生任正非，这位创办华为之前就是军方内的科研标兵，在用市场养活了华为之后，反哺华为的超级力度研发，进而形成了良性循环！



我们知道，2003年，在国际化之路中困难重重的华为，本打算将公司整体卖给美国摩托罗拉，初步合同都草签了；结果因摩托罗拉董事会不支持CEO的决定，收购告吹......



被逼上绝路的任正非，在团队少壮派的热血坚持下，选择了继续经营！



弄巧成拙的是，他很好地“化危为机”，完美处理了与美国思科莫须有的侵权官司，反而因祸得福，国际市场接受了华为，国际化之路越走越宽！



同时，当他决定要继续经营华为时，就知道迟早有一天，华为会与整个美国短兵相接，会遭遇美国在芯片和操作系统领域的掣阻，便在次年（2004年）提早战略布局了海思！



其后的15年，海思犯过很多错，给华为带来过很多损失，甚至其芯片曾经差点毁了华为的智能手机业务（以至于该业务曾经差点被卖点）！可是，无论海思犯多少错，任正非都全力支持，那份战略意志惊天地、泣鬼神！



其后，任正非又部署了2012实验室，研发基于下一代互联网（物联网）的操作系统，形成了对传统电脑互联网时代的微软视窗、移动互联网时代的谷歌安卓的降维打击优势！



对，这就是已经成熟的鸿蒙操作系统，可以降维碾压微软、谷歌的中国新一代操作系统。



鉴于此，华为成了中国科技界的明星，也获得了中国消费者的鼎力支持：在全球智能手机需求减弱的大环境下，华为手机（含荣耀）在中国市场逆势飞飏，反而实现了销售额大增长！



老平知道，很多人还在说，鸿蒙刚刚投入市场，成熟起来，建立自己的生态，还需要时间。可是，谁也不能否认，未来属于我们！



芯片，还有操作系统，美国对我们的“掐脖子”能力，已经越来越弱！中华科技，正在扶摇直上九万里！



各位，一定还会有无数妄自菲薄的人，强调华为的芯片设计虽然如何如何，虽然摆脱了英特尔的X86架构，但那是基于ARM架构的，指令集都是人家，是授权使用！



是，曾经面对这些嘲讽，咱们无言以对！但是现在，改变历史的时刻来了，RISC-V正在驾临中华大地！



普天同庆、大快人心、喜出望外、奔走相告！



来来来，我们一起来看看亿欧网最近爆料的专业大新闻，很通俗易懂！







【正文】



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



近日，由海淀区政府、北京市科委、北京微芯边缘计算研究院共同发起，中关村科学城开源芯片源码创新中心成立。



创新中心将推动芯片设计领域全球标准创建，建设国际开源平台，提升我国芯片设计硬实力和自主可控核心能力。



众所周知，芯片的架构设计一直被誉为芯片行业的“金字塔尖”，难度巨大，且一直被国外垄断。



此次，中关村科学城开源芯片源码创新中心的成立，旨在抢抓RISC-V芯片生态发展机遇期，构建RISC-V芯片创新生态，打造我国自己的芯片和架构。



多年来，由ARM公司主导的ARM架构，与英特尔主导的X86架构，是全球芯片领域的主流架构。



随着人工智能等前沿科技发展，这些老牌的主流架构开始面临众多挑战，不少科技巨头纷纷转向RISC-V架构。



RISC-V因其灵活、精简、开源等特性，成为全球芯片领域备受关注的架构，也被视为中国芯的“新机遇”。



今后，全球芯片领域主流架构“两极争霸”的局面，或许将会变为“三足鼎立”的新篇章。



RISC-V突围的故事，还是要从两大巨头如何形成开始说起。



1、初代芯片王朝的崛起



学过半导体的人都知道一句话，CPU的发展史，简单来说，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发展前进的每一步上，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，正是大家所熟知的“摩尔定律”的提出者。



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）。



如下图。







没有微处理器，个人计算机就不可能出现，而没有个人计算机，就不可能有后来的互联网革命。



可以说，微处理器的出现，改变了整个世界。



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的出现，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使用规则。







X86架构，指的是CPU执行的一些计算机语言指令集。



由于Intel从8086开始，此后升级的每一代芯片（例如80186、80286等）都用的同一种CPU架构；所以人们将这些指令集，统一称之为X86指令集，也就是所说的X86架构。



1981年，使用X86架构的8088芯片首次用于IBM PC机中，开创了全新的微机时代，也就是大家熟知的个人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，晶体管数大幅提高、增强了浮点运算功能，并把十年未变的工作电压降至3.3V。这样不仅可以大幅减少功耗，也让性能有了新的突破。



奔腾处理器的诞生，让Intel公司甩掉了只会做低性能处理器的帽子，其运行速度达到工作站处理器的水平。



自此，Intel一举超过所有日本半导体公司，坐上了半导体行业的头把交椅。



此后，以Intel、AMD等公司为代表的X86架构芯片，便横扫世界，统治了个人PC与服务器时代，书写着王朝的史诗。







2、王朝演替，各据半壁江山



技术决定能否提供需求，而需求也决定了技术发展的方向。



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低，对手机等移动设备需求显著提升。



在这个需求变革契机，另一巨头ARM显现出来，开启了自己的传奇。



1981年，电子设备设计和制造公司Acorn，迎来了一个难得的机遇：英国广播公司BBC，打算在整个英国播放一套提高电脑普及水平的节目；他们希望Acorn公司，能生产一款与之配套的电脑。



接下这个任务之后，Acorn公司就开始干了起来。



很快他们就发现，自己产品的硬件设计并不能满足需求。当时CPU的发展潮流，正在从8位变成16位，性能正在大幅提升。Acorn自己并不能制造生产芯片，他们只能去寻找其他厂商合适的芯片。



一开始，他们打算使用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，芯片的执行速度有点慢，中断的响应时间太长；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，他们打算去找当时如日中天的Intel，希望对方提供当时代表最先进技术的80286处理器的设计资料和样品；但是，却遭到了拒绝。



无奈之下，Acorn公司只能自己造芯片。



经过多年的奋斗，Acorn最终完成了CPU的设计。



对于这块芯片，Acorn给它命名为Acorn RISC Machine。这也就是这就是大名鼎鼎的“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。







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，就在同一年，1985年10月，英特尔发布了80386。



在80386面前，ARM1显得弱小不堪。在ARM1之后，Acorn陆续推出了好几个系列，例如ARM2，ARM3。



1990年，Acorn公司正式改组为ARM计算机公司，Advanced RISC Machines。



虽然缩写相同，但ARM芯片是Acorn RISC Machine的缩写。但ARM公司是Acorn、苹果、诺基亚、VLSI、Technology等公司的合资企业。



虽然Intel持续迈向X86高效能设计，而ARM则专注于低成本、低功耗的研发方向。两者看似有着不同的方向，但在Intel强大的统治下，ARM并不好过。



在这个情况下，ARM决定改变他们的产品策略，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。



简单来说，就是ARM不再像Intel一样，一颗芯片的设计、制作、封装，都由自己来完成；它相当于出售自己的“设计图纸”，剩下的由购买方自己去完成。



没想到正是这种模式，开创了属于ARM的全新时代。



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。



与德州仪器的合作，给ARM公司带来了重要的突破。而且，也给ARM公司树立了声誉，证实了授权模式的可行性。



此后，越来越多的公司参与到这种授权模式中，与ARM建立了合作关系。其中，就包括韩国三星、日本夏普等。



由于手机不需要像电脑那样强大的性能，它们更需要便捷性与低功耗；所以手机厂商不需要X86架构那样强大的性能，因此大量使用ARM架构去设计！



然后，随着使用移动互联网的智能手机井喷式的增长，ARM架构也随之水涨船高：2007年，真正的划时代产品出现了。那就是iPhone。



苹果iPhone的出现，彻底颠覆了移动电话的设计，开启了全新的时代。第一代iPhone，使用了ARM设计、三星制造的芯片。



iphone的热销，App Store的迅速崛起，让全球移动应用彻底绑定在ARM指令集上。



紧接着，2008年，谷歌推出了Android（安卓）系统，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）的微软，也宣布Windows8平台，将正式支持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动摇，也标志着ARM架构处理器正式成为另一新的巨头。







3、巨头弊端显现，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。两种不同架构各有侧重。可以说是优势互补、无法替代的关系。



而在下一个时代，物联网的时代，他们是否还能继续稳稳坐在第一的位置上？



CISC(复杂指令集)和RISC(精简指令集)，是当前CPU的两种架构分别采用的指令集。X86架构采用CISC，ARM架构采用RISC。



从性能上看，X86架构的芯片，无论如何都比ARM架构的芯片在更快、更强。



X86架构的CPU运行起来，随便就是1G以上的运行内存，并可以采用双核、四核等模式来加强性能，通常使用45nm（甚至更高级）制程的工艺进行生产。



而ARM架构方面，CPU通常是几百兆的运行内存，最近才出现1G左右的CPU；制程通常，使用不到65nm制程的工艺。



可以说，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架构的优势不在于性能强大，而在于效率！



ARM架构采用RISC流水线指令集，在完成综合性工作方面处于劣势；但在一些任务相对固定的应用场合，其优势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”的方式与扩展设备，如硬盘、内存等进行连接，即插即用。



而且，X86架构的设备出现了近30年，其配套扩展的设备种类多、价格也比较便宜。所以，X86架构的电脑，能很容易进行性能扩展，如增加内存、硬盘等。



ARM架构的设备，是通过专用的数据接口，使CPU与数据存储设备进行连接。所以ARM的存储、内存等，性能扩展难以进行。



ARM架构一般在产品设计时，已经定好其内存及数据存储的容量。所以采用ARM架构的系统，一般不考虑扩展，基本奉行“够用就好””的原则。



从功耗来看，高功耗导致了一系列X86架构，无法解决的问题出现：系统的续航能力弱、体积无法缩小、稳定性差、对使用环境要求高等问题。



从这里，我们可以发现，X86架构与ARM架构，是在两个完全不同领域方面的应用。它们之间，根本不存在替换性！



对比来看，在服务器、工作站，以及其他高性能运算等应用方面，可以不考虑功耗和使用环境等条件，这时X86架构占了优绝对优势；



但受功耗、环境等条件制约，且工作任务固定的情况下，ARM架构就占有很大的优势。特别是在手持式移动终端领域（比如智能手机），X86架构的功耗更使其毫无用武之地。







表面上，相比于X86架构和ARM架构，RISC-V架构显得有点名不见经传。



我们先认识以下：RISC-V，一般念做riskfive。V，就是罗马数字5。



很多人提到RISC-V，都会说它是开源芯片，其实这种说法不是很准确。



准确来说，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，那么它为什么敢挑战两大架构的地位？



其实，这与芯片行业目前的格局与发展方向有关。



现如今，随着5G、物联网、人工智能等技术的蓬勃发展，越来越多的企业，希望生产和制造服务于各个垂直行业的终端和模组。



但X86架构，一直是Intel和AMD两家公司掌握的封闭性技术，没有明确的知识产权授权模式。



而ARM架构，则需要上亿高昂的授权费用。这都使得中小企业、创新企业，望而却步。



这时，开源（免费）的RISC-V，出现在了人们的视野。



RISC-V基于小型、快速、低功耗等现实情况设计；而且，其设计者也并没有对特定的微架构进行过度的设计，恰巧可以满足物联网时代传感器：低性能，结构简单，低功耗的需求。



请注意，又是物联网，就像鸿蒙操作系统基于物联网，是后来者的机会！







4、突围成功还是失败



RISC-V的众多优点，是可以看得到的！



RISC-V架构采用的开源方式，其指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件，而不必支付给任何公司专利费。



虽然这不是第一个开源指令集，但它具有重要的意义：RISC-V的设计，可以完全适用于现代计算设备，如仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统；



同时，设计者考虑了不同用途的性能与功率效率；另外，RISC-V还拥有众多的支持软件，这解决了新指令集通常的弱点。



中国工程院院士倪光南，曾多次在公开演讲中表示，RISC-V的优势，在于其包含了CPU发展过程中优秀的创新点，在技术上非常完备。



因为“年轻”，它不仅非常精简，而且没有所谓的“历史包袱”。比如，一个技术手册，由于ARM和英特尔，都需要与自己的上一代产品兼容，可能需要2000多页，而RISC-V却只需要几百页。



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，能与英特尔、ARM 等“王朝元老”相匹敌的地步。



首先，RISC-V架构的开源规则，本身有一定的局限性。



RISC-V强调完全开源的设计，并且让取用者可任意加上专属指令集，甚至可以自由选择将架构封闭还是维持开源。



这样，就导致了 RISC-V架构可能出现，虽然拥有更多的指令集，却无法共用的问题，也就是多样化到没有公约数。



当各个公司做出具有本身公司特色的芯片时，如果他们选择将自己的专属指令集保密，那么若干年后，很可能出现芯片互不兼容的情况。而这样的碎片化问题，往往是不利于产业发展的。



就像谷歌的Android（安卓）系统，本身是一个开源的系统；但经过华为、小米、OPPO等厂商，各自开发成自己的系统之后，就变得不再互相兼容了！



这也是RISC-V架构开源规则本身的局限性。







此外，RISC-V架构生态欠缺。



目前，英特尔推动的x86架构，市场依旧庞大，几乎从传统PC到数据中心规模的服务器，都在使用基于x86架构的处理器。同时，相关软件带动的应用服务，也有长达40年的优化发展历史。



对于ARM架构，已产生的庞大市场应用规模，RISC-V架构更加难以取代；而且，ARM的IP授权模式，已经趋于完善。



尽管授权费用高昂，但各大厂商依旧乐此不疲。例如我国的华为海思、展讯、中兴、全志等芯片，皆是采用ARM架构。



虽然RISC-V架构刚刚起步，还面临着众多不确定性；但从1958年集成电路发明以来，我们也看到了整个产业发生了多次的变迁。



无论是市场的转变，还是技术的创新，行业一直在带给我们惊喜。



RISC-V架构具有简单和灵活的特性，非常适合部署到物联网、控制器、数据中心的，专用芯片和边缘计算等应用场景，具有广大前景。



未来，希望具备“得天独厚”优势的 RISC-V，能随着我国物联网的先发优势而大放异彩，成为赶超欧美的新动力。







【老平的结束语】



恐怕与很多ICT行业的人观感不同，老平这个乐天派，对中国把开源的 RISC-V用好，建立自己的生态，与x86架构和ARM架构分庭抗礼，充满了期待。



请注意，第一台计算机于1946年在美国发明，英特网的前身阿帕网，早已在美国军方和高校之间应用多年，可以说美国人拥有一骑绝尘的绝对优势！



但是，互联网1990年代到底中国后，在东方得到了蓬勃发展。20来年过去了，现在全世界的互联网，出现了中文和英文两大体系，全球最大的八家互联网公司，中美各占四家！



曾经很多年以来，公知们，还有一些心思很重的技术控们，一直都在嘲讽或者忧虑互联网服务器的尴尬与致命：



在IPv4时代，互联网的主根服务器在美国（1台），辅根服务器有12台，其中9台在美国，欧洲2台，位于英国和瑞典，亚洲1台在日本。



我们作为全球网民最多的国家，竟然只有镜像服务器，IP资源十分有限，导致我们随时有被人断网的可能性。



理论上，无论我们的电商玩得如何风生水起，人家一不高兴，咱们就嗝屁！



但是，随着2015年6月23日正式发布的“雪人计划”，问题已经逐步得到了解决！



请注意，这个关键的“雪人计划(Yeti DNS Project)”，是中国主导，带着日本、欧盟一起发起的大起义！



这一基于全新技术架构的全球下一代互联网IPv6，根服务器测试和运营实验项目，早已在2017年11月底投入使用。



IPv6时代，全球完成了25台IPv6根服务器架设；其中，中国境内部署了4台，为一台主根服务器，三台辅助服务器，在世界各国中位处第一！



各位，那个咱们在互联网时代受人欺凌的时代，一去不复返了。



伟大的中华民族，用实际行动，带领全世界，打破了美国在互联网领域的霸权！我们也终于迎来了扬眉吐气的一天。



再想想关键的CPU领域，目前主流的x86架构和ARM架构之外，正将蓬勃发展的RISC-V，有我们举国之力的背书，想不成功恐怕都难！



这就像美国的波音和欧洲的空客之外，C919来了，三足鼎立的阵势正在形成，足以令每一个中国人普大喜奔！



美帝，不，霉弟，掐脖子的东西，还有啥？



最后，老平还是愿意欣喜地与大家一同来分享，2019年5月，那激动人心的惊喜时刻， 那必将载入史册的时刻：《深喉爆料：任正非布局的战争，特朗普追悔莫及》。




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