什么是芯片架構(gòu)？芯片架構(gòu)的重要性

1、我國目前在芯片領(lǐng)域主要是卡在制造和設(shè)計軟件上，可就在2020年9月14號，美國的芯片巨頭英偉達宣布將從日本軟銀手里以400億美金的價格收購全球最大的半導(dǎo)體IP提供商ARM公司，一旦這一收購?fù)瓿?，無疑將對我國的芯片設(shè)計行業(yè)帶來更大挑戰(zhàn)，可以這么說，如果ARM被英偉達囊入懷中，我們當(dāng)下需要盡快攻破的難題又多了一個，而這個難題就是除了光刻機和EDA軟件外，另一項對芯片研發(fā)至關(guān)重要的基礎(chǔ)技術(shù)，指令集架構(gòu)。也許指令集架構(gòu)，你聽著比較陌生，為了便于大家了解，我們需要先講一下英偉達跟ARM這兩家公司。說起英偉達，很多人應(yīng)該多少知道一些，特別是喜歡玩游戲的朋友，電腦里大部分裝的都是英偉達的GPU（顯卡），它是

2、目前全球最大的圖形處理芯片設(shè)計公司，在獨立GPU的市場占有率為73%，遠高于對手AMD的27%，隨著英偉達持續(xù)在人工智能和數(shù)據(jù)中心的發(fā)力，讓它的市值在20年正式超過美國芯片老大英特爾，達到3000多億美元，隨著自身迎來高光時刻，英偉達一直想補足在移動領(lǐng)域的短板，其實不僅僅是英偉達，英特爾，AMD這種傳統(tǒng)做PC芯片的公司，都沒在手機平板領(lǐng)域做起來，這背后主要的原因就與指令集架構(gòu)有關(guān)。在移動端芯片誰做起來了呢，就是英國的ARM公司，目前全球90%以上的移動終端設(shè)備里使用的都是基于ARM架構(gòu)的芯片，而ARM之所以能崛起，主要有兩個原因，一、ARM所設(shè)計的芯片指令集架構(gòu)相比英特爾設(shè)計的更適合移動設(shè)備，

3、其特點主要是低功耗，低成本，從蘋果的iPod到第一代iPhone用的都是ARM的芯片架構(gòu)，這也奠定了ARM后來在移動終端的地位。二、ARM在經(jīng)營策略上，采用IP授權(quán)模式，就是賣芯片設(shè)計方案給其他公司，通過技術(shù)授權(quán)費和版稅營業(yè)，因為收費不高，大大降低了芯片設(shè)計公司的早期研發(fā)成本和風(fēng)險，進而促使很多公司都愿意采用ARM的技術(shù)，所以ARM的生態(tài)圈越來越大，像高通，蘋果，華為，三星，包括想要收購ARM的英偉達，都在一些芯片上使用了ARM的架構(gòu)。其實ARM成功與現(xiàn)在很多互聯(lián)網(wǎng)公司很像，先以低價占領(lǐng)市場，當(dāng)大家都用它的產(chǎn)品時，就有了行業(yè)話語權(quán)，一般ARM對客戶收取的一次性技術(shù)授權(quán)費，在100萬到1000萬

4、美元之間，然后客戶每賣出去一顆基于ARM技術(shù)的芯片，還需要支付1%到2%的版稅，這點錢對動輒幾十上百億投資的半導(dǎo)體行業(yè)來說，簡直就是白菜價了，我國的芯片設(shè)計公司，未來也可以借鑒ARM模式，迅速做大市場。ARM的低價模式也有一個問題，就是它的營收上不來，2017年到2019年的三年中，ARM的營收分別為18.3億美元，18.36億美，18.98億美元，也就是說，自從2016年孫正義的軟銀在收購了ARM以后，ARM的營收基本沒漲，要知道，當(dāng)時軟銀買它可是花了320億美元，對ARM寄予厚望的孫正義還稱這是他一生中最重要的交易，只可惜他太高估了ARM的賺錢能力，四年后還是無奈的決定出售，當(dāng)然，如果不是

5、因為軟銀這幾年間接連的投資不利，估計還會持有ARM一段時間，畢竟400億美元賣給英偉達，刨去各項費用，對軟銀來說，相當(dāng)于沒賺錢。根據(jù)軟銀與英偉達之間的協(xié)議，支付給軟銀的400億美元中，有215億是英偉達的股票，120億是現(xiàn)金，還有價值15億的股票給ARM員工，以及未來ARM完成業(yè)績目標(biāo)后，才會再給軟銀50億的現(xiàn)金和股票，其實軟銀本來就是英偉達的大股東之一，這次操作對他們可以說是各取所需，通過收購ARM，英偉達可以把技術(shù)融入到ARM的生態(tài)當(dāng)中，相當(dāng)于一下就擁有了對移動芯片市場的巨大影響力，同時，在數(shù)據(jù)中心，人工智能，物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，兩者是很好的互補。軟銀在這筆交易中，既收回了一些資金，并且重倉了英

6、偉達，有了ARM的加持，英偉達的實力會大幅提升，未來在資本市場的收益將有很大空間，也讓軟銀在芯片領(lǐng)域擁有更大的話語權(quán)，這就是軟銀本來可以選擇ARM上市，但是他沒有，反而決定賣給英偉達，這筆交易對ARM來說，基本是沒有什么好處的，反而會讓ARM在以后的發(fā)展處于劣勢，很多芯片公司都使用的是ARM架構(gòu)，而這些芯片公司之間是有競爭關(guān)系的，英偉達也不例外，所以英偉達收購ARM，會讓其他的芯片公司擔(dān)憂，ARM失去它一直保持的獨立性和中立性。從長期來看，ARM被收購后，除了對外業(yè)務(wù)會漲價外，技術(shù)逐漸融于英偉達是必然的，這會導(dǎo)致ARM的商業(yè)模式不復(fù)存在，成為一家主要服務(wù)于英偉達的研發(fā)部門，雖然英偉達的CEO黃

7、仁勛承諾會保持ARM的獨立性，但能有多少人相信呢，大家都開始制定計劃B，而且ARM一旦從英國公司變成美國公司，英國在科技上更是少了話語權(quán)，只能附庸于美國，所以消息一出，深知這一收購會對ARM帶來重大影響的創(chuàng)始人赫爾曼豪澤，就寫信給英國首相鮑里斯，希望英國政府能阻止這一收購。好在這種體量的收購受到國際反壟斷法的約束，而且每個國家也都有自己反壟斷法的相關(guān)規(guī)定，所以跨國大公司間想要收購，它必須獲得其產(chǎn)品所在市場國家的政府同意，才能完成收購，如果其中有一個國家反對，它要么退出該國家市場，要么只能放棄收購，所以，雖然英偉達和軟銀宣布了收購事項，但它接下來還需要獲得英國，歐盟，中國等國家的同意，要知道，中

8、國當(dāng)下設(shè)計的高端芯片中，有95%都用的是ARM的技術(shù)，所以英偉達到底能否成功收購ARM，這件事兒的變數(shù)還是挺大的，不過，對我們國家芯片長遠發(fā)展來說，最重要的還是實現(xiàn)芯片指令集架構(gòu)的自主研發(fā)，和完善GPU、CPU、操作系統(tǒng)、軟硬件等在內(nèi)的整個生態(tài)，這樣我們的芯片產(chǎn)業(yè)，才能實現(xiàn)閉環(huán)，真正做到自給自足。美國芯片巨頭英偉達試圖收購英國ARM背后的深意，這其中涉及芯片產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)指令集和微架構(gòu)，但是我國目前在芯片領(lǐng)域，除了光刻機和EDA軟件以外的另一難題，芯片中的指令集與微架構(gòu)到底是干什么用的，我國目前在這領(lǐng)域面臨的困境以及未來如何破局。首先說指令集，在我們的手機和電腦等設(shè)備里最核心的部件就是CPU，

9、它負責(zé)進行各種運算，從而讓我們在使用時實現(xiàn)各種功能，而作為用戶感受到的功能實現(xiàn)都是基于軟件層面的，不管你是手機看了下微信還是電腦打開個網(wǎng)頁，這些功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)是得有一個完備的操作系統(tǒng)。而完備的操作系統(tǒng)這一塊目前在全世界由美國壟斷，電腦端有微軟的Windows和蘋果的Mac，手機端有谷歌的安卓和蘋果的IOS。操作系統(tǒng)是由程序員用C、C 等高級語言編寫出來的，其目的簡單來說就是對CPU發(fā)出指令，讓CPU按照我們的要求進行運算，但問題來了，計算機高級語言是方便人類邏輯理解的編程語言，機器是理解不了的，要知道CPU的物理性質(zhì)也只是一種電路元件，所以當(dāng)操作系統(tǒng)發(fā)出一個指令后，需要通過編譯器轉(zhuǎn)化成二進制代

10、碼，也就是0和1的數(shù)字來實現(xiàn)對機器的指令傳輸，為了能把CPU的性能發(fā)揮到極致，在研發(fā)之初，芯片公司就為處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兩種，CISC復(fù)雜指令集，RISC精簡指令集，這兩種指令集的區(qū)別，從名字上就能看出復(fù)雜指令集支持的指令更多，每種運算需求都有自己一套完整的指令，比如你去超市買牙膏，需要出門步行進超市購買這幾個步驟，所以要實現(xiàn)買牙膏這整個步驟流程，也就是我們說的指令，一開始就設(shè)計在了芯片當(dāng)中，如果你要實現(xiàn)買水果，就還有一套買水果的指令，因此，采用復(fù)雜指令設(shè)計出來的CPU更強大，運算效率更高。早期來說，復(fù)雜指令集的各種指令中大約有百分20的指令會被反復(fù)使用，使

11、用頻率占整個程序代碼的80%，余下80%的指令卻不經(jīng)常使用，只占程序設(shè)計的20%，像我們剛才說的買牙膏和買水果，這里面80%的步驟都是一樣的，只是牙膏和水果這兩個東西不同而已，而精簡指令集就是把復(fù)雜的指令集進行簡化，不用讓每個需求都有一套單獨的指令，簡單來說就是不管你去超市買什么東西，出門步行進超市購買這幾個步驟都是一樣的，所以每次你買不同的東旭，都是使用這幾個步驟（指令），不用因為你買的東西不同就設(shè)計一套不同的指令，所以精簡指令集對于芯片研發(fā)來說，門檻更低，相比于復(fù)雜指令集更適用高難度運算的電腦CPU，精簡指令集則更適用于運算要求較低，使用功耗也更低的手機CPU。在兩種指令集的基礎(chǔ)上，有分別

12、產(chǎn)出了不同的架構(gòu)，最有代表性的一個是英特爾的x86架構(gòu)，另一個就是ARM架構(gòu)，x86架構(gòu)基于復(fù)雜指令集，ARM架構(gòu)基于精簡指令集，那么架構(gòu)指的又是什么呢？簡單來說，架構(gòu)基本上等于指令集，這就是我們經(jīng)常會把指令集架構(gòu)當(dāng)成一個詞來說的原因，所以當(dāng)聽到有人說芯片架構(gòu)，他們主要指的就是指令集架構(gòu)，指令集與架構(gòu)唯一的區(qū)別，就是針對CPU，架構(gòu)是指在指令集的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對CPU內(nèi)所含部件，如控制單元，邏輯單元，存儲單元的一系列完整設(shè)計安排。CPU里，還有一種架構(gòu)，我們稱之為微架構(gòu)，在買電腦時，我們經(jīng)常會看到四核六核這樣的信息，這里面的核指的就是CPU的核心，而微架構(gòu)，就是對這些核心的設(shè)計，它包含核心可以達

13、到的最高頻率，核心在一定頻率下能執(zhí)行的運算量，一定工藝水平下核心的能耗水平等，如果說指令集架構(gòu)是上層的芯片運算邏輯規(guī)范，那么微架構(gòu)就是底層的電路設(shè)計的實現(xiàn)，是在指令系統(tǒng)架構(gòu)的框架之內(nèi)進行的，在業(yè)界，微架構(gòu)是芯片研發(fā)企業(yè)的核心，也是技術(shù)含量最高的領(lǐng)域之一，就是實現(xiàn)獨立微架構(gòu)研發(fā)的企業(yè)，才能真正具備CPU的自研能力，而這也是我國眾多芯片設(shè)計企業(yè)目前面臨的難題。電腦端的芯片，從指令集到微架構(gòu)，主要是由英特爾和AMD壟斷的，這兩家都是美國的公司，AMD最早也是從英特爾拿到X86指令集架構(gòu)的授權(quán)，但微架構(gòu)與英特爾的不一樣，因為英特爾很少對外授權(quán)X86架構(gòu)，所以我國企業(yè)目前在自研電腦CPU這塊還比較空白，

14、有在做的，但并沒有市場形成太強的影響力。而手機端的芯片就是ARM壟斷了，我國大部分的芯片設(shè)計企業(yè)基本上都是買的ARM的設(shè)計方案。雖然像蘋果、高通這樣的企業(yè)，他們也是用的ARM是指令集架構(gòu)，但他們的微架構(gòu)是完全自己研發(fā)的，CPU能力比公版的ARM強大很多，而我國包括華為在內(nèi)，雖然目前擁有ARM指令集架構(gòu)的永久授權(quán)，但微架構(gòu)的研發(fā)能力還很弱，手機目前大多數(shù)使用的都是SOC芯片，也就是把CPU、GPU等元件集成在一個芯片上，而我們的強項是將不同的元器件組合在一起，讓他們變得更高效，也就是別人做好的核，我們把它們組裝起來，我們把它組裝起來啊，而下一步的重要任務(wù)就是我們現(xiàn)有的芯片企業(yè)實現(xiàn)自己對核心微架構(gòu)

15、的研發(fā)，真正設(shè)計出我們自己的芯片。那么，我國該如何走出自己的芯片架構(gòu)之路呢？首先，在指令集層面，RISC是目前業(yè)內(nèi)最被看好，有機會彎道超車的新架構(gòu)，這是一種開源的指令集架構(gòu)，本身是不收費的，2010年才誕生，比ARM還要精簡，并建立了不同的模塊，來應(yīng)對不同的場景，因此，開發(fā)起來更簡單，最終生產(chǎn)出的芯片，相比今天的ARM成本與功耗都會更低，再加上開源的定制特性，讓它在未來的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大有前景，而且芯片公司可以對指令集進行修改，拓展并銷售修改后設(shè)計方案，這里面有機會誕生下一個ARM，我國多家芯片公司已經(jīng)成立了RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，大家合力，有望更快推進RISC-V的發(fā)展。再有就是操作系統(tǒng)層面，一定要對指令集形成生態(tài)支持，就如X86的成功，是因為有Windows，ARM是因為有安卓和IOS一樣，RISC-V也要有一個可以與它綁定，同時可以覆蓋大量用戶和軟件開發(fā)者的操作