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年終閑聊處理器設(shè)計(jì)

2020-12-31
來源: EETOP
關(guān)鍵詞: AMD 英特爾 RISCV ARM

  最近一直忙于手頭項(xiàng)目,同時(shí)也沒有很值得研究的產(chǎn)品,因此這兩個(gè)月也就疏于更新。2020年馬上就過去了,這里也從個(gè)人角度隨便聊聊一些粗淺理解,有不對的地方還請指教。

  英特爾 vs AMD

  今年的處理器市場算是比較熱鬧了,從前的霸主intel跌落神壇,從產(chǎn)品到股價(jià)都經(jīng)受了重創(chuàng)。而它的老對頭AMD時(shí)來運(yùn)轉(zhuǎn),ZEN架構(gòu)迭代的愈加順利,從PC端到服務(wù)器市場都在蠶食intel的市場。

  這兩個(gè)冤家的糾纏從幾十年前就開始了,AMD曾數(shù)度占據(jù)先機(jī),但intel都能很快的挽回局勢,重新占據(jù)上風(fēng)。而這次看起來似乎是intel這20年最大的一次危機(jī)。從表象上來看似乎是intel在自家工藝上載了跟頭,更深層次其實(shí)是intel的多元化戰(zhàn)略的挫折,從收購Mobileye,Altera,再到后來的Nervana和habaha(這兩個(gè)名字也是般配),加上重啟自研GPU之路,intel一直在嘗試創(chuàng)造一個(gè)包含CPU,GPU,硬件可編程單元FPGA,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元等集大成為一體的異構(gòu)處理綜合體,囊括了未來數(shù)十年在終端,云端,人工智能,功能可定制化等主要領(lǐng)域和新興方向的主要需求。

  這當(dāng)然是一個(gè)很宏大并且很誘人的目標(biāo),然而難度也是巨大的。不但要在硬件上掌控這些非常復(fù)雜的設(shè)計(jì),同時(shí)在軟件層面也需要非常好的抽象和調(diào)度,以適于程序員使用這些資源??梢哉fintel過高的估計(jì)了自己的資源和能力,在各方面遍地開花式的齊頭并進(jìn)的結(jié)果就是資源配置不足,首先就導(dǎo)致在工藝端出現(xiàn)了短板,而后在自動(dòng)駕駛和人工智能加速器上也漸漸落在后邊。

  現(xiàn)在除了前方失火,作為老巢的CPU市場居然也受到了極大挑戰(zhàn),不得不說是輕敵冒進(jìn)的結(jié)果。而反觀AMD在低谷中時(shí),沒有能力也沒有關(guān)注這些外延領(lǐng)域,而是集中全部的資源在當(dāng)下最核心最有希望的處理器設(shè)計(jì)上,從拋棄推土機(jī)這種花哨式的設(shè)計(jì)開始,回歸主流設(shè)計(jì)方案,以ZEN架構(gòu)一舉搬回了劣勢。隨著幾代ZEN架構(gòu)的成功,根基穩(wěn)固之后,再開始慢慢擴(kuò)展領(lǐng)域,包括最近收購Xilinx,也透露出AMD在云端異構(gòu)上的野心。

  當(dāng)然intel現(xiàn)在的困境也不能簡單的歸結(jié)于單個(gè)原因。從另外一個(gè)角度看,intel也是時(shí)運(yùn)不濟(jì),異構(gòu)處理的思想過于超前,以至于花費(fèi)了大量的資源和財(cái)力,導(dǎo)致當(dāng)下能夠賺錢的市場沒有把握住。這其實(shí)是很多行業(yè)領(lǐng)先者曾經(jīng)犯下的錯(cuò)誤,這也是芯片領(lǐng)域的天時(shí)地利人和,缺一不可。

  而所謂的時(shí)機(jī),這個(gè)有點(diǎn)玄學(xué)的味道了,因?yàn)檎l也不知道風(fēng)口什么時(shí)候到來,什么時(shí)候褪去。有的提前做了準(zhǔn)備,并且把握住了風(fēng)口的機(jī)會(huì),比如NVIDIA對于CUDA并行計(jì)算和AI;而有的提前做了準(zhǔn)備,卻耗盡了資源沒有等到時(shí)機(jī)來臨,比如幾年前的那幾家ARM服務(wù)器開發(fā)廠商。這其中的度怎么把握確實(shí)是件非常困難的事。

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  英偉達(dá)收購ARM的影響

  另一個(gè)重磅消息就是ARM將被NVIDIA收購。作為移動(dòng)領(lǐng)域的絕對霸主,ARM自己卻有點(diǎn)風(fēng)雨飄搖的味道,先是被軟銀巨資收入囊中且給予厚望,然而沒過幾年就被出售。而每年百億級(jí)別的出貨量,居然只有區(qū)區(qū)幾個(gè)億的年利潤,對比四五百億的估值真是有點(diǎn)不夠看的。

  這幾年ARM的發(fā)展可以說是主要借了移動(dòng)領(lǐng)域快速發(fā)展的東風(fēng),基本壟斷了高端手機(jī)的核心,這也是其主要的利潤來源。而其他大力發(fā)展的領(lǐng)域,比如物聯(lián)網(wǎng),人工智能,只能說暫時(shí)還是美麗的童話,IP賣了不少,可獲得的收益就少的可憐,而大力推廣的服務(wù)器領(lǐng)域,一波一波的廠商被忽悠進(jìn)去,然后紛紛割肉退出。因此ARM雖然當(dāng)下風(fēng)光無限,但背地里也是危機(jī)重重,一旦手機(jī)市場慢下來,ARM的利潤根基就會(huì)受到威脅。

  被寄予厚望的物聯(lián)網(wǎng)市場正受到開源RISCV的挑戰(zhàn),而人工智能趨于定制化設(shè)計(jì),ARM也沒什么優(yōu)勢,更不用說服務(wù)器端的玩家變成了一眾云廠商,它們更傾向于自己設(shè)計(jì),ARM在這幾個(gè)方面都很難獲得大的利潤增長點(diǎn)。這也許就是IP廠商的宿命,強(qiáng)如ARM也只能獲得芯片產(chǎn)業(yè)鏈上微不足道的利潤分成。隨著ARM被收購,也許就是活躍了幾十年的IP業(yè)務(wù)終結(jié)的開始。

  之后除了非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)還可能存在獨(dú)立的公司,其他的IP都會(huì)漸漸被整合到某幾個(gè)公司旗下,從而出現(xiàn)芯片領(lǐng)域的平臺(tái)提供商。這樣芯片公司只需要關(guān)注在主要的功能設(shè)計(jì)上,其他部分都可以從平臺(tái)獲得,包括IP,設(shè)計(jì)flow,綜合以及tape out相關(guān),從而獲得資源配置的最優(yōu)化。而芯片設(shè)計(jì)相關(guān)的工作,目前主要由眾多Design Service公司提供,也很有可能在不遠(yuǎn)的將來歸于平臺(tái)提供商之下,以更加高效和自動(dòng)化的方式提供。

  之后獨(dú)立IP的提供方式也不再是目前的軟硬核交付,更可能是獨(dú)立的裸片,通過chiplet互聯(lián)形成一個(gè)完整的芯片packet。在這種理念下,平臺(tái)提供商就有資源和能力獲得較大的利潤,從而成為芯片行業(yè)的巨無霸,其能量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)在的intel。也許10年之后,芯片行業(yè)出現(xiàn)了一個(gè)像google和amazon這樣萬億級(jí)的公司也并非不可能。

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  蘋果劃時(shí)代推出Arm筆電處理器

  剛才說到ARM,今年還有一個(gè)里程碑式的事件,就是Apple以驚人的速度推出了基于ARM的筆記本電腦。

  Apple從來不是一個(gè)拘泥于現(xiàn)狀的公司,在其歷史上,就曾經(jīng)在短時(shí)間內(nèi)拋棄了摩托羅拉轉(zhuǎn)向intel。但當(dāng)時(shí)的情況是powerpc日漸式微,而intel明顯的處于快速上升期,和現(xiàn)在并不可同日而語。之前其他廠商推出的基于ARM的各種筆記本基本上都不溫不火,不曾對X86架構(gòu)構(gòu)成任何挑戰(zhàn)。

  通俗講,如果告訴一個(gè)人說現(xiàn)在的imac裝不了win10了,有很大一批人可能都會(huì)猶豫。因此apple當(dāng)下的選擇是冒了很大的風(fēng)險(xiǎn)的。然而apple也有自己獨(dú)有的優(yōu)勢,就是軟硬件一體的高度控制能力,這也是它敢于叫板intel的底氣。

  由于IOS在龐大的電腦市場占比較小,目前還不能對X86構(gòu)成什么威脅。但這次改變卻透露了X86未來可能的隱患,這就是基于Apple強(qiáng)有力的執(zhí)行力和軟硬件整合力的推動(dòng)下,在Apple體系中成功建立起移動(dòng)、桌面和云的一體化,從而證明了ARM架構(gòu)在泛云支持上的可能性。這個(gè)殺傷力就很大了,現(xiàn)在Amazon也只是在某些特定領(lǐng)域使用ARM服務(wù)器,并沒有對X86龐大的生態(tài)構(gòu)成挑戰(zhàn)。而Apple的一體化是直接面向了泛應(yīng)用領(lǐng)域,這個(gè)如果成功,就表明現(xiàn)在桌面和移動(dòng)的幾乎所有應(yīng)用都可以遷移到ARM上,同時(shí)對應(yīng)的云端應(yīng)用也可以用ARM支持,這樣相當(dāng)于直接切入了X86的生態(tài)圈。

  理想當(dāng)然美好,然而過程并沒有那么容易,就單單推動(dòng)廠商把現(xiàn)在IOS上的桌面應(yīng)用都遷移到ARM上都是個(gè)不小的工作,更不用說那些歷史遺留程序了。不過前景還是值得期待,也許若干年之后,我們真的能看到RISC的代表ARM將X86擊敗的時(shí)刻,這將代表著處理器領(lǐng)域進(jìn)入全新的時(shí)代。

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  RISC-V暫時(shí)難成氣候

  談到ARM,就不得不說說現(xiàn)在炙手可熱的RISCV。這是一個(gè)從出生就含著金鑰匙的指令級(jí)架構(gòu)。在誕生之初,沒有人能預(yù)料到它能在巨頭壟斷的處理器市場掀起這么大的浪花。

  指令集開源,硬件設(shè)計(jì)開源,這個(gè)老前輩openrisc都嘗試過,但是并沒能挽回其不斷衰落的事實(shí),這也許就是天時(shí)、地利、人和,或者更通俗的講,“風(fēng)口上的豬”吧。

  不過坦率講,雖然RISCV一直很熱鬧,不過在真正商業(yè)化的路途上和競爭對手ARM還差的很遠(yuǎn),大多數(shù)的創(chuàng)業(yè)公司還停留在處理器個(gè)別系列的研發(fā)中,能夠大規(guī)模量產(chǎn)的,可能只有像西部數(shù)據(jù)這樣自產(chǎn)自銷的模式了。而其他林林總總的開源核心,包括西數(shù)開源的商用化內(nèi)核,也基本上淪為各大高校的學(xué)習(xí)和研究的項(xiàng)目,真正用開源核心做商業(yè)項(xiàng)目的鳳毛麟角。這也反映了硬件開源化相比軟件的種種困境。

  不過盡管面臨種種困難,RISCV仍然算是成功的在X86和ARM巨頭窺視的壟斷性市場中開辟了一絲曙光,而有光亮的地方就有希望。談到RISCV的進(jìn)展,大家大多會(huì)想到對標(biāo)ARM,比如sifive或者其他公司發(fā)布的處理器,基本上都會(huì)標(biāo)明對標(biāo)ARM的哪一款產(chǎn)品。這當(dāng)然也是一種思路,不過從個(gè)人角度來看,對標(biāo)ARM的替代化發(fā)展可能是一條比較困難的路。不論是從指令集性能,設(shè)計(jì)能力以及生態(tài)建設(shè),RISCV和ARM都差的太遠(yuǎn),這樣的話只能在低端應(yīng)用上進(jìn)行替代,而這個(gè)領(lǐng)域ARM自己的利潤都少的可憐,作為替代方的RISCV們就更少了。

  高端領(lǐng)域比如手機(jī)平板這些高利潤領(lǐng)域,RISCV基本上沒戲。那么RISCV的優(yōu)勢在哪里?個(gè)人拙見,相比ARM,RISCV最大的優(yōu)點(diǎn)在于簡單,整個(gè)體系架構(gòu)區(qū)區(qū)幾百頁文檔,幾十條指令加幾十個(gè)系統(tǒng)寄存器就能實(shí)現(xiàn)完整功能的RISCV核心,而對比ARM那幾千頁的文檔和復(fù)雜的架構(gòu),對于設(shè)計(jì)者的難度是顯而易見的。

  這樣就將處理器這樣一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)降低到大多數(shù)公司都能夠開發(fā)和應(yīng)用的層次上。ARM設(shè)計(jì)這么多指令和功能就是為了爭取最后那10%的性能,RISCV當(dāng)然不可能在這里勝過它,但簡潔的指令集架構(gòu)卻給了多數(shù)廠商自行設(shè)計(jì)和定制的能力,由于實(shí)現(xiàn)RISCV的基礎(chǔ)架構(gòu)變得非常簡單,基于此進(jìn)行二次開發(fā)和定制化開發(fā)就變得可行。這雖然會(huì)帶來碎片化的隱患,但確提供了百花齊放的可能性,從而將處理器靈活擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。這也許是RISCV一個(gè)更有希望的發(fā)展方向。

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  結(jié)語

  回顧今年,我一共發(fā)了20篇文章,從處理器設(shè)計(jì)到AI架構(gòu)各方面,從產(chǎn)品分析到論文解讀,理解上固然有限,但每一篇還算是認(rèn)真思考的結(jié)果,在這里要感謝支持我的讀者朋友們,也是芯片行業(yè)的伙伴。下一年我也會(huì)在工作之余繼續(xù)給大家?guī)硖幚砥骱虯I芯片的解讀,期待各位繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)支持。最后,預(yù)祝各位2021新年快樂。

 

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