從Intel和ARM雙雄爭(zhēng)霸讀懂芯片的前世今生

　　滲透

　　2011年1月，微軟在CES宣布要為ARM架構(gòu)開(kāi)發(fā)Windows 8 RT操作系統(tǒng)。在2012年年底，幾乎和Intel芯手機(jī)上市的同時(shí)，包括微軟自家的Surface RT在內(nèi)的一大批二合一平板設(shè)備上市了。Windows 8 RT不支持所有之前為x86平臺(tái)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，這成為它最大的軟肋，相關(guān)的產(chǎn)品慢慢銷(xiāo)聲匿跡了。ARM滲透桌面市場(chǎng)的第一次嘗試失敗了。

　　最近微軟和高通所推出的ARM芯的Windows 10，吸取了教訓(xùn)，用Eumlation的機(jī)制來(lái)支持舊有的x86桌面程序。這次嘗試能否成功，我們拭目以待。

　　2009年，ARM推出了Cortex A9處理器，并且用40nm的工藝制造了雙核的樣片，跑到了2GHz。這是ARM第一次推出亂序超標(biāo)量的處理器核，而亂序超標(biāo)量是Intel實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵技術(shù)，這是非常振奮人心的消息。2010年，Marvell推出了1.6GHz的4核A9的服務(wù)器芯片Armada XP。2013年，這款芯片被部署在百度的存儲(chǔ)服務(wù)器上，這是ARM服務(wù)器第一次大規(guī)模商用。但Marvell并未繼續(xù)推出新的服務(wù)器芯片。2011年，一家創(chuàng)業(yè)公司Calxeda采用Cortex A9，推出了共有480個(gè)CPU核的ARM服務(wù)器。但它的成就還不如Armada XP，2013年公司就倒閉了。

　　2012年，AMD收購(gòu)了一家做高密度服務(wù)器的廠商SeaMicro，準(zhǔn)備把它所采用的CPU核由Intel的Atom換成ARM架構(gòu)的CPU。但直到2014年AMD才推出8核Cortex A57的服務(wù)器芯片Opteron A1100，之后從來(lái)也沒(méi)有認(rèn)真賣(mài)過(guò)它。2015年AMD就放棄了SeaMicro這個(gè)子品牌，不再做高密度服務(wù)器了。

　　ARM進(jìn)攻服務(wù)器市場(chǎng)的第一次嘗試失敗了。Marvell和Calxeda都采用的是32位的ARM核，先天不足;AMD則三心二意，畢竟自己還有x86 Server的生意。另外服務(wù)器市場(chǎng)對(duì)于單核單線程的運(yùn)算能力也有很高的要求，僅僅有低功耗和高通量(high throughput)是不夠的。

　　在ARMv8這一64位指令集發(fā)布之后，Cavium和AppliedMicro這兩家老牌網(wǎng)絡(luò)芯片廠商不約而同地將自己原先芯片中的架構(gòu)換成了ARMv8。因?yàn)楫a(chǎn)品的需要，Cavium和AppliedMicro都有自行設(shè)計(jì)處理器微架構(gòu)的能力，前者做MIPS處理器，后者做PowerPC處理器。它們兩家做ARMv8處理器時(shí)，也都采用了只授權(quán)指令集，微架構(gòu)自研的模式。Cavium共推出過(guò)兩代基于ARM的產(chǎn)品(2014、2016年)，AppliedMicro推出過(guò)三代(2013、2015、2017年)。隨著產(chǎn)品性能逐漸接近Intel的Xeon E5，它們漸漸不再滿(mǎn)足于原先的網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，開(kāi)始覬覦服務(wù)器市場(chǎng)。

　　最讓人期待的還是高通的Centriq芯片，2015年年底量產(chǎn)24核版本，2016年年底量產(chǎn)升級(jí)48核版本，還得到了微軟的強(qiáng)力支持?？紤]到高通還和貴州成立了合資公司華芯通，Centriq很可能成為在國(guó)內(nèi)大規(guī)模商用的第一款A(yù)RM服務(wù)器芯片。

　　另外具有國(guó)防背景的天津飛騰公司，也有ARM服務(wù)器芯片的產(chǎn)品，只是不知道這些產(chǎn)品何時(shí)能在通用市場(chǎng)上鋪貨。

　　其他確定在研發(fā)ARM Server芯片的大廠還包括Broadcom和華為，進(jìn)度上要略慢一些。

　　ARM陣營(yíng)對(duì)服務(wù)器發(fā)起的第二波沖擊，陣容要強(qiáng)大得多豪華得多。因此ARM才敢于宣稱(chēng)，在2021年拿下25%的服務(wù)器市場(chǎng)份額。

　　要做好Server CPU，ARM架構(gòu)還有些功課要一點(diǎn)一點(diǎn)補(bǔ)。多Socket服務(wù)器所需要的一致性協(xié)議，業(yè)界剛剛?cè)〉霉沧R(shí)準(zhǔn)備采用CCIX，但還沒(méi)有具體的產(chǎn)品出來(lái)。做云端虛擬機(jī)所必備的虛擬化支持，ARM還有些性能問(wèn)題。x86處理器提升Throughput的利器超線程技術(shù)，ARM陣營(yíng)尚不能支持。Intel芯片近年來(lái)陸續(xù)增加的安全特性，也夠ARM追趕一陣子的。但目前看來(lái)，ARM已經(jīng)沒(méi)有致命的短板，蠶食掉Intel的服務(wù)器市場(chǎng)份額是板上釘釘?shù)氖虑椋ㄒ坏膽夷钍蔷烤苟嗌俜蓊~?

　　未來(lái)ISA將不那么重要

　　從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，半導(dǎo)體廠商對(duì)建立于ISA之上的生態(tài)系統(tǒng)的掌控力會(huì)變?nèi)?，而ISA本身，會(huì)變得越來(lái)越不重要。這是軟件技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)決定的，如前所述，這些技術(shù)在90年代末就已經(jīng)初有小成了。

　　第一是Web技術(shù)。網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，有一個(gè)大家視若無(wú)睹的奇跡：最后居然只有Javascript一種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言屹立至今。要知道在服務(wù)器端和移動(dòng)App領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言多如過(guò)江之卿。其中原因我也分析不出。反正js的挑戰(zhàn)者(微軟的VBScript和谷歌的Dart)都失敗了。網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域面臨的主要問(wèn)題是瀏覽器差異大，API不太兼容。這個(gè)問(wèn)題慢慢在緩解中，一來(lái)瀏覽器戰(zhàn)爭(zhēng)大局已定，Android和PC上的Chrome，以及iPhone和Mac上的safari是勝者;二來(lái)很多網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用是跑在App里面的，例如微信和支付寶里，這種場(chǎng)景下Javascript的API已經(jīng)被特定廠商規(guī)范過(guò)了。

　　由于開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和API的高度統(tǒng)一，H5(HTML5+Javascript)已經(jīng)成了兼容所有硬件的最通用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。曾經(jīng)有人鼓吹H5會(huì)趕走移動(dòng)端和PC端的原生程序，后來(lái)被打臉了。但是移動(dòng)端和PC端的原生App中，越來(lái)越多的界面是用H5生成的了，微信、支付寶、京東、淘寶、愛(ài)奇藝、有道詞典……統(tǒng)統(tǒng)都是這樣。

　　Javascript吞噬一切的進(jìn)程還在持續(xù)。2007年，Stack Overflow的聯(lián)合創(chuàng)始人Jeff Atwood曾經(jīng)提出過(guò)一條Atwood定律：任何能夠用JavaScript實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)，最終都必將用JavaScript實(shí)現(xiàn)。十年過(guò)去了，此定律基本奏效。把Javascript的一個(gè)子集當(dāng)作匯編語(yǔ)言的asm.js及其后續(xù)的WebAssembly，更加使得網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用有媲美原生應(yīng)用的潛力，在瀏覽器里跑Unity3D的游戲都不是問(wèn)題。

　　獨(dú)立的應(yīng)用程序仍然會(huì)是移動(dòng)和桌面端的主流，因?yàn)闆](méi)有獨(dú)立程序，不方便做彈窗廣告，不方便啟動(dòng)后臺(tái)進(jìn)程收集用戶(hù)信息，不方便引誘用戶(hù)安裝其它獨(dú)立程序。但Web的能力的確在快速提升，Web Component技術(shù)實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似GUI庫(kù)的Widget復(fù)用，如今在瀏覽器里實(shí)現(xiàn)Office和IDE的功能都毫無(wú)問(wèn)題(office365.com、docs.google.com、editor.construct.net、騰訊文檔);而WebGL已經(jīng)能支持Unity3D這種大型游戲框架。

　　照此趨勢(shì)發(fā)展下去，獨(dú)立應(yīng)用程序僅僅會(huì)作為一個(gè)包裝而存在，開(kāi)發(fā)者寫(xiě)一套H5，加上不同的包裝，就成了PC、Mac、Android、iOS上的獨(dú)立應(yīng)用程序，不加包裝，就是網(wǎng)站。微軟去年開(kāi)源的ReactXP，就是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

　　這意味著什么?不但底層的CPU被OTT了，操作系統(tǒng)也被OTT了。因?yàn)橐浦惨粋€(gè)應(yīng)用程序到各個(gè)平臺(tái)上，幾乎沒(méi)有什么難度。誰(shuí)將是生態(tài)系統(tǒng)的掌控者?若干個(gè)超級(jí)App，像微信、QQ、支付寶這樣的。它們不但包裝自家的應(yīng)用，其它開(kāi)發(fā)者也可以把自己的應(yīng)用放在這個(gè)包裝里面，借重超級(jí)App的廣泛覆蓋度，抵達(dá)最終用戶(hù)。前文提到了，如果微信小程序獲得成功，騰訊必然會(huì)重拾Q+的野心，把QQ變成桌面上各種H5應(yīng)用的App Store。

　　如果真的會(huì)這樣，微軟豈不是會(huì)比Intel還著急?拜托，微軟已經(jīng)不是二十年前主要靠賣(mài)Windows和Office的光盤(pán)賺錢(qián)的那家公司了，未來(lái)它會(huì)專(zhuān)注于云計(jì)算。但I(xiàn)ntel還和二十年前一樣在賣(mài)芯片。

　　第二是編譯技術(shù)尤其是虛擬機(jī)的發(fā)展。如今的編程語(yǔ)言太多了，80年代那種搞定C語(yǔ)言編譯器就OK的好日子早已過(guò)去。任何一個(gè)新CPU架構(gòu)要想在移動(dòng)、桌面、服務(wù)器市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟，都得搞定無(wú)數(shù)的編譯器(包括虛擬機(jī)用的JIT編譯器)，這是個(gè)壞消息。但好消息是，搞定這些編譯器基本就差不多了，不用勸說(shuō)開(kāi)發(fā)者重寫(xiě)匯編代碼。

　　老一代程序員對(duì)x86處理器架構(gòu)和匯編都非常熟悉。求伯君當(dāng)年開(kāi)發(fā)WPS時(shí)，手寫(xiě)幾十萬(wàn)行匯編;雷軍讀本科時(shí)，是系里20多年來(lái)拿過(guò)《匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》滿(mǎn)分成績(jī)的兩個(gè)學(xué)生之一;梁肇新開(kāi)發(fā)超級(jí)解霸時(shí)，把MMX匯編玩得出神入化。感興趣的讀者可以看看梁的《編程高手箴言》，那里面，描繪了一個(gè)對(duì)現(xiàn)在的程序員而言，完全陌生的世界。在那個(gè)世界里，你開(kāi)發(fā)的PC應(yīng)用程序想要移植到Mac平臺(tái)上，幾乎要完全重寫(xiě)。

　　如今高層次的編程語(yǔ)言接管了一切，匯編語(yǔ)言從很多學(xué)校的本科課程里消失了，入門(mén)教材也從C改成了Java，甚至是Javascript或Python。程序員完全不熟悉底層的CPU。即使是真的需要拼性能的場(chǎng)合，編譯器也在很大程度上代替了手寫(xiě)匯編。ARM的工程師告訴我說(shuō)，ARM在開(kāi)發(fā)開(kāi)源的Compute Library過(guò)程中，主要依靠在C源碼中加入標(biāo)注來(lái)指導(dǎo)編譯器生成SIMD指令，而不是像梁肇新那樣手寫(xiě)。

　　在這種情況下，軟件平臺(tái)廠商就變得非常強(qiáng)勢(shì)，因?yàn)樗麄冎?，?yīng)用開(kāi)發(fā)商只需付出重新編譯一遍的代價(jià)。比如蘋(píng)果，就要求所有的App都改為64位的。這樣，未來(lái)蘋(píng)果在手機(jī)CPU里放棄對(duì)32位應(yīng)用的支持時(shí)，甚至都不會(huì)有人感覺(jué)得到。這對(duì)于x86生態(tài)系統(tǒng)而言，簡(jiǎn)直是天方夜譚，顯然微軟對(duì)此非常眼饞，并且嘗試在Windows 10 S中復(fù)制這種掌控力。

　　至于谷歌，Android把所有應(yīng)用都跑在虛擬機(jī)上的嘗試雖然失敗了，但如果未來(lái)它再針對(duì)AR/VR、AI或機(jī)器人發(fā)布一個(gè)什么軟件平臺(tái)的話(huà)，就很有可能完全禁止原生程序。

　　而Oracle，正在努力開(kāi)發(fā)可以支持所有編程語(yǔ)言、能把所有CPU給OTT掉的全新VM：GraalVM。我們拭目以待。

　　第三是Emulation技術(shù)的發(fā)展。雖然眼下ARM陣營(yíng)中靠Emulation進(jìn)攻Intel的先鋒是高通，但最可怕的選手其實(shí)是NVidia。NVidia擁有最厲害的Emulation技術(shù)，而且江湖傳言Denver處理器的初衷就是針對(duì)x86的。當(dāng)初NVidia的Tegra處理器曾被拿來(lái)做Windows 8 RT的二合一平板。如今Denver處理器跑Windows 10絕不會(huì)讓人意外，那么它會(huì)怎么跑呢?肯定是直接在底層硬件上做x86的Emulation，而不是在Emulate出來(lái)的ARM指令集上再做一層Eumulation。

　　Denver處理器前些年沒(méi)有跳出來(lái)?yè)孖ntel的飯碗，很大程度上是因?yàn)镹Vidia還在做Intel平臺(tái)的主板芯片組，另外NVidia還沒(méi)有那么強(qiáng)大。如今NVidia也不做芯片組生意了，還借AI的東風(fēng)，股價(jià)扶搖直上。說(shuō)不定哪天，NVidia就會(huì)放出Denver處理器的x86 Emulator，做到單線程性能不輸Xeon，強(qiáng)攻服務(wù)器市場(chǎng)。想想看，在單芯片上集成GPU和x86版的Denver，云計(jì)算廠商能不動(dòng)心?

　　如果未來(lái)Emulation技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展并且被越來(lái)越多的廠商掌握，很可能會(huì)出現(xiàn)這種情況：CPU本身是某種外界不了解的指令集，官方發(fā)布時(shí)，只能Emulate某種開(kāi)放的指令集，例如RISCV;但是用戶(hù)可以給它安裝不同的Emulator，讓它變成x86-64處理器，或者ARM64處理器。在軟件定義一切的時(shí)代，這并不是多么瘋狂的想象。

　　總之，CPU依然不可或缺，但CPU用誰(shuí)家的，是什么指令集，會(huì)越來(lái)越不重要。軟件的發(fā)展，會(huì)在用戶(hù)和底層的CPU之間加入足夠大的緩沖帶，CPU的差異，越來(lái)越難以被用戶(hù)察覺(jué)到。

　　展望：讓CPU不再難

　　此文在最后修改之時(shí)，看到了梁寧的文章《一段關(guān)于國(guó)產(chǎn)芯片和操作系統(tǒng)的往事》，里面寫(xiě)到：

　　就像10多年前一樣，只要搞定知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題，選擇技術(shù)路線，找會(huì)干的人，投入干，CPU/芯片就能夠做出來(lái)。搞不定的依然是操作系統(tǒng)。差距大的依然是生態(tài)。

　　當(dāng)年，繞得過(guò)Intel，跨不過(guò)微軟。如今，繞得過(guò)Arm，做不出安卓。

　　我也曾在北大參與過(guò)國(guó)產(chǎn)CPU的研發(fā)，生態(tài)之難體會(huì)頗深，真的，只是燒錢(qián)做芯片，無(wú)論燒多少都無(wú)法挑戰(zhàn)Intel和ARM，何況過(guò)去二十年真的沒(méi)燒多少。

　　但我并沒(méi)有梁寧那么悲觀，畢竟技術(shù)的潮流無(wú)法抗拒，借用馬化騰的一句名言“可能你什么錯(cuò)都沒(méi)有，最后就是錯(cuò)在自己太老了”。

　　Intel和ARM如此強(qiáng)大而且極少犯錯(cuò)，我們?nèi)绱巳跣【退闼鼈兎稿e(cuò)也無(wú)法利用——但我們可以欺負(fù)它們的“老”。

　　在此借新智元的寶地，向小馬哥呼吁一聲：

　　請(qǐng)借助騰訊的強(qiáng)大生態(tài)，把CPU和OS這兩個(gè)老大難問(wèn)題給OTT掉吧!

　　做法非常簡(jiǎn)單，把Q+桌面再重新搞起來(lái)，做一款完全使用Javascript&Webassembly編程的操作系統(tǒng)，里面用騰訊文檔來(lái)替代Office，各種微信小程序都支持起來(lái)，適當(dāng)支持游戲(但要加入家長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng))。補(bǔ)貼芯片廠，讓它們使用ARM或RISC-V外加國(guó)產(chǎn)Imagination gpu做SoC，生產(chǎn)類(lèi)似Surface這樣的二合一平板。底層CPU使用的ISA完全不可見(jiàn)，上層編程完全用H5。這樣，就幫祖國(guó)把CPU和OS這兩個(gè)陳年大洞都補(bǔ)上了。

　　芯片要下苦功，別凡事都指望模式創(chuàng)新。這不假。但偏偏CPU真的面臨一個(gè)十倍速變革的機(jī)會(huì)，真的有靠模式創(chuàng)新而勝出的機(jī)會(huì)，為什么不試試呢?如果騰訊不去嘗試一下，誰(shuí)還有資格呢?促進(jìn)祖國(guó)的微電子發(fā)展功德無(wú)量，相信這次不會(huì)有人說(shuō)騰訊壟斷之類(lèi)的閑話(huà)。