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年终闲聊处理器设计

2020-12-31
来源: EETOP
关键词: AMD 英特尔 RISCV ARM

  最近一直忙于手头项目,同时也没有很值得研究的产品,因此这两个月也就疏于更新。2020年马上就过去了,这里也从个人角度随便聊聊一些粗浅理解,有不对的地方还请指教。

  英特尔 vs AMD

  今年的处理器市场算是比较热闹了,从前的霸主intel跌落神坛,从产品到股价都经受了重创。而它的老对头AMD时来运转,ZEN架构迭代的愈加顺利,从PC端到服务器市场都在蚕食intel的市场。

  这两个冤家的纠缠从几十年前就开始了,AMD曾数度占据先机,但intel都能很快的挽回局势,重新占据上风。而这次看起来似乎是intel这20年最大的一次危机。从表象上来看似乎是intel在自家工艺上载了跟头,更深层次其实是intel的多元化战略的挫折,从收购Mobileye,Altera,再到后来的Nervana和habaha(这两个名字也是般配),加上重启自研GPU之路,intel一直在尝试创造一个包含CPU,GPU,硬件可编程单元FPGA,神经网络处理单元等集大成为一体的异构处理综合体,囊括了未来数十年在终端,云端,人工智能,功能可定制化等主要领域和新兴方向的主要需求。

  这当然是一个很宏大并且很诱人的目标,然而难度也是巨大的。不但要在硬件上掌控这些非常复杂的设计,同时在软件层面也需要非常好的抽象和调度,以适于程序员使用这些资源。可以说intel过高的估计了自己的资源和能力,在各方面遍地开花式的齐头并进的结果就是资源配置不足,首先就导致在工艺端出现了短板,而后在自动驾驶和人工智能加速器上也渐渐落在后边。

  现在除了前方失火,作为老巢的CPU市场居然也受到了极大挑战,不得不说是轻敌冒进的结果。而反观AMD在低谷中时,没有能力也没有关注这些外延领域,而是集中全部的资源在当下最核心最有希望的处理器设计上,从抛弃推土机这种花哨式的设计开始,回归主流设计方案,以ZEN架构一举搬回了劣势。随着几代ZEN架构的成功,根基稳固之后,再开始慢慢扩展领域,包括最近收购Xilinx,也透露出AMD在云端异构上的野心。

  当然intel现在的困境也不能简单的归结于单个原因。从另外一个角度看,intel也是时运不济,异构处理的思想过于超前,以至于花费了大量的资源和财力,导致当下能够赚钱的市场没有把握住。这其实是很多行业领先者曾经犯下的错误,这也是芯片领域的天时地利人和,缺一不可。

  而所谓的时机,这个有点玄学的味道了,因为谁也不知道风口什么时候到来,什么时候褪去。有的提前做了准备,并且把握住了风口的机会,比如NVIDIA对于CUDA并行计算和AI;而有的提前做了准备,却耗尽了资源没有等到时机来临,比如几年前的那几家ARM服务器开发厂商。这其中的度怎么把握确实是件非常困难的事。

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  英伟达收购ARM的影响

  另一个重磅消息就是ARM将被NVIDIA收购。作为移动领域的绝对霸主,ARM自己却有点风雨飘摇的味道,先是被软银巨资收入囊中且给予厚望,然而没过几年就被出售。而每年百亿级别的出货量,居然只有区区几个亿的年利润,对比四五百亿的估值真是有点不够看的。

  这几年ARM的发展可以说是主要借了移动领域快速发展的东风,基本垄断了高端手机的核心,这也是其主要的利润来源。而其他大力发展的领域,比如物联网,人工智能,只能说暂时还是美丽的童话,IP卖了不少,可获得的收益就少的可怜,而大力推广的服务器领域,一波一波的厂商被忽悠进去,然后纷纷割肉退出。因此ARM虽然当下风光无限,但背地里也是危机重重,一旦手机市场慢下来,ARM的利润根基就会受到威胁。

  被寄予厚望的物联网市场正受到开源RISCV的挑战,而人工智能趋于定制化设计,ARM也没什么优势,更不用说服务器端的玩家变成了一众云厂商,它们更倾向于自己设计,ARM在这几个方面都很难获得大的利润增长点。这也许就是IP厂商的宿命,强如ARM也只能获得芯片产业链上微不足道的利润分成。随着ARM被收购,也许就是活跃了几十年的IP业务终结的开始。

  之后除了非常复杂的设计还可能存在独立的公司,其他的IP都会渐渐被整合到某几个公司旗下,从而出现芯片领域的平台提供商。这样芯片公司只需要关注在主要的功能设计上,其他部分都可以从平台获得,包括IP,设计flow,综合以及tape out相关,从而获得资源配置的最优化。而芯片设计相关的工作,目前主要由众多Design Service公司提供,也很有可能在不远的将来归于平台提供商之下,以更加高效和自动化的方式提供。

  之后独立IP的提供方式也不再是目前的软硬核交付,更可能是独立的裸片,通过chiplet互联形成一个完整的芯片packet。在这种理念下,平台提供商就有资源和能力获得较大的利润,从而成为芯片行业的巨无霸,其能量会远远超过现在的intel。也许10年之后,芯片行业出现了一个像google和amazon这样万亿级的公司也并非不可能。

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  苹果划时代推出Arm笔电处理器

  刚才说到ARM,今年还有一个里程碑式的事件,就是Apple以惊人的速度推出了基于ARM的笔记本电脑。

  Apple从来不是一个拘泥于现状的公司,在其历史上,就曾经在短时间内抛弃了摩托罗拉转向intel。但当时的情况是powerpc日渐式微,而intel明显的处于快速上升期,和现在并不可同日而语。之前其他厂商推出的基于ARM的各种笔记本基本上都不温不火,不曾对X86架构构成任何挑战。

  通俗讲,如果告诉一个人说现在的imac装不了win10了,有很大一批人可能都会犹豫。因此apple当下的选择是冒了很大的风险的。然而apple也有自己独有的优势,就是软硬件一体的高度控制能力,这也是它敢于叫板intel的底气。

  由于IOS在庞大的电脑市场占比较小,目前还不能对X86构成什么威胁。但这次改变却透露了X86未来可能的隐患,这就是基于Apple强有力的执行力和软硬件整合力的推动下,在Apple体系中成功建立起移动、桌面和云的一体化,从而证明了ARM架构在泛云支持上的可能性。这个杀伤力就很大了,现在Amazon也只是在某些特定领域使用ARM服务器,并没有对X86庞大的生态构成挑战。而Apple的一体化是直接面向了泛应用领域,这个如果成功,就表明现在桌面和移动的几乎所有应用都可以迁移到ARM上,同时对应的云端应用也可以用ARM支持,这样相当于直接切入了X86的生态圈。

  理想当然美好,然而过程并没有那么容易,就单单推动厂商把现在IOS上的桌面应用都迁移到ARM上都是个不小的工作,更不用说那些历史遗留程序了。不过前景还是值得期待,也许若干年之后,我们真的能看到RISC的代表ARM将X86击败的时刻,这将代表着处理器领域进入全新的时代。

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  RISC-V暂时难成气候

  谈到ARM,就不得不说说现在炙手可热的RISCV。这是一个从出生就含着金钥匙的指令级架构。在诞生之初,没有人能预料到它能在巨头垄断的处理器市场掀起这么大的浪花。

  指令集开源,硬件设计开源,这个老前辈openrisc都尝试过,但是并没能挽回其不断衰落的事实,这也许就是天时、地利、人和,或者更通俗的讲,“风口上的猪”吧。

  不过坦率讲,虽然RISCV一直很热闹,不过在真正商业化的路途上和竞争对手ARM还差的很远,大多数的创业公司还停留在处理器个别系列的研发中,能够大规模量产的,可能只有像西部数据这样自产自销的模式了。而其他林林总总的开源核心,包括西数开源的商用化内核,也基本上沦为各大高校的学习和研究的项目,真正用开源核心做商业项目的凤毛麟角。这也反映了硬件开源化相比软件的种种困境。

  不过尽管面临种种困难,RISCV仍然算是成功的在X86和ARM巨头窥视的垄断性市场中开辟了一丝曙光,而有光亮的地方就有希望。谈到RISCV的进展,大家大多会想到对标ARM,比如sifive或者其他公司发布的处理器,基本上都会标明对标ARM的哪一款产品。这当然也是一种思路,不过从个人角度来看,对标ARM的替代化发展可能是一条比较困难的路。不论是从指令集性能,设计能力以及生态建设,RISCV和ARM都差的太远,这样的话只能在低端应用上进行替代,而这个领域ARM自己的利润都少的可怜,作为替代方的RISCV们就更少了。

  高端领域比如手机平板这些高利润领域,RISCV基本上没戏。那么RISCV的优势在哪里?个人拙见,相比ARM,RISCV最大的优点在于简单,整个体系架构区区几百页文档,几十条指令加几十个系统寄存器就能实现完整功能的RISCV核心,而对比ARM那几千页的文档和复杂的架构,对于设计者的难度是显而易见的。

  这样就将处理器这样一个复杂的设计降低到大多数公司都能够开发和应用的层次上。ARM设计这么多指令和功能就是为了争取最后那10%的性能,RISCV当然不可能在这里胜过它,但简洁的指令集架构却给了多数厂商自行设计和定制的能力,由于实现RISCV的基础架构变得非常简单,基于此进行二次开发和定制化开发就变得可行。这虽然会带来碎片化的隐患,但确提供了百花齐放的可能性,从而将处理器灵活扩展到其他领域。这也许是RISCV一个更有希望的发展方向。

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  结语

  回顾今年,我一共发了20篇文章,从处理器设计到AI架构各方面,从产品分析到论文解读,理解上固然有限,但每一篇还算是认真思考的结果,在这里要感谢支持我的读者朋友们,也是芯片行业的伙伴。下一年我也会在工作之余继续给大家带来处理器和AI芯片的解读,期待各位继续转发支持。最后,预祝各位2021新年快乐。

 

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