過去20年間的絕大部分時(shí)間，PC CPU市場一直被x86架構(gòu)主導(dǎo)，英特爾長期占據(jù)著這個(gè)市場一半以上的份額。Arm則幾乎成了移動(dòng)CPU的代名詞，高通、聯(lián)發(fā)科都是移動(dòng)處理器市場的佼佼者。

不知是巧合還是必然，2020年和2021年的第三季度，移動(dòng)CPU和桌面CPU市場常年的老二相繼迎來了高光時(shí)刻。

市場研究機(jī)構(gòu)Counterpoint報(bào)告指出，2020年Q3聯(lián)發(fā)科首次以31%的市場份額超越高通，成為全球最大的智能手機(jī)處理器供應(yīng)商。Mercury Research發(fā)布的2021年第三季度市場調(diào)查報(bào)告顯示，AMD在全球x86 處理器市場的份額達(dá)到了24.6%，是2006年創(chuàng)歷史記錄25.3%后的市場份額第二高。

市場份額變化背后，一定程度上表明了CPU性能到達(dá)天花板，給多年的市場老二AMD趕超的好時(shí)機(jī)。但是，性能飛躍的蘋果M1 CPU橫空出世，又刺激英特爾推出更有競爭力的12代酷睿CPU。

x86、Arm、RISC-V在嵌入式、桌面、高性能CPU市場的混戰(zhàn)已經(jīng)開啟，技術(shù)挑戰(zhàn)、產(chǎn)品策略、大國競爭的因素疊加下，CPU市場格局又會(huì)發(fā)生怎樣的變化？

英特爾小步慢走，AMD借勢飛奔

AMD近年來CPU市場的成功，得益于其Zen架構(gòu)的成功，也借助了臺(tái)積電先進(jìn)制程。英特爾恰好相反，先是沒有提升CPU的動(dòng)力，后又被自己打亂了產(chǎn)品節(jié)奏。

2016年時(shí)，AMD推出了Zen架構(gòu)。“AMD推出Zen架構(gòu)之前，CPU的性能只有英特爾同級(jí)別產(chǎn)品的1/3-1/2的水平?！币晃籆PU行業(yè)的資深專家對雷峰網(wǎng)表示，“我認(rèn)為通用CPU性能已經(jīng)接近天花板，英特爾在天花板待了很多年，每年CPU的性能只有個(gè)位數(shù)提升?！?/strong>

這在業(yè)內(nèi)是一個(gè)很普遍的觀點(diǎn)，這一論斷的基礎(chǔ)是雖然半導(dǎo)體工藝在持續(xù)演進(jìn)，但7nm之后，先進(jìn)制程帶來的收益在遞減，也就是單位面積晶體管密度增長不斷放緩，對整體芯片性能的影響越來越小。英特爾、高通“牙膏廠”的稱號(hào)似乎也與這種觀點(diǎn)相互印證。

業(yè)內(nèi)同時(shí)也同時(shí)又相反的觀點(diǎn)認(rèn)為，CPU的性能并沒有達(dá)到天花板。

芯謀研究總監(jiān)宋長庚指出，“不是CPU的性能達(dá)到天花板，而是CPU的性能早已超過應(yīng)用的需求，英特爾沒有提升的動(dòng)力。”O(jiān)mdia半導(dǎo)體首席分析師何暉也說，“很難說通用CPU的性能到了天花板，硬件性能的冗余已經(jīng)存在很多年，關(guān)鍵的是要找到能夠發(fā)揮這些性能的功能。”

飛騰副總經(jīng)理郭御風(fēng)指出，雖然CPU的頻率在2000年之后提升就明顯放緩，但I(xiàn)PC（每個(gè)時(shí)鐘周期中CPU執(zhí)行的指令數(shù)）的提升基本保持線性增長，從這個(gè)角度看，CPU的性能并沒有達(dá)到天花板。

 

“英特爾之所以被業(yè)內(nèi)稱為牙膏廠，我認(rèn)為關(guān)鍵的原因是其Tick-Tock（一代產(chǎn)品更新制程，一代產(chǎn)品更新架構(gòu)）的節(jié)奏被打亂。成也蕭何敗也蕭何，作為IDM，英特爾自有工藝對其發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，而如今英特爾先進(jìn)工藝的反復(fù)延期大大影響其通過工藝提升帶來的性能的提升，另一方面工藝的持續(xù)延期對其架構(gòu)升級(jí)也會(huì)帶來影響。制程和架構(gòu)升級(jí)的節(jié)奏被打亂最后造成了比較大的影響?！惫L(fēng)認(rèn)為。

英特爾的Tick-Tock恰好代表了CPU升級(jí)的兩個(gè)關(guān)鍵維度——工藝和架構(gòu)。

過去的20年間，摩爾定律持續(xù)有效，芯片性能的提升甚至可以只依靠晶體管的小型化，通過設(shè)計(jì)更多內(nèi)核，依靠先進(jìn)帶來的更多“免費(fèi)”核心來提升CPU性能。英特爾憑借著制程的領(lǐng)先性，以及IDM的模式，在芯片市場獨(dú)占鰲頭。但在AMD推出Zen架構(gòu)的2016年，英特爾的10nm未能如期量產(chǎn)，并且延期了三年，產(chǎn)品節(jié)奏一步步被打亂。

英特爾犯錯(cuò)，送給了AMD巨大的機(jī)會(huì)。借著臺(tái)積電先進(jìn)的工藝制程，配合Zen架構(gòu)，AMD的CPU性能在幾年間迅速趕上進(jìn)步緩慢的英特爾，甚至實(shí)現(xiàn)了超越。

“AMD近幾年之所以表現(xiàn)如此強(qiáng)勁，Jim Keller 2012年領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的Zen架構(gòu)奠定了很好的基礎(chǔ)，再加上采用小芯片技術(shù)以及臺(tái)積電最先進(jìn)的工藝?！币晃磺癆MD高管表示。

Zen架構(gòu)的持續(xù)迭代非常關(guān)鍵。CPU的架構(gòu)可以分為兩個(gè)層次，一個(gè)是宏觀的結(jié)構(gòu)，比如常說的馮諾依曼架構(gòu)。“宏體系結(jié)構(gòu)這些年并沒有太大改變，除非發(fā)生翻天覆地的變化，否則對CPU性能的影響不大，最終影響CPU性能的其實(shí)是微架構(gòu)。”郭御風(fēng)指出，“直觀看，CPU中的運(yùn)算單元數(shù)量和能力直接影響了CPU的性能，但實(shí)際并沒有這么簡單，有了運(yùn)算單元之后，如何把運(yùn)算單元的能力發(fā)揮出來，這就考驗(yàn)微架構(gòu)的設(shè)計(jì)?！?/p>

AMD已經(jīng)證明，以先進(jìn)的工藝制程為基礎(chǔ)，結(jié)合優(yōu)秀的微架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以帶來顯著的性能提升。同樣用這種方式讓人眼前一亮的，還有蘋果。 

蘋果攪局，刺激CPU性能躍升

當(dāng)AMD通過性能的快速提升給英特爾帶來壓力之時(shí)，2020年11月橫空出世的蘋果M1處理器，其強(qiáng)大的性能和低功耗表現(xiàn)，成為了x86陣營英特爾和AMD共同的競爭對手，也讓外界質(zhì)疑同樣采用Arm架構(gòu)設(shè)計(jì)PC CPU的高通。

蘋果M1的發(fā)布，讓更多人意識(shí)到Arm也能設(shè)計(jì)出高性能芯片。實(shí)際上，學(xué)術(shù)界早有定論，指令集對性能和功耗沒有直接影響。龍芯總裁胡偉武此前也對雷峰網(wǎng)(公眾號(hào)：雷峰網(wǎng))表示：“其實(shí)指令系統(tǒng)更多關(guān)系到的是軟件生態(tài)，比如X86支撐Windows生態(tài)、ARM支撐Android生態(tài)?！?/strong>

之所以會(huì)有x86 CPU性能更高，Arm CPU功耗更有優(yōu)勢的認(rèn)知，主要還是兩者此前目標(biāo)的不同。郭御風(fēng)說：“x86把資源都用去提升性能，芯片性能高，功耗也高，但英特爾也有低功耗的芯片Atom。Arm原來的目標(biāo)是做低功耗處理器，現(xiàn)在也有許多高性能的Arm服務(wù)器CPU，性能高了，功耗也相應(yīng)的提升?！?/p>

也就是說，蘋果用Arm架構(gòu)設(shè)計(jì)出性能比英特爾高端CPU更好的產(chǎn)品，指令集并非挑戰(zhàn)，核心在于設(shè)計(jì)目標(biāo)。其中直接影響性能的微架構(gòu)設(shè)計(jì)，是一個(gè)精細(xì)的工作，要是在一定邊界內(nèi)做取舍，包括緩存的策略、替換算法、分支策略等等，蘋果積累了多年的芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過精細(xì)化調(diào)整優(yōu)化CPU有明顯優(yōu)勢。

除此之外，蘋果更大的優(yōu)勢在于系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化能夠帶來幾倍，甚至數(shù)量級(jí)的性能提升，這能比架構(gòu)優(yōu)化和工藝提升帶來更顯著的性能提升。

“系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化一直都是提升CPU性能的重要方式，但這種方式最大的難點(diǎn)在于生態(tài)化能力?！?/strong>郭御風(fēng)說，“要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，就需要整個(gè)軟硬件生態(tài)協(xié)同，從編譯器到BISO，再到操作系統(tǒng)和應(yīng)用層，才能實(shí)現(xiàn)很好的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化。蘋果能把處理器優(yōu)化的那么好，其閉環(huán)生態(tài)也是一個(gè)重要的因素?！?/p>

在蘋果的攪局下，英特爾在2021年發(fā)布的12代酷睿處理器的性能也實(shí)現(xiàn)了飛躍，不僅絕大部分性能都超越AMD，對比蘋果M1也有優(yōu)勢。資深CPU專家分析，這與英特爾新任CEO Pat Gelsinger有很大關(guān)系，在他上任很短的時(shí)間內(nèi)，英特爾的技術(shù)和架構(gòu)不可能發(fā)生質(zhì)變，他應(yīng)該是重新找到了英特爾技術(shù)的節(jié)奏，能夠迅速推出性能飛躍的產(chǎn)品。

接下來的后摩爾定律時(shí)代，架構(gòu)和系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化成為了競爭的關(guān)鍵。2017 年圖靈獎(jiǎng)的兩位得主 John L. Hennessy 和 David A. Patterson在2019年發(fā)表了一篇長篇報(bào)告《A New Golden Age for Computer Architecture》，他們展望未來十年將是計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)領(lǐng)域的“新的黃金十年”。

從AMD CPU性能迅速接近英特爾，以及蘋果M1處理器的推出，已經(jīng)可以看到優(yōu)秀的CPU微架構(gòu)，以及微架構(gòu)的精細(xì)優(yōu)化能夠帶來的性能飛躍。

架構(gòu)創(chuàng)新也是重要的方向。前產(chǎn)業(yè)分析師呂芃浩指出，CPU的性能提升遇到了技術(shù)瓶頸，這是因?yàn)轳T諾依曼架構(gòu)的存算體系。CPU的計(jì)算性能每年可以提升一倍，但存儲(chǔ)器的的性能提升很慢。業(yè)界在研究存算一體，這種架構(gòu)能夠更好的發(fā)揮出CPU的性能，但這種架構(gòu)何時(shí)能夠商用還不清晰。

還可以看到，Chiplet（譯作小芯片或芯粒）也是芯片行業(yè)一個(gè)發(fā)展趨勢，通過將不同功能的芯片，借助先進(jìn)封裝異構(gòu)集成，實(shí)現(xiàn)性能的持續(xù)提升。 

CPU行業(yè)大混戰(zhàn)時(shí)代 

蘋果攪動(dòng)的PC CPU市場競爭格局在發(fā)生變化，移動(dòng)CPU市場，蘋果獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，留下高通和聯(lián)發(fā)科相互競爭。不止于此，Arm架構(gòu)的高性能處理器也開始與x86搶奪服務(wù)器CPU市場。還有，開源RSC-V的興起，又給CPU市場的競爭帶來了更多的不確定性。

與x86陣營雙雄的你追我趕情況不同，Arm移動(dòng)CPU市場的高通的聯(lián)發(fā)科最新的旗艦產(chǎn)品難分伯仲。聯(lián)發(fā)科稱其最新旗艦產(chǎn)品天璣9000的多核CPU性能比驍龍8高20%。前產(chǎn)業(yè)分析師姚嘉洋認(rèn)為，“都是采用最先進(jìn)的4nm工藝的前提下，性能的差距主要是因?yàn)槁?lián)發(fā)科設(shè)定了更高的主頻性能。聯(lián)發(fā)科選擇的臺(tái)積電的工藝也帶來了一定的優(yōu)勢?！?/p>

高通和聯(lián)發(fā)科在手機(jī)旗艦處理器市場競爭的結(jié)果還不得而知。但Arm分食x86服務(wù)器CPU市場的蛋糕已經(jīng)開始。當(dāng)x86通用CPU不能滿足科技巨頭們的需求時(shí)，包括亞馬遜、阿里在內(nèi)的科技巨頭們都利用Arm架構(gòu)開始設(shè)計(jì)定制CPU，滿足自身的業(yè)務(wù)需求。而飛騰、Ampere等公司也利用Arm架構(gòu)設(shè)計(jì)高性能CPU，共同爭奪x86 CPU市場份額。

Arm與x86的競爭日益激烈之時(shí)，RISC-V也開始加入到了x86和Arm的競爭中，并且這個(gè)陣營的公司們都雄心勃勃。RISC-V CPU已經(jīng)在對生態(tài)要求不高的嵌入式市場取得成功，接下來，RISC-V CPU還將進(jìn)軍更高性能的移動(dòng)和服務(wù)器CPU市場。

現(xiàn)在看來，RISC-V要在移動(dòng)CPU和高性能CPU市場和Arm、x86競爭還有很長的路要走。“Arm在十年前推出Arm v8架構(gòu)就開始將目標(biāo)瞄向高性能處理器市場，經(jīng)過十多年的發(fā)展，才有高性能CPU能進(jìn)入服務(wù)器市場。Arm在移動(dòng)市場也有生態(tài)護(hù)城河，RISC-V要在強(qiáng)生態(tài)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破很難，還有很長的路要走，但在物聯(lián)網(wǎng)、加速器等短生態(tài)領(lǐng)域還是很有機(jī)會(huì)?！惫L(fēng)說。

有意思的是，眾多Arm陣營的公司，比如代表者蘋果、高通和聯(lián)發(fā)科，都加入了RISC-V基金會(huì)，并且在開發(fā)RISC-V產(chǎn)品，這讓Arm和RISC-V之間的競爭變得讓人更加期待。

在CPU市場的大混戰(zhàn)中，還有一個(gè)重要的變量。多位CPU業(yè)內(nèi)人士都對雷峰網(wǎng)表示，隨著國際形勢的變化，發(fā)展芯片行業(yè)已經(jīng)成為了國家戰(zhàn)略，這讓包括CPU在內(nèi)的芯片行業(yè)的競爭已經(jīng)不再是單純的商業(yè)競爭。

“我們作為后來者，雖然目前的產(chǎn)品和國際大廠直接競爭還有一定的差距，但已經(jīng)能滿足大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域需求了。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，我們將有更大的進(jìn)步空間。”郭御風(fēng)說，“在以前巨頭一統(tǒng)天下的格局下，后進(jìn)者很難實(shí)現(xiàn)突破，現(xiàn)在全球格局的變化讓我們有機(jī)會(huì)在新興市場競爭和實(shí)現(xiàn)突破?！?/p>

宋長庚認(rèn)為，“如果國產(chǎn)CPU能夠達(dá)到可用的程度，借著國產(chǎn)芯片自主，有機(jī)會(huì)發(fā)展起來，然后再拓展政府之外的市場，才能與巨頭競爭?！?/strong>

技術(shù)會(huì)遇到瓶頸，市場的競爭會(huì)因?yàn)榇髧g的競爭而變化，諸多的不確定因素，最終會(huì)讓CPU市場呈現(xiàn)什么格局？

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