從Intel和ARM雙雄爭霸讀懂芯片的前世今生

　　這幾天中興事件持續(xù)發(fā)酵以來，各種議論紛紛擾擾。

　　上周，新智元推送了《中國芯“逃兵”：缺芯是因為缺錢;中國芯“老炮”：芯片救國靠BAT不是開玩笑》一文，引起了無數(shù)從業(yè)者熱議。

　　有十余年芯片從業(yè)經(jīng)驗的水木網(wǎng)友torvaldsing告訴新智元，這幾天對他觸動最大的，還是碧樹西風(fēng)寫的這句話：

　　一碗牛肉面，真的要用牛肉，真的要用面，真的要燉很久，這么簡單的道理，偌大一個國家，這么多精英，過去這么多年了，咋就不能懂呢?

　　因此，torvaldsing投書新智元，嘗試談一談x86生態(tài)系統(tǒng)和ARM生態(tài)系統(tǒng)的艱難發(fā)展歷程和殘酷的市場競爭，向大家介紹一下做CPU的各種困難，以及眼下能看到的一線希望。

　　以下是torvaldsing的雄文：

　　我盡量寫得輕松一些，因為其實這個話題很有趣，仔細(xì)探究起來，很多看似爆炸性的新聞，其實草蛇灰線伏脈千里，在很早之前就發(fā)端了，這其中的故事，真的像演義小說一樣好玩。

　　本文會羅列很多的往事和參考資料，保證有誠意。一些地方?jīng)]忍住加上了一些三腳貓的分析，歡迎拍磚打臉。

　　x86生態(tài)系統(tǒng)

　　如今Intel在服務(wù)器市場占有率近乎100%，在桌面市場也大于80%，再加上Intel一貫重視宣傳，在普通大眾的心目中，Intel就是芯片的代稱，甚至是高科技的代稱。但Intel并非生而如此，它的牛X千真萬確是熬出來的，是在列強環(huán)伺的競爭環(huán)境中殺出來的。

　　稱王

　　七十年代，在搭上IBM PC這趟快車之前，Intel的8位處理器已經(jīng)很成功，但也有很多競爭者，Zilog是其中翹楚，它研發(fā)的Z80系列產(chǎn)品和Intel的8080兼容，性價比高。一直到90年代，中國很多大學(xué)的微機實驗課，還在用Zilog的板子。當(dāng)時還有一款處理器風(fēng)頭不遜于8080系列，即MOS公司的6502。后來MOS把6502的ISA(指令集架構(gòu))授權(quán)給了眾多廠商，流傳甚廣。70年代蘋果創(chuàng)立之初的Apple-I和Apple-II，80年代任天堂的紅白機，90年代初的小霸王學(xué)習(xí)機，90年代末的文曲星，都使用了6502系列的CPU。

　　IBM PC給了Intel和微軟大發(fā)展的機會。但它倆必須面對競爭。IBM PC是IBM主導(dǎo)下的一個開放標(biāo)準(zhǔn)，各個零部件都是可以替換的。所以才有了“兼容機”的概念，和延續(xù)至今的裝機市場。當(dāng)時IBM要求Intel必須把x86指令集授權(quán)給其它廠商，避免CPU供應(yīng)商一家獨大。(詳細(xì)的x86兼容處理器生產(chǎn)廠家列表見https：//en.wikipedia.org/wiki/List_of_x86_manufacturers)IBM自己也有生成x86兼容CPU的權(quán)力。同時，為了限制微軟的MS-DOS，IBM自己也做DOS操作系統(tǒng)，名為PC-DOS。

　　在IBM PC陣營內(nèi)部，Intel面對其它CPU供應(yīng)商的競爭，在陣營外部，還要和蘋果的Macintosh電腦競爭。當(dāng)時蘋果已經(jīng)換用Motorola 68000系列CPU，性能強勁，圖形界面誘人。當(dāng)時用Mac的人，逼格要高于用IBM PC的人。

　　Intel頂著陣營內(nèi)外的競爭壓力，苦心孤詣地發(fā)展壯大。這時候潛在的威脅在慢慢醞釀。從1981年的RISC-I開始，精簡指令集(RISC)逐步流行起來，誕生了一系列RISC風(fēng)格的CPU：1985年MIPS公司推出第一款商用的RISC芯片，HP公司在1986年推出PA-RISC，SUN公司在1987年推出SPARC，Motorola在1988年推出MC88000。當(dāng)時大家普遍認(rèn)為RISC優(yōu)于以x86為代表的CISC風(fēng)格CPU，就連Intel和AMD也害怕在RISC潮流中落伍，AMD在1987年推出了AM29000，Intel在1988年推出了i860/i960。

　　開始時RISC似乎并沒有威脅到桌面市場，MIPS、PA-RISC、SPARC全是用來做服務(wù)器和工作站的。被蘋果流放的喬布斯用MC88000系列CPU做NeXT桌面電腦，鎩羽而歸。1986年，英國的Acorn公司推出了一款名為ARM的RISC處理器，次年，它還配了個操作系統(tǒng)叫RISC OS，強攻桌面市場，可惜最終只在英國掀起來了一些波瀾。

　　1991年，RISC陣營實實在在地殺入桌面市場。這一年，IBM看到在PC陣營里，Intel和微軟這兩個小弟坐大，慢慢不受自己的控制，索性拉攏Apple和在RISC市場不得志的Motorola，推出了PowerPC架構(gòu)，由IBM和Motorola生產(chǎn)芯片，Apple做操作系統(tǒng)和整機，推出全新的Power Macintosh電腦。這三家組成了AIM(Apple-IBM-Motorola)聯(lián)盟，氣勢洶洶地向Wintel聯(lián)盟發(fā)起攻擊。

　　結(jié)果是Wintel贏了，個中原因眾說紛紜。有人說Wintel保持對已有軟件的向下兼容，而Apple頻繁更換底層的CPU，導(dǎo)致的不兼容氣走了用戶，然后由此強調(diào)軟件生態(tài)的重要。我則以為，歷史的發(fā)展有一定的偶然性，如果當(dāng)時Wintel不是比爾蓋茨和格魯夫在掌舵，而Apple是喬布斯在掌舵，可能結(jié)局完全不同。2005年，喬布斯掌舵下的蘋果，把Mac里面的CPU由PowerPC換成Intel的芯片，就完成得干脆利落，沒怎么受到軟件生態(tài)的牽絆。

　　總之，在80年代，大家就已經(jīng)深深懂得CPU的ISA是軟件生態(tài)系統(tǒng)的根基，不愿讓這個“生態(tài)之根”被別人控制。整機和系統(tǒng)的制造商，通過強制CPU廠商給其它廠商授權(quán)自己的ISA，來保證有第二家甚至更多的供應(yīng)商。如果不慎“生態(tài)之根”被別人控制了，例如IBM被Wintel篡了權(quán)，甚至不惜另起爐灶來競爭。

　　同樣是把自己的指令集授權(quán)給其它廠商，Intel把幾乎所有的其它供應(yīng)商都擠死了，只省下AMD茍延殘喘;MOS則銷聲匿跡了，完全靠其它生產(chǎn)商把6502系列延續(xù)到了二十一世紀(jì)。造成這一差異的原因縱有千萬條，我想“打鐵還需自身硬”是最根本的。

　　霸業(yè)

　　在桌面市場上，Windows 95和Windows 98這兩款操作系統(tǒng)，讓W(xué)intel聯(lián)盟登上了霸業(yè)的頂端。從1995年到2003年，Intel看起來簡直是不可戰(zhàn)勝的。

　　與此同時，Intel還把幾乎所有的RISC架構(gòu)的CPU都干趴下了，占領(lǐng)了服務(wù)器市場。原因大概有這么幾點。

　　第一，從技術(shù)角度講，RISC是一種設(shè)計CPU的理念，而不是具體的某一種ISA。像x86這樣的復(fù)雜指令集，其實在實現(xiàn)過程中，也能借重RISC的理念。1989年的80486，已經(jīng)隱隱地可以看到RISC風(fēng)格的流水線，1995年的Pentium Pro，其核心已經(jīng)是一個亂序執(zhí)行的RISC了，只不過多了一個復(fù)雜的譯碼邏輯，把x86指令拆分成RISC風(fēng)格的微操作。因此從技術(shù)角度講，RISC指令集未必比x86有優(yōu)勢。

　　第二，RISC成也UNIX，敗也UNIX。UNIX和C語言樹立了很好的軟件開發(fā)傳統(tǒng)，確保同一套代碼可以很方便地在不同CPU之間移植。80年代，一大堆RISC架構(gòu)的CPU，都可以很快配上自己的UNIX，很快把已有的C語言編寫的應(yīng)用跑在CPU上，然后就可以賣了。SUN公司的SPARC配有Solaris，HP公司的PA-RISC配有HP-UX，IBM公司的PowerPC配有AIX。

　　這些林林總總的UNIX變體，反過來又進一步促使UNIX生態(tài)系統(tǒng)中軟件開發(fā)人員重視代碼的可移植性，大家都很小心地圍繞POSIX標(biāo)準(zhǔn)來編程，避免過分依賴于某個操作系統(tǒng)獨有的功能。這樣，一旦Intel芯片攜Linux(一種開源的UNIX變體)來和RISC架構(gòu)的工作站競爭，軟件應(yīng)用就紛紛以很小的移植難度，離開了昂貴的專有UNIX工作站。

　　第三，當(dāng)時PC市場比服務(wù)器市場大得多，Intel在PC市場的盈利幫助它研發(fā)更好的服務(wù)器芯片，巨大的出貨量降低了芯片的制造成本。研發(fā)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，奠定了Intel最終勝利的基礎(chǔ)。

　　這段時間，Intel還幾次面臨挑戰(zhàn)，每次都成功保衛(wèi)了自己對于生態(tài)系統(tǒng)的掌控權(quán)。

　　第一個挑戰(zhàn)，來自Internet瀏覽器。Netscape Navigator誕生后，對微軟和Intel都是挑戰(zhàn)。雖然當(dāng)時的動態(tài)網(wǎng)頁還非常初級，但是已經(jīng)有人喊出“Web is the computer”的概念。等到Java Applet出現(xiàn)之后，大家更是覺得可以在網(wǎng)頁上實現(xiàn)桌面應(yīng)用的效果，未來只需一個瀏覽器，就能取代桌面。Netscape的Marc Andreessen在1995年，就著手把Netscape瀏覽器打造成一個Internet OS。以那個時代的軟硬件水平，毫無疑問地，這些嘗試失敗了。

　　用一個高層次的軟件API，兜住所有的上層應(yīng)用，然后讓底層的硬件，都來支持這個API——這個主意不單單在技術(shù)上看起來很炫，從商業(yè)上，這是上層應(yīng)用廠商消解底層平臺廠商生態(tài)霸權(quán)的終極武器。因此，在那之后的二十年里，商業(yè)上的嘗試一直在持續(xù)，包括：

　　1. 騰訊開發(fā)的WebQQ和Q+，在網(wǎng)頁里面提供一個類似Windows桌面的應(yīng)用場景，后來失敗了，回退到功能單一的SmartQQ。個中原因，我個人認(rèn)為還是那個時代的PC性能不夠。

　　2. 騰訊開發(fā)的微信小程序，在微信里面通過HTML5和Javascript實現(xiàn)手機App的功能，可以橫跨iOS和Android。

　　3. 谷歌推出ChromeOS和ChromeBook筆記本，里面跑的應(yīng)用，全都是基于HTML5和Javascript的。

　　我個人認(rèn)為，微信小程序幾乎一定會成功，它一旦成功，騰訊必然會重燃在PC平臺上做Q+的野心。Intel在桌面的霸權(quán)，最大的威脅不是AMD，也不是ARM，而很可能是HTML5+Javascript，熟悉“降維打擊”的人，對此不會感到意外吧。

　　第二個挑戰(zhàn)，來自虛擬機(Virtual Machine)和JIT(Just-in-time)編譯器。先鋒是Java的虛擬機JVM，后來微軟也推出了DotNet虛擬機，支持C#等語言。虛擬機有一套虛擬的指令集，源代碼先被編譯到這個虛擬的指令集上，在程序運行時，JIT編譯器再把這套虛擬指令集編譯為CPU的原生指令集。面向虛擬機開發(fā)的程序，例如Java Applet，可以在不同的CPU和操作系統(tǒng)平臺上運行。