從Intel和ARM雙雄爭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，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平臺開發(fā)的應(yīng)用程序，這成為它最大的軟肋，相關(guān)的產(chǎn)品慢慢銷聲匿跡了。ARM滲透桌面市場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，之后從來也沒有認(rèn)真賣過它。2015年AMD就放棄了SeaMicro這個子品牌，不再做高密度服務(wù)器了。

　　ARM進(jìn)攻服務(wù)器市場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)器市場對于單核單線程的運(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。因為產(chǎn)品的需要，Cavium和AppliedMicro都有自行設(shè)計處理器微架構(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，也都采用了只授權(quán)指令集，微架構(gòu)自研的模式。Cavium共推出過兩代基于ARM的產(chǎn)品(2014、2016年)，AppliedMicro推出過三代(2013、2015、2017年)。隨著產(chǎn)品性能逐漸接近Intel的Xeon E5，它們漸漸不再滿足于原先的網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，開始覬覦服務(wù)器市場。

　　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)品何時能在通用市場上鋪貨。

　　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陣營對服務(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，在2021年拿下25%的服務(wù)器市場份額。

　　要做好Server CPU，ARM架構(gòu)還有些功課要一點一點補(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準(zhǔn)備采用CCIX，但還沒有具體的產(chǎn)品出來。做云端虛擬機(jī)所必備的虛擬化支持，ARM還有些性能問題。x86處理器提升Throughput的利器超線程技術(shù)，ARM陣營尚不能支持。Intel芯片近年來陸續(xù)增加的安全特性，也夠ARM追趕一陣子的。但目前看來，ARM已經(jīng)沒有致命的短板，蠶食掉Intel的服務(wù)器市場份額是板上釘釘?shù)氖虑?，唯一的懸念是究竟多少份額?

　　未來ISA將不那么重要

　　從長遠(yuǎn)看，半導(dǎo)體廠商對建立于ISA之上的生態(tài)系統(tǒng)的掌控力會變?nèi)?，而ISA本身，會變得越來越不重要。這是軟件技術(shù)發(fā)展的趨勢決定的，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)頁開發(fā)領(lǐng)域，有一個大家視若無睹的奇跡：最后居然只有Javascript一種開發(fā)語言屹立至今。要知道在服務(wù)器端和移動App領(lǐng)域，開發(fā)語言多如過江之卿。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)頁開發(fā)領(lǐng)域面臨的主要問題是瀏覽器差異大，API不太兼容。這個問題慢慢在緩解中，一來瀏覽器戰(zhàn)爭大局已定，Android和PC上的Chrome，以及iPhone和Mac上的safari是勝者;二來很多網(wǎng)頁應(yīng)用是跑在App里面的，例如微信和支付寶里，這種場景下Javascript的API已經(jīng)被特定廠商規(guī)范過了。

　　由于開發(fā)語言和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發(fā)平臺。曾經(jīng)有人鼓吹H5會趕走移動端和PC端的原生程序，后來被打臉了。但是移動端和PC端的原生App中，越來越多的界面是用H5生成的了，微信、支付寶、京東、淘寶、愛奇藝、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)提出過一條Atwood定律：任何能夠用JavaScript實現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)，最終都必將用JavaScript實現(xiàn)。十年過去了，此定律基本奏效。把Javascript的一個子集當(dāng)作匯編語言的asm.js及其后續(xù)的WebAssembly，更加使得網(wǎng)頁應(yīng)用有媲美原生應(yīng)用的潛力，在瀏覽器里跑Unity3D的游戲都不是問題。

　　獨立的應(yīng)用程序仍然會是移動和桌面端的主流，因為沒有獨立程序，不方便做彈窗廣告，不方便啟動后臺進(jìn)程收集用戶信息，不方便引誘用戶安裝其它獨立程序。但Web的能力的確在快速提升，Web Component技術(shù)實現(xiàn)了類似GUI庫的Widget復(fù)用，如今在瀏覽器里實現(xiàn)Office和IDE的功能都毫無問題(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。

　　照此趨勢發(fā)展下去，獨立應(yīng)用程序僅僅會作為一個包裝而存在，開發(fā)者寫一套H5，加上不同的包裝，就成了PC、Mac、Android、iOS上的獨立應(yīng)用程序，不加包裝，就是網(wǎng)站。微軟去年開源的ReactXP，就是為了實現(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。因為移植一個應(yīng)用程序到各個平臺上，幾乎沒有什么難度。誰將是生態(tài)系統(tǒng)的掌控者?若干個超級App，像微信、QQ、支付寶這樣的。它們不但包裝自家的應(yīng)用，其它開發(fā)者也可以把自己的應(yīng)用放在這個包裝里面，借重超級App的廣泛覆蓋度，抵達(dá)最終用戶。前文提到了，如果微信小程序獲得成功，騰訊必然會重拾Q+的野心，把QQ變成桌面上各種H5應(yīng)用的App Store。

　　如果真的會這樣，微軟豈不是會比Intel還著急?拜托，微軟已經(jīng)不是二十年前主要靠賣Windows和Office的光盤賺錢的那家公司了，未來它會專注于云計算。但I(xiàn)ntel還和二十年前一樣在賣芯片。

　　第二是編譯技術(shù)尤其是虛擬機(jī)的發(fā)展。如今的編程語言太多了，80年代那種搞定C語言編譯器就OK的好日子早已過去。任何一個新CPU架構(gòu)要想在移動、桌面、服務(wù)器市場站穩(wěn)腳跟，都得搞定無數(shù)的編譯器(包括虛擬機(jī)用的JIT編譯器)，這是個壞消息。但好消息是，搞定這些編譯器基本就差不多了，不用勸說開發(fā)者重寫匯編代碼。

　　老一代程序員對x86處理器架構(gòu)和匯編都非常熟悉。求伯君當(dāng)年開發(fā)WPS時，手寫幾十萬行匯編;雷軍讀本科時，是系里20多年來拿過《匯編語言程序設(shè)計》滿分成績的兩個學(xué)生之一;梁肇新開發(fā)超級解霸時，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，描繪了一個對現(xiàn)在的程序員而言，完全陌生的世界。在那個世界里，你開發(fā)的PC應(yīng)用程序想要移植到Mac平臺上，幾乎要完全重寫。

　　如今高層次的編程語言接管了一切，匯編語言從很多學(xué)校的本科課程里消失了，入門教材也從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合，編譯器也在很大程度上代替了手寫匯編。ARM的工程師告訴我說，ARM在開發(fā)開源的Compute Library過程中，主要依靠在C源碼中加入標(biāo)注來指導(dǎo)編譯器生成SIMD指令，而不是像梁肇新那樣手寫。

　　在這種情況下，軟件平臺廠商就變得非常強(qiáng)勢，因為他們知道，應(yīng)用開發(fā)商只需付出重新編譯一遍的代價。比如蘋果，就要求所有的App都改為64位的。這樣，未來蘋果在手機(jī)CPU里放棄對32位應(yīng)用的支持時，甚至都不會有人感覺得到。這對于x86生態(tài)系統(tǒng)而言，簡直是天方夜譚，顯然微軟對此非常眼饞，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，但如果未來它再針對AR/VR、AI或機(jī)器人發(fā)布一個什么軟件平臺的話，就很有可能完全禁止原生程序。

　　而Oracle，正在努力開發(fā)可以支持所有編程語言、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陣營中靠Emulation進(jìn)攻Intel的先鋒是高通，但最可怕的選手其實是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x86的。當(dāng)初NVidia的Tegra處理器曾被拿來做Windows 8 RT的二合一平板。如今Denver處理器跑Windows 10絕不會讓人意外，那么它會怎么跑呢?肯定是直接在底層硬件上做x86的Emulation，而不是在Emulate出來的ARM指令集上再做一層Eumulation。

　　Denver處理器前些年沒有跳出來搶Intel的飯碗，很大程度上是因為NVidia還在做Intel平臺的主板芯片組，另外NVidia還沒有那么強(qiáng)大。如今NVidia也不做芯片組生意了，還借AI的東風(fēng)，股價扶搖直上。說不定哪天，NVidia就會放出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。想想看，在單芯片上集成GPU和x86版的Denver，云計算廠商能不動心?

　　如果未來Emulation技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展并且被越來越多的廠商掌握，很可能會出現(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，只能Emulate某種開放的指令集，例如RISCV;但是用戶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用誰家的，是什么指令集，會越來越不重要。軟件的發(fā)展，會在用戶和底層的CPU之間加入足夠大的緩沖帶，CPU的差異，越來越難以被用戶察覺到。

　　展望：讓CPU不再難

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

　　就像10多年前一樣，只要搞定知識產(chǎn)權(quán)問題，選擇技術(shù)路線，找會干的人，投入干，CPU/芯片就能夠做出來。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Intel，跨不過微軟。如今，繞得過Arm，做不出安卓。

　　我也曾在北大參與過國產(chǎn)CPU的研發(fā)，生態(tài)之難體會頗深，真的，只是燒錢做芯片，無論燒多少都無法挑戰(zhàn)Intel和ARM，何況過去二十年真的沒燒多少。

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

　　Intel和ARM如此強(qiáng)大而且極少犯錯，我們?nèi)绱巳跣【退闼鼈兎稿e也無法利用——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：

　　請借助騰訊的強(qiáng)大生態(tài)，把CPU和OS這兩個老大難問題給OTT掉吧!

　　做法非常簡單，把Q+桌面再重新搞起來，做一款完全使用Javascript&Webassembly編程的操作系統(tǒng)，里面用騰訊文檔來替代Office，各種微信小程序都支持起來，適當(dāng)支持游戲(但要加入家長監(jiān)控系統(tǒng))。補(bǔ)貼芯片廠，讓它們使用ARM或RISC-V外加國產(chǎn)Imagination gpu做SoC，生產(chǎn)類似Surface這樣的二合一平板。底層CPU使用的ISA完全不可見，上層編程完全用H5。這樣，就幫祖國把CPU和OS這兩個陳年大洞都補(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真的面臨一個十倍速變革的機(jī)會，真的有靠模式創(chuàng)新而勝出的機(jī)會，為什么不試試呢?如果騰訊不去嘗試一下，誰還有資格呢?促進(jìn)祖國的微電子發(fā)展功德無量，相信這次不會有人說騰訊壟斷之類的閑話。