關(guān)于CPU的討論往往圍繞一種指令集架構(gòu)與另一種的對(duì)比——x86與Arm、Arm與RISC-V等等。然而，在單一系統(tǒng)中使用多種CPU架構(gòu)已成為常見做法，無論是單一片上系統(tǒng)(SoC)還是更大的電子平臺(tái)，如PC、汽車甚至數(shù)據(jù)中心。縱觀電子產(chǎn)業(yè)歷史，從未存在過單一CPU架構(gòu)選項(xiàng)，因?yàn)闆]有兩種處理工作負(fù)載是完全相同的。

每種架構(gòu)在軟件支持、復(fù)雜性、靈活性、功耗和成本方面都有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。因此，利用多種CPU架構(gòu)來處理不同工作負(fù)載或功能已成為通行做法，就如同使用不同加速器——數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、圖形處理單元(GPU)、神經(jīng)處理單元(NPU)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)來執(zhí)行特定功能一樣。而且CPU或加速器的選擇會(huì)隨著行業(yè)趨勢(shì)而變化，沒有哪個(gè)趨勢(shì)比人工智能(AI)更具顛覆性。

AI正在改變行業(yè)對(duì)計(jì)算的構(gòu)想。它要求性能功耗比呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，從最大的云服務(wù)器到最小的嵌入式設(shè)備都是如此。這推動(dòng)了規(guī)模、效率、靈活性和對(duì)不斷變化的開源優(yōu)先軟件生態(tài)系統(tǒng)支持方面的新動(dòng)態(tài)。因此，從硅片到服務(wù)提供商的整個(gè)行業(yè)都在尋找獨(dú)特解決方案，這些方案往往包含不同的架構(gòu)。

計(jì)算的演進(jìn)

在計(jì)算的早期年代，x86是首選架構(gòu)，由英特爾開發(fā)，AMD和英特爾共同推進(jìn)。兩家公司最終在2024年開始合作開發(fā)未來的ISA增強(qiáng)功能，以確保前向兼容性和軟件支持。雖然x86仍然是PC和通用服務(wù)器的主導(dǎo)架構(gòu)，但它現(xiàn)在與日益增長(zhǎng)的RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))架構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)共存，通常在同一系統(tǒng)或SoC內(nèi)。許多x86 SoC集成了用于安全、AI和電源管理的輔助RISC核心。x86架構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是大多數(shù)PC和服務(wù)器應(yīng)用程序都是為它設(shè)計(jì)的，提供了軟件兼容性的傳承。x86架構(gòu)也用于許多嵌入式應(yīng)用，但規(guī)模遠(yuǎn)小于其他更節(jié)能的架構(gòu)。

就應(yīng)用和數(shù)量而言，領(lǐng)先的處理架構(gòu)是Arm。Arm是移動(dòng)設(shè)備、消費(fèi)應(yīng)用/物聯(lián)網(wǎng)、汽車以及幾乎所有其他領(lǐng)域的主要架構(gòu)。雖然Arm架構(gòu)最初因其小尺寸和性能效率而具有吸引力，但它現(xiàn)在擁有最大的硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)。

Arm最初取代了早期的嵌入式CPU架構(gòu)，如MIPS和摩托羅拉的68k和88k CPU。在1990年代和2000年代初，Arm成為嵌入式處理的領(lǐng)先RISC架構(gòu)，應(yīng)用范圍從無線控制器到從定制專用集成電路(ASIC)到x86處理器中所有設(shè)備的特定處理功能單元。到2000年代末，Arm取代了數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中使用的許多其他架構(gòu)，如SPARC和PowerPC，包括網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)。在過去十年中，Arm解決了許多軟件兼容性挑戰(zhàn)，使其成為PC和服務(wù)器中x86的可信替代方案。

Arm架構(gòu)現(xiàn)在為所有蘋果PC、越來越多的Windows PC、來自Ampere、富士通、華為、英偉達(dá)的許多服務(wù)器處理器以及超大規(guī)模服務(wù)提供商開發(fā)的所有定制處理器提供動(dòng)力，包括阿里巴巴、亞馬遜、谷歌、Meta、微軟和騰訊。相比之下，2024年出貨了2.5億到3億顆x86處理器(其中一些帶有嵌入式RISC核心)，而估計(jì)出貨了290億顆Arm處理器，在云和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的份額不斷增加。

第三種處理器架構(gòu)是RISC-V，這是一個(gè)任何人都可以使用和修改的開源ISA。雖然RISC-V正在從微控制器(MCU)到AI加速器的各個(gè)領(lǐng)域得到探索，但2024年出貨的大約10億顆核心中大多數(shù)是深度嵌入式實(shí)現(xiàn)。RISC-V核心在最大的x86和Arm處理器供應(yīng)商英特爾和高通的處理器中用于特定的MCU類功能。然而，它也與其他CPU和DSP架構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)，如新思科技的Arc、Cadence的Tensilica和MIPS。雖然對(duì)RISC-V架構(gòu)有巨大興趣，但軟件工具和支持仍落后于Arm和x86。RISC-V非常像早期的Arm，當(dāng)時(shí)它與MIPS和摩托羅拉競(jìng)爭(zhēng)，它仍在構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)和原生軟件支持的過程中。然而，RISC-V的開放許可允許在ISA級(jí)別進(jìn)行完全定制，使其對(duì)定制嵌入式功能具有吸引力。

其他架構(gòu)繼續(xù)存在，盡管應(yīng)用更加有限。Power是PowerPC架構(gòu)在高性能大型機(jī)方面的演進(jìn)，仍在IBM的開發(fā)和使用中。Sun Microsystems開發(fā)的SPARC架構(gòu)仍用于一些服務(wù)器和航天應(yīng)用。MIPS仍用于一些MCU應(yīng)用。即使在這些細(xì)分領(lǐng)域，看到結(jié)合多種架構(gòu)的異構(gòu)系統(tǒng)也越來越常見。

向多架構(gòu)轉(zhuǎn)變

利用多種CPU架構(gòu)的單一解決方案的最新例子之一是Synaptics的L2600系列邊緣AI SoC。雖然Arm是整個(gè)SoC中使用的主要架構(gòu)，但它也包括谷歌開發(fā)的基于RISC-V的Coral NPU用于AI處理。據(jù)Synaptics稱，雙架構(gòu)策略的原因是Linux就在Arm上運(yùn)行，而RISC-V提供了一個(gè)開源解決方案，可能克服當(dāng)今邊緣設(shè)備SoC中使用的不同NPU之間的分化。

每家公司和架構(gòu)都在快速發(fā)展以滿足AI時(shí)代的需求。RISC-V硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展。AMD和英特爾已開始為各種性能級(jí)別開發(fā)不同的x86 CPU核心，為服務(wù)器提供更多SoC配置，并為大客戶提供某種程度的定制。

Arm在其廣泛的CPU核心、GPU核心和系統(tǒng)IP組合中增加了完整的預(yù)驗(yàn)證計(jì)算子系統(tǒng)(CSS)，并通過Arm Total Design構(gòu)建行業(yè)級(jí)芯片生態(tài)系統(tǒng)，以支持更廣泛的芯片采用和創(chuàng)建更多異構(gòu)計(jì)算解決方案。此外，Arm生態(tài)系統(tǒng)中的許多行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者繼續(xù)通過定制Arm兼容CPU設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，這些設(shè)計(jì)滿足特定應(yīng)用對(duì)最高性能效率水平的需求。即使由此產(chǎn)生的SoC通常也使用定制和標(biāo)準(zhǔn)Arm CPU核心的混合。

未來是異構(gòu)的

隨著半導(dǎo)體行業(yè)努力滿足AI的性能效率需求并過渡到基于芯片的未來處理器和SoC，在同一芯片設(shè)計(jì)中使用多種CPU架構(gòu)可能會(huì)變得更加普遍。雖然芯片目前主要用于高端計(jì)算機(jī)應(yīng)用，但它們最終將擴(kuò)展到嵌入式應(yīng)用。在AI和芯片時(shí)代，問題不再是哪種CPU架構(gòu)會(huì)獲勝，而是它們將如何協(xié)同工作。

Q&A

Q1：為什么現(xiàn)代系統(tǒng)需要使用多種CPU架構(gòu)？

A：因?yàn)闆]有兩種處理工作負(fù)載是完全相同的，每種架構(gòu)在軟件支持、復(fù)雜性、靈活性、功耗和成本方面都有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。因此利用多種CPU架構(gòu)來處理不同工作負(fù)載或功能已成為通行做法，就如同使用不同加速器來執(zhí)行特定功能一樣。

Q2：目前主流的CPU架構(gòu)有哪些？各有什么特點(diǎn)？

A：主要有三種：x86架構(gòu)主要用于PC和通用服務(wù)器，擁有強(qiáng)大的軟件兼容性；Arm架構(gòu)是移動(dòng)設(shè)備、消費(fèi)應(yīng)用、汽車等領(lǐng)域的主導(dǎo)，擁有最大的硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)；RISC-V是開源架構(gòu)，允許完全定制，主要用于嵌入式應(yīng)用。

Q3：AI時(shí)代對(duì)CPU架構(gòu)發(fā)展有什么影響？

A：AI正在改變行業(yè)對(duì)計(jì)算的構(gòu)想，要求性能功耗比呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這推動(dòng)了新的技術(shù)動(dòng)態(tài)，整個(gè)行業(yè)都在尋找包含不同架構(gòu)的獨(dú)特解決方案。在AI和芯片時(shí)代，問題不再是哪種CPU架構(gòu)會(huì)獲勝，而是它們將如何協(xié)同工作。