過(guò)去 20 年間的絕大部分時(shí)間，PC CPU 市場(chǎng)一直被 x86 架構(gòu)主導(dǎo)，英特爾長(zhǎng)期占據(jù)著這個(gè)市場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)常年的老二相繼迎來(lái)了高光時(shí)刻。

市場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)調(diào)查報(bào)告顯示，AMD 在全球 x86 處理器市場(chǎng)的份額達(dá)到了 24.6%，是 2006 年創(chuàng)歷史記錄 25.3% 后的市場(chǎng)份額第二高。

市場(chǎng)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(chǎng)老二 AMD 趕超的好時(shí)機(jī)。但是，性能飛躍的蘋(píng)果 M1 CPU 橫空出世，又刺激英特爾推出更有競(jìng)爭(zhēng)力的 12 代酷睿 CPU。

x86、Arm、RISC-V 在嵌入式、桌面、高性能 CPU 市場(chǎng)的混戰(zhàn)已經(jīng)開(kāi)啟，技術(shù)挑戰(zhàn)、產(chǎn)品策略、大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的因素疊加下，CPU 市場(chǎng)格局又會(huì)發(fā)生怎樣的變化？

英特爾小步慢走，AMD 借勢(shì)飛奔

AMD 近年來(lái) CPU 市場(chǎng)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(méi)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。”一位 CPU 行業(yè)的資深專家對(duì)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?！?/p>

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(lái)的收益在遞減，也就是單位面積晶體管密度增長(zhǎng)不斷放緩，對(duì)整體芯片性能的影響越來(lái)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)也有相反的觀點(diǎn)認(rèn)為，CPU 的性能并沒(méi)有達(dá)到天花板。

芯謀研究總監(jiān)宋長(zhǎng)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(guò)應(yīng)用的需求，英特爾沒(méi)有提升的動(dòng)力?！監(jiān)mdia 半導(dǎo)體首席分析師何暉也說(shuō)，“很難說(shuō)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?！?/p>

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 IPC（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(zhǎng)，從這個(gè)角度看，CPU 的性能并沒(méi)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(duì)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(guò)工藝提升帶來(lái)的性能的提升，另一方面工藝的持續(xù)延期對(duì)其架構(gòu)升級(jí)也會(huì)帶來(lái)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(guò)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(guò)設(shè)計(jì)更多內(nèi)核，依靠先進(jìn)帶來(lái)的更多“免費(fèi)”核心來(lái)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(chǎng)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(kāi)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?AMD 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(shuō)的馮諾依曼架構(gòu)?！昂牦w系結(jié)構(gòu)這些年并沒(méi)有太大改變，除非發(fā)生翻天覆地的變化，否則對(duì) CPU 性能的影響不大，最終影響 CPU 性能的其實(shí)是微架構(gòu)?！惫L(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(méi)有這么簡(jiǎn)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(lái)，這就考驗(yàn)微架構(gòu)的設(shè)計(jì)。”

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(lái)顯著的性能提升。同樣用這種方式讓人眼前一亮的，還有蘋(píng)果。

蘋(píng)果攪局，刺激 CPU 性能躍升

當(dāng) AMD 通過(guò)性能的快速提升給英特爾帶來(lái)壓力之時(shí)，2020 年 11 月橫空出世的蘋(píng)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(yíng)英特爾和 AMD 共同的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(píng)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(duì)性能和功耗沒(méi)有直接影響。龍芯總裁胡偉武此前也對(duì)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)。”

之所以會(huì)有 x86 CPU 性能更高，Arm CPU 功耗更有優(yōu)勢(shì)的認(rèn)知，主要還是兩者此前目標(biāo)的不同。郭御風(fēng)說(shuō)：“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(lái)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(shuō)，蘋(píng)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(píng)果積累了多年的芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)精細(xì)化調(diào)整優(yōu)化 CPU 有明顯優(yōu)勢(shì)。

除此之外，蘋(píng)果更大的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化能夠帶來(lái)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(lái)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?！惫L(fēng)說(shuō)，“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(píng)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。”

在蘋(píng)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(duì)比蘋(píng)果 M1 也有優(yōu)勢(shì)。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(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)篇報(bào)告《A New Golden Age for Computer Architecture》，他們展望未來(lái)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(píng)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(lái)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(shì)，通過(guò)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(píng)果攪動(dòng)的 PC CPU 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局在發(fā)生變化，移動(dòng) CPU 市場(chǎng)，蘋(píng)果獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，留下高通和聯(lián)發(fā)科相互競(jìng)爭(zhēng)。不止于此，Arm 架構(gòu)的高性能處理器也開(kāi)始與 x86 搶奪服務(wù)器 CPU 市場(chǎng)。還有，開(kāi)源 RISC-V 的興起，又給 CPU 市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)了更多的不確定性。

與 x86 陣營(yíng)雙雄的你追我趕情況不同，Arm 移動(dòng) CPU 市場(chǎng)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(lái)了一定的優(yōu)勢(shì)。”

高通和聯(lián)發(fā)科在手機(jī)旗艦處理器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果還不得而知。但 Arm 分食 x86 服務(wù)器 CPU 市場(chǎng)的蛋糕已經(jīng)開(kāi)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(kāi)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(zhēng)奪 x86 CPU 市場(chǎng)份額。

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

現(xiàn)在看來(lái)，RISC-V 要在移動(dòng) CPU 和高性能 CPU 市場(chǎng)和 Arm、x86 競(jìng)爭(zhēng)還有很長(zhǎng)的路要走?！癆rm 在十年前推出 Arm v8 架構(gòu)就開(kāi)始將目標(biāo)瞄向高性能處理器市場(chǎng)，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，才有高性能 CPU 能進(jìn)入服務(wù)器市場(chǎng)。Arm 在移動(dòng)市場(chǎng)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(zhǎng)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(shuō)。

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

在 CPU 市場(chǎng)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(duì)雷峰網(wǎng)表示，隨著國(guó)際形勢(shì)的變化，發(fā)展芯片行業(yè)已經(jīng)成為了國(guó)家戰(zhàn)略，這讓包括 CPU 在內(nèi)的芯片行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)不再是單純的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。

“我們作為后來(lái)者，雖然目前的產(chǎn)品和國(guó)際大廠直接競(jìng)爭(zhēng)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?！惫L(fēng)說(shuō)，“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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和實(shí)現(xiàn)突破?！?/p>

宋長(zhǎng)庚認(rèn)為，“如果國(guó)產(chǎn) CPU 能夠達(dá)到可用的程度，借著國(guó)產(chǎn)芯片自主，有機(jī)會(huì)發(fā)展起來(lái)，然后再拓展政府之外的市場(chǎng)，才能與巨頭競(jìng)爭(zhēng)。”

技術(shù)會(huì)遇到瓶頸，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)因?yàn)榇髧?guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)而變化，諸多的不確定因素，最終會(huì)讓 CPU 市場(chǎng)呈現(xiàn)什么格局？

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