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架構開(kāi)發(fā)Windows 8 RT操作系統。在2012年年底，幾乎和Intel芯手機上市的同時(shí)，包括微軟自家的Surface RT在內的一大批二合一平板設備上市了。Windows 8 RT不支持所有之前為x86平臺開(kāi)發(fā)的應用程序，這成為它最大的軟肋，相關(guān)的產(chǎn)品慢慢銷(xiāo)聲匿跡了。ARM滲透桌面市場(chǎng)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，用Eumlation的機制來(lái)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量的處理器核，而亂序超標量是Intel實(shí)現高性能的關(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)器第一次大規模商用。但Marvell并未繼續推出新的服務(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(gè)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(chǎng)商SeaMicro，準備把它所采用的CPU核由Intel的Atom換成ARM架構的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(lái)也沒(méi)有認真賣(mài)過(guò)它。2015年AMD就放棄了SeaMicro這個(gè)子品牌，不再做高密度服務(wù)器了。

　　ARM進(jìn)攻服務(wù)器市場(chǎng)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(chǎng)對于單核單線(xiàn)程的運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A(yíng)RMv8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(chǎng)商不約而同地將自己原先芯片中的架構換成了ARMv8。因為產(chǎn)品的需要，Cavium和AppliedMicro都有自行設計處理器微架構的能力，前者做MIPS處理器，后者做PowerPC處理器。它們兩家做ARMv8處理器時(shí)，也都采用了只授權指令集，微架構自研的模式。Cavium共推出過(guò)兩代基于A(yíng)RM的產(chǎn)品(2014、2016年)，AppliedMicro推出過(guò)三代(2013、2015、2017年)。隨著(zhù)產(chǎn)品性能逐漸接近Intel的Xeon E5，它們漸漸不再滿(mǎn)足于原先的網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域，開(kāi)始覬覦服務(wù)器市場(chǎng)。

　　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很可能成為在國內大規模商用的第一款ARM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(shí)能在通用市場(chǎng)上鋪貨。

　　其他確定在研發(fā)ARM Server芯片的大廠(chǎng)還包括Broadcom和華為，進(jìn)度上要略慢一些。

　　ARM陣營(yíng)對服務(wù)器發(fā)起的第二波沖擊，陣容要強大得多豪華得多。因此ARM才敢于宣稱(chēng)，在2021年拿下25%的服務(wù)器市場(chǎng)份額。

　　要做好Server CPU，ARM架構還有些功課要一點(diǎn)一點(diǎn)補。多Socket服務(wù)器所需要的一致性協(xié)議，業(yè)界剛剛取得共識準備采用CCIX，但還沒(méi)有具體的產(chǎn)品出來(lái)。做云端虛擬機所必備的虛擬化支持，ARM還有些性能問(wèn)題。x86處理器提升Throughput的利器超線(xiàn)程技術(shù)，ARM陣營(yíng)尚不能支持。Intel芯片近年來(lái)陸續增加的安全特性，也夠ARM追趕一陣子的。但目前看來(lái)，ARM已經(jīng)沒(méi)有致命的短板，蠶食掉Intel的服務(wù)器市場(chǎng)份額是板上釘釘的事情，唯一的懸念是究竟多少份額?

　　未來(lái)ISA將不那么重要

　　從長(cháng)遠看，半導體廠(chǎng)商對建立于ISA之上的生態(tài)系統的掌控力會(huì )變弱，而ISA本身，會(huì )變得越來(lái)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(yè)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，有一個(gè)大家視若無(wú)睹的奇跡：最后居然只有Javascript一種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言屹立至今。要知道在服務(wù)器端和移動(dòng)App領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言多如過(guò)江之卿。其中原因我也分析不出。反正js的挑戰者(微軟的VBScript和谷歌的Dart)都失敗了。網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域面臨的主要問(wèn)題是瀏覽器差異大，API不太兼容。這個(gè)問(wèn)題慢慢在緩解中，一來(lái)瀏覽器戰爭大局已定，Android和PC上的Chrome，以及iPhone和Mac上的safari是勝者;二來(lái)很多網(wǎng)頁(yè)應用是跑在A(yíng)pp里面的，例如微信和支付寶里，這種場(chǎng)景下Javascript的API已經(jīng)被特定廠(chǎng)商規范過(guò)了。

　　由于開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和API的高度統一，H5(HTML5+Javascript)已經(jīng)成了兼容所有硬件的最通用的軟件開(kāi)發(fā)平臺。曾經(jīng)有人鼓吹H5會(huì )趕走移動(dòng)端和PC端的原生程序，后來(lái)被打臉了。但是移動(dòng)端和PC端的原生App中，越來(lái)越多的界面是用H5生成的了，微信、支付寶、京東、淘寶、愛(ài)奇藝、有道詞典……統統都是這樣。

　　Javascript吞噬一切的進(jìn)程還在持續。2007年，Stack Overflow的聯(lián)合創(chuàng )始人Jeff Atwood曾經(jīng)提出過(guò)一條Atwood定律：任何能夠用JavaScript實(shí)現的應用系統，最終都必將用JavaScript實(shí)現。十年過(guò)去了，此定律基本奏效。把Javascript的一個(gè)子集當作匯編語(yǔ)言的asm.js及其后續的WebAssembly，更加使得網(wǎng)頁(yè)應用有媲美原生應用的潛力，在瀏覽器里跑Unity3D的游戲都不是問(wèn)題。

　　獨立的應用程序仍然會(huì )是移動(dòng)和桌面端的主流，因為沒(méi)有獨立程序，不方便做彈窗廣告，不方便啟動(dòng)后臺進(jìn)程收集用戶(hù)信息，不方便引誘用戶(hù)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(shí)現了類(lèi)似GUI庫的Widget復用，如今在瀏覽器里實(shí)現Office和IDE的功能都毫無(wú)問(wèn)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，獨立應用程序僅僅會(huì )作為一個(gè)包裝而存在，開(kāi)發(fā)者寫(xiě)一套H5，加上不同的包裝，就成了PC、Mac、Android、iOS上的獨立應用程序，不加包裝，就是網(wǎng)站。微軟去年開(kāi)源的ReactXP，就是為了實(shí)現這一目標。

　　這意味著(zhù)什么?不但底層的CPU被OTT了，操作系統也被OTT了。因為移植一個(gè)應用程序到各個(gè)平臺上，幾乎沒(méi)有什么難度。誰(shuí)將是生態(tài)系統的掌控者?若干個(gè)超級App，像微信、QQ、支付寶這樣的。它們不但包裝自家的應用，其它開(kāi)發(fā)者也可以把自己的應用放在這個(gè)包裝里面，借重超級App的廣泛覆蓋度，抵達最終用戶(hù)。前文提到了，如果微信小程序獲得成功，騰訊必然會(huì )重拾Q+的野心，把QQ變成桌面上各種H5應用的App Store。

　　如果真的會(huì )這樣，微軟豈不是會(huì )比Intel還著(zhù)急?拜托，微軟已經(jīng)不是二十年前主要靠賣(mài)Windows和Office的光盤(pán)賺錢(qián)的那家公司了，未來(lái)它會(huì )專(zhuān)注于云計算。但Intel還和二十年前一樣在賣(mài)芯片。

　　第二是編譯技術(shù)尤其是虛擬機的發(fā)展。如今的編程語(yǔ)言太多了，80年代那種搞定C語(yǔ)言編譯器就OK的好日子早已過(guò)去。任何一個(gè)新CPU架構要想在移動(dòng)、桌面、服務(wù)器市場(chǎng)站穩腳跟，都得搞定無(wú)數的編譯器(包括虛擬機用的JIT編譯器)，這是個(gè)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(shuō)開(kāi)發(fā)者重寫(xiě)匯編代碼。

　　老一代程序員對x86處理器架構和匯編都非常熟悉。求伯君當年開(kāi)發(fā)WPS時(shí)，手寫(xiě)幾十萬(wàn)行匯編;雷軍讀本科時(shí)，是系里20多年來(lái)拿過(guò)《匯編語(yǔ)言程序設計》滿(mǎn)分成績(jì)的兩個(gè)學(xué)生之一;梁肇新開(kāi)發(fā)超級解霸時(shí)，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(gè)對現在的程序員而言，完全陌生的世界。在那個(gè)世界里，你開(kāi)發(fā)的PC應用程序想要移植到Mac平臺上，幾乎要完全重寫(xiě)。

　　如今高層次的編程語(yǔ)言接管了一切，匯編語(yǔ)言從很多學(xué)校的本科課程里消失了，入門(mén)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(chǎng)合，編譯器也在很大程度上代替了手寫(xiě)匯編。ARM的工程師告訴我說(shuō)，ARM在開(kāi)發(fā)開(kāi)源的Compute Library過(guò)程中，主要依靠在C源碼中加入標注來(lái)指導編譯器生成SIMD指令，而不是像梁肇新那樣手寫(xiě)。

　　在這種情況下，軟件平臺廠(chǎng)商就變得非常強勢，因為他們知道，應用開(kāi)發(fā)商只需付出重新編譯一遍的代價(jià)。比如蘋(píng)果，就要求所有的App都改為64位的。這樣，未來(lái)蘋(píng)果在手機CPU里放棄對32位應用的支持時(shí)，甚至都不會(huì )有人感覺(jué)得到。這對于x86生態(tài)系統而言，簡(jiǎn)直是天方夜譚，顯然微軟對此非常眼饞，并且嘗試在Windows 10 S中復制這種掌控力。

　　至于谷歌，Android把所有應用都跑在虛擬機上的嘗試雖然失敗了，但如果未來(lái)它再針對AR/VR、AI或機器人發(fā)布一個(gè)什么軟件平臺的話(huà)，就很有可能完全禁止原生程序。

　　而Oracle，正在努力開(kāi)發(fā)可以支持所有編程語(yǔ)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(yíng)中靠Emulation進(jìn)攻Intel的先鋒是高通，但最可怕的選手其實(shí)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。當初NVidia的Tegra處理器曾被拿來(lái)做Windows 8 RT的二合一平板。如今Denver處理器跑Windows 10絕不會(huì )讓人意外，那么它會(huì )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(lái)的ARM指令集上再做一層Eumulation。

　　Denver處理器前些年沒(méi)有跳出來(lái)?yè)孖ntel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(méi)有那么強大。如今NVidia也不做芯片組生意了，還借AI的東風(fēng)，股價(jià)扶搖直上。說(shuō)不定哪天，NVidia就會(huì )放出Denver處理器的x86 Emulator，做到單線(xiàn)程性能不輸Xeon，強攻服務(wù)器市場(chǎng)。想想看，在單芯片上集成GPU和x86版的Denver，云計算廠(chǎng)商能不動(dòng)心?

　　如果未來(lái)Emulation技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展并且被越來(lái)越多的廠(chǎng)商掌握，很可能會(huì )出現這種情況：CPU本身是某種外界不了解的指令集，官方發(fā)布時(shí)，只能Emulate某種開(kāi)放的指令集，例如RISCV;但是用戶(hù)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(shí)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(shuí)家的，是什么指令集，會(huì )越來(lái)越不重要。軟件的發(fā)展，會(huì )在用戶(hù)和底層的CPU之間加入足夠大的緩沖帶，CPU的差異，越來(lái)越難以被用戶(hù)察覺(jué)到。

　　展望：讓CPU不再難

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

　　就像10多年前一樣，只要搞定知識產(chǎn)權問(wèn)題，選擇技術(shù)路線(xiàn)，找會(huì )干的人，投入干，CPU/芯片就能夠做出來(lái)。搞不定的依然是操作系統。差距大的依然是生態(tài)。

　　當年，繞得過(guò)Intel，跨不過(guò)微軟。如今，繞得過(guò)Arm，做不出安卓。

　　我也曾在北大參與過(guò)國產(chǎn)CPU的研發(fā)，生態(tài)之難體會(huì )頗深，真的，只是燒錢(qián)做芯片，無(wú)論燒多少都無(wú)法挑戰Intel和ARM，何況過(guò)去二十年真的沒(méi)燒多少。

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

　　Intel和ARM如此強大而且極少犯錯，我們如此弱小就算它們犯錯也無(wú)法利用——但我們可以欺負它們的“老”。

　　在此借新智元的寶地，向小馬哥呼吁一聲：

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

　　做法非常簡(jiǎn)單，把Q+桌面再重新搞起來(lái)，做一款完全使用Javascript&Webassembly編程的操作系統，里面用騰訊文檔來(lái)替代Office，各種微信小程序都支持起來(lái)，適當支持游戲(但要加入家長(cháng)監控系統)。補貼芯片廠(chǎng)，讓它們使用ARM或RISC-V外加國產(chǎn)Imagination gpu做SoC，生產(chǎn)類(lèi)似Surface這樣的二合一平板。底層CPU使用的ISA完全不可見(jiàn)，上層編程完全用H5。這樣，就幫祖國把CPU和OS這兩個(gè)陳年大洞都補上了。

　　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(gè)十倍速變革的機會(huì )，真的有靠模式創(chuàng )新而勝出的機會(huì )，為什么不試試呢?如果騰訊不去嘗試一下，誰(shuí)還有資格呢?促進(jìn)祖國的微電子發(fā)展功德無(wú)量，相信這次不會(huì )有人說(shuō)騰訊壟斷之類(lèi)的閑話(huà)。