CPU大变局真相:二哥逆袭 苹果搅局

2022-01-3022:25:33来源: 雷峰网 评论 3,595

CPU大变局真相:二哥逆袭 苹果搅局

过去20年间的绝大部分时间,PC CPU市场一直被x86架构主导,英特尔长期占据着这个市场一半以上的份额。Arm则几乎成了移动CPU的代名词,高通、联发科都是移动处理器市场的佼佼者。

不知是巧合还是必然,2020年和2021年的第三季度,移动CPU和桌面CPU市场常年的老二相继迎来了高光时刻。

市场研究机构Counterpoint报告指出,2020年Q3联发科首次以31%的市场份额超越高通,成为全球最大的智能手机处理器供应商。Mercury Research发布的2021年第三季度市场调查报告显示,AMD在全球x86 处理器市场的份额达到了24.6%,是2006年创历史记录25.3%后的市场份额第二高。

市场份额变化背后,一定程度上表明了CPU性能到达天花板,给多年的市场老二AMD赶超的好时机。但是,性能飞跃的苹果M1 CPU横空出世,又刺激英特尔推出更有竞争力的12代酷睿CPU。

x86、Arm、RISC-V在嵌入式、桌面、高性能CPU市场的混战已经开启,技术挑战、产品策略、大国竞争的因素叠加下,CPU市场格局又会发生怎样的变化?

英特尔小步慢走,AMD借势飞奔

AMD近年来CPU市场的成功,得益于其Zen架构的成功,也借助了台积电先进制程。英特尔恰好相反,先是没有提升CPU的动力,后又被自己打乱了产品节奏。

2016年时,AMD推出了Zen架构。“AMD推出Zen架构之前,CPU的性能只有英特尔同级别产品的1/3-1/2的水平。”一位CPU行业的资深专家对雷峰网表示,“我认为通用CPU性能已经接近天花板,英特尔在天花板待了很多年,每年CPU的性能只有个位数提升。”

这在业内是一个很普遍的观点,这一论断的基础是虽然半导体工艺在持续演进,但7nm之后,先进制程带来的收益在递减,也就是单位面积晶体管密度增长不断放缓,对整体芯片性能的影响越来越小。英特尔、高通“牙膏厂”的称号似乎也与这种观点相互印证。

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业内同时也同时又相反的观点认为,CPU的性能并没有达到天花板。

芯谋研究总监宋长庚指出,“不是CPU的性能达到天花板,而是CPU的性能早已超过应用的需求,英特尔没有提升的动力。”Omdia半导体首席分析师何晖也说,“很难说通用CPU的性能到了天花板,硬件性能的冗余已经存在很多年,关键的是要找到能够发挥这些性能的功能。”

飞腾副总经理郭御风指出,虽然CPU的频率在2000年之后提升就明显放缓,但IPC(每个时钟周期中CPU执行的指令数)的提升基本保持线性增长,从这个角度看,CPU的性能并没有达到天花板。

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“英特尔之所以被业内称为牙膏厂,我认为关键的原因是其Tick-Tock(一代产品更新制程,一代产品更新架构)的节奏被打乱。成也萧何败也萧何,作为IDM,英特尔自有工艺对其发展起到了至关重要的作用,而如今英特尔先进工艺的反复延期大大影响其通过工艺提升带来的性能的提升,另一方面工艺的持续延期对其架构升级也会带来影响。制程和架构升级的节奏被打乱最后造成了比较大的影响。”郭御风认为。

英特尔的Tick-Tock恰好代表了CPU升级的两个关键维度——工艺和架构。

过去的20年间,摩尔定律持续有效,芯片性能的提升甚至可以只依靠晶体管的小型化,通过设计更多内核,依靠先进带来的更多“免费”核心来提升CPU性能。英特尔凭借着制程的领先性,以及IDM的模式,在芯片市场独占鳌头。但在AMD推出Zen架构的2016年,英特尔的10nm未能如期量产,并且延期了三年,产品节奏一步步被打乱。

英特尔犯错,送给了AMD巨大的机会。借着台积电先进的工艺制程,配合Zen架构,AMD的CPU性能在几年间迅速赶上进步缓慢的英特尔,甚至实现了超越。

“AMD近几年之所以表现如此强劲,Jim Keller 2012年领导开发的Zen架构奠定了很好的基础,再加上采用小芯片技术以及台积电最先进的工艺。”一位前AMD高管表示。

Zen架构的持续迭代非常关键。CPU的架构可以分为两个层次,一个是宏观的结构,比如常说的冯诺依曼架构。“宏体系结构这些年并没有太大改变,除非发生翻天覆地的变化,否则对CPU性能的影响不大,最终影响CPU性能的其实是微架构。”郭御风指出,“直观看,CPU中的运算单元数量和能力直接影响了CPU的性能,但实际并没有这么简单,有了运算单元之后,如何把运算单元的能力发挥出来,这就考验微架构的设计。”

AMD已经证明,以先进的工艺制程为基础,结合优秀的微架构设计,可以带来显著的性能提升。同样用这种方式让人眼前一亮的,还有苹果。

苹果搅局,刺激CPU性能跃升

当AMD通过性能的快速提升给英特尔带来压力之时,2020年11月横空出世的苹果M1处理器,其强大的性能和低功耗表现,成为了x86阵营英特尔和AMD共同的竞争对手,也让外界质疑同样采用Arm架构设计PC CPU的高通。

苹果M1的发布,让更多人意识到Arm也能设计出高性能芯片。实际上,学术界早有定论,指令集对性能和功耗没有直接影响。龙芯总裁胡伟武此前也对雷峰网(公众号:雷峰网)表示:“其实指令系统更多关系到的是软件生态,比如X86支撑Windows生态、ARM支撑Android生态。”

之所以会有x86 CPU性能更高,Arm CPU功耗更有优势的认知,主要还是两者此前目标的不同。郭御风说:“x86把资源都用去提升性能,芯片性能高,功耗也高,但英特尔也有低功耗的芯片Atom。Arm原来的目标是做低功耗处理器,现在也有许多高性能的Arm服务器CPU,性能高了,功耗也相应的提升。”

也就是说,苹果用Arm架构设计出性能比英特尔高端CPU更好的产品,指令集并非挑战,核心在于设计目标。其中直接影响性能的微架构设计,是一个精细的工作,要是在一定边界内做取舍,包括缓存的策略、替换算法、分支策略等等,苹果积累了多年的芯片设计经验,通过精细化调整优化CPU有明显优势。

除此之外,苹果更大的优势在于系统级优化,系统级优化能够带来几倍,甚至数量级的性能提升,这能比架构优化和工艺提升带来更显著的性能提升。

“系统级优化一直都是提升CPU性能的重要方式,但这种方式最大的难点在于生态化能力。”郭御风说,“要实现系统级优化,就需要整个软硬件生态协同,从编译器到BISO,再到操作系统和应用层,才能实现很好的系统级优化。苹果能把处理器优化的那么好,其闭环生态也是一个重要的因素。”

在苹果的搅局下,英特尔在2021年发布的12代酷睿处理器的性能也实现了飞跃,不仅绝大部分性能都超越AMD,对比苹果M1也有优势。资深CPU专家分析,这与英特尔新任CEO Pat Gelsinger有很大关系,在他上任很短的时间内,英特尔的技术和架构不可能发生质变,他应该是重新找到了英特尔技术的节奏,能够迅速推出性能飞跃的产品。

接下来的后摩尔定律时代,架构和系统级优化成为了竞争的关键。2017 年图灵奖的两位得主 John L. Hennessy 和 David A. Patterson在2019年发表了一篇长篇报告《A New Golden Age for Computer Architecture》,他们展望未来十年将是计算机体系架构领域的“新的黄金十年”。

从AMD CPU性能迅速接近英特尔,以及苹果M1处理器的推出,已经可以看到优秀的CPU微架构,以及微架构的精细优化能够带来的性能飞跃。

架构创新也是重要的方向。前产业分析师吕芃浩指出,CPU的性能提升遇到了技术瓶颈,这是因为冯诺依曼架构的存算体系。CPU的计算性能每年可以提升一倍,但存储器的的性能提升很慢。业界在研究存算一体,这种架构能够更好的发挥出CPU的性能,但这种架构何时能够商用还不清晰。

还可以看到,Chiplet(译作小芯片或芯粒)也是芯片行业一个发展趋势,通过将不同功能的芯片,借助先进封装异构集成,实现性能的持续提升。

CPU行业大混战时代 

苹果搅动的PC CPU市场竞争格局在发生变化,移动CPU市场,苹果独领风骚,留下高通和联发科相互竞争。不止于此,Arm架构的高性能处理器也开始与x86抢夺服务器CPU市场。还有,开源RSC-V的兴起,又给CPU市场的竞争带来了更多的不确定性。

与x86阵营双雄的你追我赶情况不同,Arm移动CPU市场的高通的联发科最新的旗舰产品难分伯仲。联发科称其最新旗舰产品天玑9000的多核CPU性能比骁龙8高20%。前产业分析师姚嘉洋认为,“都是采用最先进的4nm工艺的前提下,性能的差距主要是因为联发科设定了更高的主频性能。联发科选择的台积电的工艺也带来了一定的优势。”

高通和联发科在手机旗舰处理器市场竞争的结果还不得而知。但Arm分食x86服务器CPU市场的蛋糕已经开始。当x86通用CPU不能满足科技巨头们的需求时,包括亚马逊、阿里在内的科技巨头们都利用Arm架构开始设计定制CPU,满足自身的业务需求。而飞腾、Ampere等公司也利用Arm架构设计高性能CPU,共同争夺x86 CPU市场份额。

Arm与x86的竞争日益激烈之时,RISC-V也开始加入到了x86和Arm的竞争中,并且这个阵营的公司们都雄心勃勃。RISC-V CPU已经在对生态要求不高的嵌入式市场取得成功,接下来,RISC-V CPU还将进军更高性能的移动和服务器CPU市场。

现在看来,RISC-V要在移动CPU和高性能CPU市场和Arm、x86竞争还有很长的路要走。“Arm在十年前推出Arm v8架构就开始将目标瞄向高性能处理器市场,经过十多年的发展,才有高性能CPU能进入服务器市场。Arm在移动市场也有生态护城河,RISC-V要在强生态领域实现突破很难,还有很长的路要走,但在物联网、加速器等短生态领域还是很有机会。”郭御风说。

有意思的是,众多Arm阵营的公司,比如代表者苹果、高通和联发科,都加入了RISC-V基金会,并且在开发RISC-V产品,这让Arm和RISC-V之间的竞争变得让人更加期待。

在CPU市场的大混战中,还有一个重要的变量。多位CPU业内人士都对雷峰网表示,随着国际形势的变化,发展芯片行业已经成为了国家战略,这让包括CPU在内的芯片行业的竞争已经不再是单纯的商业竞争。

“我们作为后来者,虽然目前的产品和国际大厂直接竞争还有一定的差距,但已经能满足大多数应用领域需求了。随着经验的积累,我们将有更大的进步空间。”郭御风说,“在以前巨头一统天下的格局下,后进者很难实现突破,现在全球格局的变化让我们有机会在新兴市场竞争和实现突破。”

宋长庚认为,“如果国产CPU能够达到可用的程度,借着国产芯片自主,有机会发展起来,然后再拓展政府之外的市场,才能与巨头竞争。”

技术会遇到瓶颈,市场的竞争会因为大国之间的竞争而变化,诸多的不确定因素,最终会让CPU市场呈现什么格局?

weinxin
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