ISA 竞争落幕，CPU 开启多元架构新时代

在半导体行业的发展进程中，CPU 领域一直是备受瞩目的焦点。今日，我们聚焦于 CPU 架构的发展现状与未来趋势，探讨在人工智能浪潮下，CPU 如何从传统架构竞争走向多架构协同的新时代。

一直以来，关于CPU的讨论常常将一种指令集架构（ISA）与另一种架构进行比较——例如x86与Arm、Arm与RISC-V等等。然而，在单个系统中采用多种CPU架构是很常见的，无论是单个系统级芯片（SoC），还是像PC、汽车甚至数据中心这样的大型电子平台。纵观电子工业的历史，从来没有单一的CPU架构选择，因为没有两个处理工作负载是完全相同的。

每种 CPU 架构在软件支持、复杂性、灵活性、功耗和成本等方面都有独特的优缺点。因此，利用多种 CPU 架构处理不同工作负载或功能已成为行业常态，这与使用不同的加速器（如数字信号处理器 (DSP)、图形处理器 (GPU)、神经处理器 (NPU) 和现场可编程门阵列 (FPGA)）处理特定功能的思路一致。而且，CPU 或加速器的选择会随着行业趋势不断变化，而人工智能 (AI) 的出现无疑带来了颠覆性的变革。

人工智能正在重塑业界对计算的设想，它要求从最大的云服务器到最小的嵌入式设备，每瓦性能都实现指数级增长。这推动了规模、效率、灵活性以及对不断变化的、以开源为先的软件生态系统支持方面的新动态。从芯片制造商到服务提供商，整个行业都在寻求独特的解决方案，而这些方案往往包含不同的架构。

在计算机发展早期，x86 架构是首选，由英特尔开发，并由 AMD 和英特尔共同推进。2024 年，两家公司开始合作开发未来的指令集架构（ISA）增强功能，以确保向前兼容性和软件支持。尽管 x86 仍然是 PC 和通用服务器的主流架构，但如今它与日益壮大的 RISC（精简指令集计算机）架构生态系统共存，且常出现在同一系统或 SoC 中。许多 x86 SoC 集成了用于安全、人工智能和电源管理的辅助 RISC 内核。x86 架构的关键优势在于大多数 PC 和服务器应用程序都是为其设计的，具备良好的软件兼容性，但在嵌入式应用领域，其规模远小于其他更节能的架构。

无论从应用领域还是市场规模来看，Arm 都是领先的处理器架构。Arm 是移动设备、消费类应用/物联网、汽车以及几乎所有其他领域的主要架构。Arm 架构最初因其体积小、性能高效而备受青睐，如今更拥有规模庞大的硬件和软件生态系统。

Arm 最初取代了早期的嵌入式 CPU 架构，例如 MIPS 和摩托罗拉的 68k 和 88k CPU。在 20 世纪 90 年代和 21 世纪初，Arm 成为嵌入式处理领域领先的 RISC 架构，其应用范围涵盖无线控制器到各种特定处理功能单元，包括定制专用集成电路 (ASIC) 和 x86 处理器。到了 21 世纪末，Arm 又取代了许多其他架构，例如 SPARC 和 PowerPC，这些架构广泛应用于数据中心，例如网络和存储。在过去的十年中，Arm 解决了许多软件兼容性难题，使其成为 PC 和服务器领域可靠的 x86 替代方案。

Arm架构目前驱动着所有苹果PC、越来越多的Windows PC、来自Ampere、富士通、华为、英伟达等厂商的众多服务器处理器，以及包括阿里巴巴、亚马逊、谷歌、Meta、微软和腾讯在内的所有超大规模服务提供商开发的定制处理器。相比之下，2024年x86处理器的出货量在2.5亿至3亿颗之间（其中一些带有嵌入式RISC内核），而Arm处理器的出货量预计将达到290亿颗，并在云计算和数据中心应用中占据越来越大的份额。

第三种处理器架构是 RISC-V，这是一种开源指令集架构 (ISA)，任何人都可以使用和修改。虽然 RISC-V 的应用范围涵盖从微控制器 (MCU) 到 AI 加速器等各个领域，但预计 2024 年出货的约 10 亿个内核中，大部分是深度嵌入式应用。RISC-V 内核被用于英特尔和高通这两家最大的 x86 和 Arm 处理器厂商的处理器中，用于执行特定的类 MCU 功能。然而，它也与其他 CPU 和 DSP 架构展开竞争，例如 Synopsys 的 Arc、Cadence 的 Tensilica 和 MIPS。尽管人们对 RISC-V 架构表现出极大的兴趣，但其软件工具和支持仍然落后于 Arm 和 x86。RISC-V 很像 Arm 早期与 MIPS 和摩托罗拉竞争时的状态，目前仍在构建生态系统和原生软件支持。不过，RISC-V 的开放许可允许在 ISA 级别进行完全定制，这使其在定制嵌入式功能方面极具吸引力。

此外，其他架构依然存在，只是应用范围有所缩小。Power 架构是 PowerPC 架构的演进版本，专为高性能大型机设计，仍在开发中并被 IBM 继续使用。SPARC 架构由 Sun Microsystems 开发，仍用于一些服务器和航天应用。MIPS 架构也用于一些微控制器 (MCU) 应用。在这些细分领域，采用多种架构的异构系统也越来越常见。

为满足人工智能时代的需求，各公司和架构都在快速发展。RISC - V 硬件和软件生态系统持续壮大，AMD 和 Intel 开始开发不同性能级别的 x86 CPU 内核，为服务器提供更多 SoC 配置，并为大型客户提供一定程度的定制服务。Arm 在其丰富的产品组合中新增了完整的预验证计算子系统 (CSS)，通过 Arm Total Design 构建业界通用的芯片生态系统，支持更广泛的芯片应用和异构计算解决方案。Arm 生态系统中的行业领导者也在不断创新，开发定制的 Arm 兼容 CPU 设计。最终的 SoC 常采用定制和标准 Arm CPU 内核的混合方案。

随着半导体行业努力满足人工智能对性能效率的需求，并向基于芯片组的未来处理器和片上系统 (SoC) 转型，在同一芯片设计中使用多种 CPU 架构的情况可能会更加普遍。虽然芯片组目前主要用于高端计算机应用，但未来也会应用于嵌入式系统。在人工智能和芯片组时代，问题不再是哪种 CPU 架构会胜出，而是它们如何协同工作。