什麼是芯片架構？芯片架構的重要性

我國目前在芯片領域主要是卡在制造和設計軟件上，可就在2020年9月14号，美國的芯片巨頭英偉達宣布将從日本軟銀手裡以400億美金的價格收購全球最大的半導體IP提供商ARM公司，一旦這一收購完成，無疑将對我國的芯片設計行業帶來更大挑戰，可以這麼說，如果ARM被英偉達囊入懷中，我們當下需要盡快攻破的難題又多了一個，而這個難題就是除了光刻機和EDA軟件外，另一項對芯片研發至關重要的基礎技術，指令集架構。

也許指令集架構，你聽着比較陌生，為了便于大家了解，我們需要先講一下英偉達跟ARM這兩家公司。說起英偉達，很多人應該多少知道一些，特别是喜歡玩遊戲的朋友，電腦裡大部分裝的都是英偉達的GPU（顯卡），它是目前全球最大的圖形處理芯片設計公司，在獨立GPU的市場占有率為73%，遠高于對手AMD的27%，随着英偉達持續在人工智能和數據中心的發力，讓它的市值在20年正式超過美國芯片老大英特爾，達到3000多億美元，随着自身迎來高光時刻，英偉達一直想補足在移動領域的短闆，其實不僅僅是英偉達，英特爾，AMD這種傳統做PC芯片的公司，都沒在手機平闆領域做起來，這背後主要的原因就與指令集架構有關。

在移動端芯片誰做起來了呢，就是英國的ARM公司，目前全球90%以上的移動終端設備裡使用的都是基于ARM架構的芯片，而ARM之所以能崛起，主要有兩個原因，一、ARM所設計的芯片指令集架構相比英特爾設計的更适合移動設備，其特點主要是低功耗，低成本，從蘋果的iPod到第一代iPhone用的都是ARM的芯片架構，這也奠定了ARM後來在移動終端的地位。二、ARM在經營策略上，采用IP授權模式，就是賣芯片設計方案給其他公司，通過技術授權費和版稅營業，因為收費不高，大大降低了芯片設計公司的早期研發成本和風險，進而促使很多公司都願意采用ARM的技術，所以ARM的生态圈越來越大，像高通，蘋果，華為，三星，包括想要收購ARM的英偉達，都在一些芯片上使用了ARM的架構。

其實ARM成功與現在很多互聯網公司很像，先以低價占領市場，當大家都用它的産品時，就有了行業話語權，一般ARM對客戶收取的一次性技術授權費，在100萬到1000萬美元之間，然後客戶每賣出去一顆基于ARM技術的芯片，還需要支付1%到2%的版稅，這點錢對動辄幾十上百億投資的半導體行業來說，簡直就是白菜價了，我國的芯片設計公司，未來也可以借鑒ARM模式，迅速做大市場。

ARM的低價模式也有一個問題，就是它的營收上不來，2017年到2019年的三年中，ARM的營收分别為18.3億美元，18.36億美，18.98億美元，也就是說，自從2016年孫正義的軟銀在收購了ARM以後，ARM的營收基本沒漲，要知道，當時軟銀買它可是花了320億美元，對ARM寄予厚望的孫正義還稱這是他一生中最重要的交易，隻可惜他太高估了ARM的賺錢能力，四年後還是無奈的決定出售，當然，如果不是因為軟銀這幾年間接連的投資不利，估計還會持有ARM一段時間，畢竟400億美元賣給英偉達，刨去各項費用，對軟銀來說，相當于沒賺錢。

根據軟銀與英偉達之間的協議，支付給軟銀的400億美元中，有215億是英偉達的股票，120億是現金，還有價值15億的股票給ARM員工，以及未來ARM完成業績目标後，才會再給軟銀50億的現金和股票，其實軟銀本來就是英偉達的大股東之一，這次操作對他們可以說是各取所需，通過收購ARM，英偉達可以把技術融入到ARM的生态當中，相當于一下就擁有了對移動芯片市場的巨大影響力，同時，在數據中心，人工智能，物聯網等領域，兩者是很好的互補。

軟銀在這筆交易中，既收回了一些資金，并且重倉了英偉達，有了ARM的加持，英偉達的實力會大幅提升，未來在資本市場的收益将有很大空間，也讓軟銀在芯片領域擁有更大的話語權，這就是軟銀本來可以選擇ARM上市，但是他沒有，反而決定賣給英偉達，這筆交易對ARM來說，基本是沒有什麼好處的，反而會讓ARM在以後的發展處于劣勢，很多芯片公司都使用的是ARM架構，而這些芯片公司之間是有競争關系的，英偉達也不例外，所以英偉達收購ARM，會讓其他的芯片公司擔憂，ARM失去它一直保持的獨立性和中立性。

從長期來看，ARM被收購後，除了對外業務會漲價外，技術逐漸融于英偉達是必然的，這會導緻ARM的商業模式不複存在，成為一家主要服務于英偉達的研發部門，雖然英偉達的CEO黃仁勳承諾會保持ARM的獨立性，但能有多少人相信呢，大家都開始制定計劃B，而且ARM一旦從英國公司變成美國公司，英國在科技上更是少了話語權，隻能附庸于美國，所以消息一出，深知這一收購會對ARM帶來重大影響的創始人赫爾曼豪澤，就寫信給英國首相鮑裡斯，希望英國政府能阻止這一收購。

好在這種體量的收購受到國際反壟斷法的約束，而且每個國家也都有自己反壟斷法的相關規定，所以跨國大公司間想要收購，它必須獲得其産品所在市場國家的政府同意，才能完成收購，如果其中有一個國家反對，它要麼退出該國家市場，要麼隻能放棄收購，所以，雖然英偉達和軟銀宣布了收購事項，但它接下來還需要獲得英國，歐盟，中國等國家的同意，要知道，中國當下設計的高端芯片中，有95%都用的是ARM的技術，所以英偉達到底能否成功收購ARM，這件事兒的變數還是挺大的，不過，對我們國家芯片長遠發展來說，最重要的還是實現芯片指令集架構的自主研發，和完善GPU、CPU、操作系統、軟硬件等在内的整個生态，這樣我們的芯片産業，才能實現閉環，真正做到自給自足。

美國芯片巨頭英偉達試圖收購英國ARM背後的深意，這其中涉及芯片産業的核心技術指令集和微架構，但是我國目前在芯片領域，除了光刻機和EDA軟件以外的另一難題，芯片中的指令集與微架構到底是幹什麼用的，我國目前在這領域面臨的困境以及未來如何破局。首先說指令集，在我們的手機和電腦等設備裡最核心的部件就是CPU，它負責進行各種運算，從而讓我們在使用時實現各種功能，而作為用戶感受到的功能實現都是基于軟件層面的，不管你是手機看了下微信還是電腦打開個網頁，這些功能實現的基礎是得有一個完備的操作系統。

而完備的操作系統這一塊目前在全世界由美國壟斷，電腦端有微軟的Windows和蘋果的Mac，手機端有谷歌的安卓和蘋果的IOS。操作系統是由程序員用C、C 等高級語言編寫出來的，其目的簡單來說就是對CPU發出指令，讓CPU按照我們的要求進行運算，但問題來了，計算機高級語言是方便人類邏輯理解的編程語言，機器是理解不了的，要知道CPU的物理性質也隻是一種電路元件，所以當操作系統發出一個指令後，需要通過編譯器轉化成二進制代碼，也就是0和1的數字來實現對機器的指令傳輸，為了能把CPU的性能發揮到極緻，在研發之初，芯片公司就為處理器建立了一套完整的指令集。

目前最流行的指令集主要有兩種，CISC複雜指令集，RISC精簡指令集，這兩種指令集的區别，從名字上就能看出複雜指令集支持的指令更多，每種運算需求都有自己一套完整的指令，比如你去超市買牙膏，需要出門步行進超市購買這幾個步驟，所以要實現買牙膏這整個步驟流程，也就是我們說的指令，一開始就設計在了芯片當中，如果你要實現買水果，就還有一套買水果的指令，因此，采用複雜指令設計出來的CPU更強大，運算效率更高。

早期來說，複雜指令集的各種指令中大約有百分20的指令會被反複使用，使用頻率占整個程序代碼的80%，餘下80%的指令卻不經常使用，隻占程序設計的20%，像我們剛才說的買牙膏和買水果，這裡面80%的步驟都是一樣的，隻是牙膏和水果這兩個東西不同而已，而精簡指令集就是把複雜的指令集進行簡化，不用讓每個需求都有一套單獨的指令，簡單來說就是不管你去超市買什麼東西，出門步行進超市購買這幾個步驟都是一樣的，所以每次你買不同的東旭，都是使用這幾個步驟（指令），不用因為你買的東西不同就設計一套不同的指令，所以精簡指令集對于芯片研發來說，門檻更低，相比于複雜指令集更适用高難度運算的電腦CPU，精簡指令集則更适用于運算要求較低，使用功耗也更低的手機CPU。

在兩種指令集的基礎上，有分别産出了不同的架構，最有代表性的一個是英特爾的x86架構，另一個就是ARM架構，x86架構基于複雜指令集，ARM架構基于精簡指令集，那麼架構指的又是什麼呢？簡單來說，架構基本上等于指令集，這就是我們經常會把指令集架構當成一個詞來說的原因，所以當聽到有人說芯片架構，他們主要指的就是指令集架構，指令集與架構唯一的區别，就是針對CPU，架構是指在指令集的基礎上，實現對CPU内所含部件，如控制單元，邏輯單元，存儲單元的一系列完整設計安排。

CPU裡，還有一種架構，我們稱之為微架構，在買電腦時，我們經常會看到四核六核這樣的信息，這裡面的核指的就是CPU的核心，而微架構，就是對這些核心的設計，它包含核心可以達到的最高頻率，核心在一定頻率下能執行的運算量，一定工藝水平下核心的能耗水平等，如果說指令集架構是上層的芯片運算邏輯規範，那麼微架構就是底層的電路設計的實現，是在指令系統架構的框架之内進行的，在業界，微架構是芯片研發企業的核心，也是技術含量最高的領域之一，就是實現獨立微架構研發的企業，才能真正具備CPU的自研能力，而這也是我國衆多芯片設計企業目前面臨的難題。

電腦端的芯片，從指令集到微架構，主要是由英特爾和AMD壟斷的，這兩家都是美國的公司，AMD最早也是從英特爾拿到X86指令集架構的授權，但微架構與英特爾的不一樣，因為英特爾很少對外授權X86架構，所以我國企業目前在自研電腦CPU這塊還比較空白，有在做的，但并沒有市場形成太強的影響力。而手機端的芯片就是ARM壟斷了，我國大部分的芯片設計企業基本上都是買的ARM的設計方案。

雖然像蘋果、高通這樣的企業，他們也是用的ARM是指令集架構，但他們的微架構是完全自己研發的，CPU能力比公版的ARM強大很多，而我國包括華為在内，雖然目前擁有ARM指令集架構的永久授權，但微架構的研發能力還很弱，手機目前大多數使用的都是SOC芯片，也就是把CPU、GPU等元件集成在一個芯片上，而我們的強項是将不同的元器件組合在一起，讓他們變得更高效，也就是别人做好的核，我們把它們組裝起來，我們把它組裝起來啊，而下一步的重要任務就是我們現有的芯片企業實現自己對核心微架構的研發，真正設計出我們自己的芯片。

那麼，我國該如何走出自己的芯片架構之路呢？首先，在指令集層面，RISC是目前業内最被看好，有機會彎道超車的新架構，這是一種開源的指令集架構，本身是不收費的，2010年才誕生，比ARM還要精簡，并建立了不同的模塊，來應對不同的場景，因此，開發起來更簡單，最終生産出的芯片，相比今天的ARM成本與功耗都會更低，再加上開源的定制特性，讓它在未來的物聯網領域大有前景，而且芯片公司可以對指令集進行修改，拓展并銷售修改後設計方案，這裡面有機會誕生下一個ARM，我國多家芯片公司已經成立了RISC-V産業聯盟，大家合力，有望更快推進RISC-V的發展。

再有就是操作系統層面，一定要對指令集形成生态支持，就如X86的成功，是因為有Windows，ARM是因為有安卓和IOS一樣，RISC-V也要有一個可以與它綁定，同時可以覆蓋大量用戶和軟件開發者的操作系統，但這也是一個大難點，因為操作系統和指令集是相互賦能的關系，但RISC-V目前還沒完全發展起來，所以也就不會有企業願意去做基于RISC-V的操作系統，沒有了操作系統的支持，RISC-V想發展起來就會很慢，目前有的解決辦法是，先從對操作系統要求較強的物聯網細分領域開始，逐步進入移動端和電腦端，當然還有終極一招，就是自己研發指令集、微架構和操作系統，我國的龍芯中科已經在這麼做了，那些指令集Longacre也研發完成，相信未來會有更多有實力，有決心的公司加入到芯片自主研發大軍中。