指令集体系结构(3)

 

3.3  指令集的五朵金花

处理器公司很多,品牌也很多,而指令集则相对稳定,用指令集对处理器公司分类是比较常见的做法。有5种指令集最为常见,它们构成了处理器领域的5朵金花。

3.3.1  x86——硕大的大象

x86是史上最赚钱的指令集,几乎所有的个人计算机都使用x86指令集的处理器。

1978年,Intel推出8086、8088处理器,IBM-PC采用8088作为其计算机的大脑。1982年,Intel推出80286,IBM PC/AT(Advanced Technology)选择其作为自己的处理器。从此以后,IBM-PC兼容机几乎都采用Intel的处理器。Intel也陆续推出386、486、奔腾等处理器,x86因此而得名。

由于IBM在选择供应商时为减少未来风险,要求至少有两家公司同时提供产品,因此Intel将x86架构开放给了AMD(AMD和Intel的创始人同出于仙童半导体),从此,Intel和AMD垄断了个人计算机处理器市场。由于AMD也采用x86体系结构,Intel为以示区分,后来在自己的官方材料中用IA(Intel Architecture)来替代x86,不过业界还是喜欢用x86这个名字。

这些年来,Intel和AMD将更多的指令和功能塞进这个陈旧的指令集架构中,使得它越来越臃肿,远不及后来发展起来的其他指令集优雅。不过,软件的兼容性比技术更重要,x86成为个人计算机的事实标准,以及它拥有最广泛的程序资源和程序员资源,使得Intel和AMD有大量的利润来保证其研发经费,将更多的先进技术融入到处理器中。因此,虽然x86指令集相对于其他处理器指令集要臃肿,但是这并不妨碍x86处理器极高的处理        性能。

Intel处理器开发有一个非常著名的tick-tock(工艺年,架构年)战略。Tick-Tock就是时钟的“嘀嗒”,一个嘀嗒代表着一秒,而在Intel的处理器发展战略上,每一个嘀嗒代表着两年一次的处理器升级。处理器有两大核心技术,一是芯片制程工艺(32nm、22nm等);二是处理器微架构。Intel称它们在制程工艺和微架构上保持领先。制程工艺决定了芯片内部可以使用的晶体管的数目,晶体管数目越多,则芯片能完成的任务也越多。处理器微架构决定了怎么合理的利用这些晶体管,来搭建最适合具体应用的处理器。

Tick-Tock战略中,Tick(两年周期中的第一年)代表着制程工艺的提升、晶体管变小,Tock(两年周期中的第二年)是在维持相同工艺的前提下,推出新的处理器微架构。这样在工艺和微架构的两条提升道路上,总是交替进行,一方面避免了同时革新可能带来的失败风险,同时也加快了新产品的发布周期,并最终提升产品的竞争力。Intel这种轮番式的进攻方式让竞争对手喘不过气来,服务器处理器纷纷倒台,大多数服务器都投入到Intel的怀抱。

3.3.2  ARM——稳扎稳打的蚁群

如果要问哪个指令集的处理器销量最大,很多人会认为是Intel,不过一家来自英国的公司让我们大跌眼镜,这家公司就是ARM公司。

ARM公司从藉藉无名到风生水起也不过就是十几年时间,ARM占据了手机市场90%以上的份额,可以说,ARM是伴随着手机一起繁荣起来的。手机上的应用处理器,不管是高通还是TI的,东芝还是三星的,在内部都采用了ARM内核。

ARM架构属于ARM Holdings,这是一家总部位于英国剑桥的公司。这家公司是在1990年由Acorn Computers、苹果、 VLSI Technology合资组建的(引自ARM网站)。第一代ARM处理器(ARM1)最早可追溯到1983年10月,Acorn启动了代号为Acorn RISC的项目,由VLSI Technology负责生产。1985年4月26日,VLSI生产出第一颗Acorn RISC处理器,即ARM1。

ARM和x86可以说是处理器领域商业上最成功的两个架构,ARM只是一家小公司,它的人数不到2000人,ARM架构之所以这么受欢迎,在于它从设计之初就将低功耗、低成本的优先级放在了高性能的前面。

在《三国演义》中,刘备向庞统讲述了自己为什么能从一个卖草鞋的,成长为三分天下的诸侯。他说:“今与吾水火相敌者曹操也。曹以急,吾以宽;曹以暴,吾以仁;曹以谲,吾以忠;每与操相反,事乃可成。”其中“每与操相反,事乃可成”是其中的关键。x86就是处理器领域的曹操,实力雄厚,处理器性能高。与x86竞争的面向高性能的处理器都逐渐退出了历史舞台,而ARM却与x86相反,侧重于低功耗、低成本,虽然技术实力存在不小的差距,却活得很滋润。

ARM公司自己不生产芯片,而是向半导体公司提供指令集授权、内核授权,其他公司使用ARM的处理器内核设计生产自己的处理器芯片。全球很多半导体厂商都使用它的内核,这些厂商每年设计和销售的ARM处理器达到40多亿颗(数字引自ARM中国网站,每年都会增多)。ARM处理器之所以有这么大的销量,原因在于它面向的是嵌入式市场。嵌入式市场比个人计算机市场拥有更大的使用量,一个家庭通常只要一台电脑,而一个人至少需要一部手机,一个家庭每4年换一次电脑,一个人每两年就要换一次手机。除此之外,机顶盒、数字电视、家用Soho路由器等领域都会使用ARM内核的处理器。

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