围猎X86 PC处理器

2022-11-14 23:08 | 云南生活网

过去20年时间,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。

不过近几年来,英特尔在PC处理器市场的王者地位日渐动摇,导致其领先优势被削弱。

当前基于X86设计CPU的只有两家:英特尔和AMD。其实在80386之前,也曾有十几家厂商生产X86 CPU,但随着后面英特尔的打压、授权的失效、以及性能的不断升级,其他厂商都消失在了历史的长河里,只有AMD通过自行研发的AMD64存活了下来,并和英特尔交叉授权兼容AMD X86-64,开创了X86的64位时代。

首先挑战英特尔的就是同为X86阵营的AMD,AMD依靠2016年推出的Zen架构大幅提升了芯片性能,加上台积电先进工艺的助力,AMD的PC处理器性能已迅速赶上英特尔,甚至实现了超越,推动AMD近几年来在PC处理器市场的份额不断高涨。

 

2012-2022年全球英特尔和AMD X86计算机处理器市场份额(图源:statista)

能看到,在X86 处理器中,英特尔还是占据着主导优势,但近几年AMD追赶幅度过于凶猛,隐隐有着和英特尔并驾齐驱之势。

PC市场寒意袭来

CIC灼识咨询指出,目前下游市场低迷限制了上游厂商的出货及业绩,CPU、显卡等PC硬件均受到来自下游的需求限制,升级替换需求滞缓使得上游厂商一并出现库存积压问题,与AMD同处PC上游赛道的英特尔、英伟达等其他芯片制造商均受到不同程度的冲击。

另一方面,PC相关部件替换周期逐渐延长也进一步紧缩了上游市场出货规模空间,供应链调整使处理器出货量减少,PC上游厂商正在承受较高的库存成本。

短期来看,PC需求下滑之势难以缓解。Gartner报告显示,2022年第三季度,全球PC市场出货6800万台,同比下降19.5%。这是Gartner自1990年代中期开始追踪PC市场以来,录得的最大降幅,也是PC市场连续第四个季度同比衰退。

PC市场的萎靡不振,迅速反映到了供应链端。作为PC市场X86处理器双雄的英特尔、AMD无疑均已感受到传导的寒意。

11月2日,AMD披露2022年三季报,尽管在其他业务带动下,该公司营收逆势增长近三成,但PC处理器业务部门收入骤降40%,拖累整个公司净利润同比暴跌93%。主要原因是PC市场疲软,以及整个PC供应链降低库存,导致处理器出货量减少。

PC市场下行,AMD的“老对头”英特尔也难以幸免。今年三季度,英特尔营收同比下滑20%,净利润下降85%。

英特尔CEO基辛格坦言,面对难以预料的宏观经济和困难的市场预期,短期内几乎看不到任何好消息。为应对市场低迷,英特尔抛出了包括裁员和减产在内的降低成本计划,并预计明年削减成本30亿美元,未来三年降本最多达100亿美元。

Canalys报告指出,不利的宏观经济和行业因素,削弱了个人电脑市场的势头,并可能持续到2023年。

 

图源:Canalys

面对主力市场的下行,英特尔和AMD遭受了明面上的“冲击波”,但或许其他隐忧比应对PC市场的下行更为棘手。

因为AMD与英特尔之争,尚且还属于X86阵营之争。而Arm和RISC-V架构在PC处理器领域的试探,或许才是X86面临的真正挑战。

Arm阵营发起冲击

二十多年前,微软的Windows操作系统和英特尔的X86芯片,“双雄合并”横扫整片电脑市场,直到他们遇上了苹果公司。

苹果的异军突起,让这个曾经牢不可破的W英特尔阵营出现了裂缝,“macOS+ X86”的出现使得“Windows+ X86”不再是唯一的选择。而到了2020年,M1芯片的发布将Arm架构也拉入了这场战局,X86迎来了新的竞争对手。

苹果“异军突起”

2020年11月,随着苹果首款基于Arm架构的自研处理器M1问世,一石激起千层浪。

Arm架构芯片在PC端的应用,成为了芯片产业,尤其是通用CPU芯片产业关注的焦点。

 

在M1芯片发布之后的各种测评中,用户看到了令人期待的结果:M1芯片跑分比肩高端X86处理器,性能方面已与11代酷睿i7接近,打破了Arm架构的低功耗低性能的桎梏,M系处理器在性能接近X86处理器的同时却依然保持了低功耗,功耗大约只有英特尔处理器的一半,由此搭载M系处理器的Mac可以设计得更轻薄,续航力也更强。

这是Arm架构处理器首次在性能方面追近英特尔,搭载M系处理器的Mac大受市场欢迎。

M1芯片的腾空出世不仅意味着苹果与英特尔 长达15年的“恋爱长跑”以“分手”告终,也让大家看到了Arm架构在PC端的巨大潜力。

在2022年苹果WWDC上,苹果M2芯片登场。据介绍,M2芯片采用新一代5nm工艺,相比上一代M1芯片拥有18%的CPU性能提升,以及35%的GPU性能提升。

对比10核心X86笔记本处理器,同等功耗下(15W)性能领先90%,而同样性能下,M2的功耗是对方的四分之一。对比12核心笔记本处理器,25%的功耗即可带来87%的性能。

M2芯片估计还会走M1的老路,后续会有M2 Pro、M2 Max、M2 Ultra等等芯片出来,然后再更换在自己的Mac系列产品上,实现全系升级。

由于小芯片(chiplet)设计趋于成熟及台积电先进封装技术推进顺利,市场传出苹果可能会在明年推出将2颗M2 Max整合的M2 Extreme处理器,搭载48核CPU及152核GPU。业者指出,苹果M2 Pro/Max/Extreme等系列处理器均采用台积电3纳米制程量产,且若M2 Extreme消息属实,明年苹果PC处理器效能将可追上英特尔脚步,成为Arm架构处理器市场霸主。

 

据爆料,苹果正在开发面对专业市场的大屏幕iMac机型,并且将搭载M3系列芯片,可能是M3 Pro或M3 Max。这些产品搭载的M3系列芯片预计将基于台积电的3nm技术制造,对比采用5nm工艺的M1和M2芯片,将在性能、功耗以及兼容性方面全面提升。

自从M系列芯片诞生以来,苹果打破了用户对于Arm芯片性能的认知,甚至重构了自己的所有业务线,以全力支持M系列芯片的上市。

苹果对Arm的影响有多大,在兼容Arm的M1 Mac开售之前,2020年第三季度Arm在PC芯片中的市场份额仅为2%。一年多后,根据Mercury Research的2022第一季度数据,对Arm PC客户端份额的估计为11.3%,几乎比一年前的5.9%翻了一番。

随着苹果 Mac产品线全面投奔Arm架构芯片,曾经只占个人电脑芯片市场很小部分的Arm芯片市场份额迅速增长。

星星之火,逐渐燎原。

高通前来“搅局”

苹果M系处理器的成功,鼓舞了移动芯片市场的芯片企业,特别是高通公司。

其实,在基于Arm架构的笔记本芯片领域,高通比苹果更有经验。此前,高通分别于2018和2020年推出了一代和二代PC端骁龙8CX处理器,至今已经发展了3代。但遗憾的是,这些处理器都没有掀起太大的水花。

 

尽管已经做了数年的尝试,但高通对Windows on Arm依然看好,且不遗余力的发展。

近日,高通CEO安蒙在财报分析会上表示,预计2024年,搭载骁龙芯片的Windows PC将在市场上迎来拐点。

这一前瞻的立足点在于,微软正在做很多优化工作,改善Arm WinPC的使用体验,同时更多OEM厂商愿意采购骁龙芯片。

当然,更重要的是,在收购Nuvia后,高通将效仿苹果M系列芯片,完全推倒Arm公版架构,从头研制一款高性能的PC处理器,甚至要叫板英特尔和AMD。

据悉,这款CPU基于Nuvia Phoenix为原型开发,代号Hamoa,采用8颗大核+4颗小核大小核的异构形态。内存和缓存的设计和苹果M1类似,同时支持独立显卡,性能可期。

 

据了解,Nuvia的Phoenix原型产品仅在2020年8月的时候低调秀过肌肉,当时在GeekBench 5中,单核远超骁龙865、苹果A12X和苹果A13,功耗不足4.5瓦。

值得一提的是,Nuvia公司的主要创办人Gerard Williams III曾领导了苹果A7(Cyclone核心)到A14(Firestorm核心)芯片的开发,早年在Arm公司还参与了Cortex-A8/A15的定义。

高通表示新一代处理器旨在为Windows PC设定性能基准,除了要和苹果的M系列处理器竞争之外,还要在持久的性能和更低的功耗方面达到行业领先水平。同时,高通将大力发展Adreno GPU,目标是为其未来的PC产品提供桌面级游戏功能。

高通希望这款处理器达到的就是类似苹果M系芯片对于PC市场的“搅局”效果。

行业知名分析师郭明錤指出,在呛声挑战苹果或者X86处理器之前,高通要想想如何说服PC品牌采用该处理器,而非过往习惯的X86架构处理器。

小结

X86架构的强大并不在于它本身,而在于围绕着它所建立起来的各种各样基于X86指令架构的程序。然而,随着电脑产业的发展,为了换取更高的性能,X86上集成的指令集数量越来越多,给硬件带来的负荷也就越来越大,无形中增加了功耗和设计难度。

相较于X86,Arm则大幅简化架构,仅保留所需要的指令,可以让整个处理器更为简化,拥有小体积、高效能的特性。

早期行业厂商一系列失败的尝试让人们认为将Arm 芯片用作 PC 平台是不切实际的想法,但显然如今的情势发生了巨大的扭转。

一方面,苹果基于Arm的处理器技术展示了不输给英特尔 X86 芯片的出色性能。

另一方面,曾经在Windows on Arm摔了个大跟头的微软、高通以及国内厂商也开始奋起直追。

微软不仅推出了Windows11 Arm,为Arm带来了64位应用程序仿真,还在2020年传出将自研基于 Arm 的处理器,并于去年10月,微软Surface部门发布了一份SoC架构师的招聘,这意味着微软或将开始着手为Surface设备开发自己的PC芯片。

而Arm自身在2021年3月也发布了全新Armv9指令集,算力更强,不再只局限于移动市场,还将发力PC、HPC高性能计算、深度学习等新市场。

此外,三星,联发科,大陆的飞腾、瑞芯微,以及此芯科技等初创企业此芯也在觊觎这个市场。

三星在2020年就有消息称正在研发的Exynos 1000处理器,可能也会用于Windows PC。据Sammobile前不久报道,三星正在开发下一代旗舰处理器Exynos 2300,这颗芯片型号为S5E9935,代号为Quadra”,不知是否未来是否会出现在其他笔电上。

联发科则是在去年11月的Executive峰会上直接表明了进军Windows on Arm平台的决心,不过由于该计划目前仍处于早期阶段,何时投入商用还未知。

大陆方面,飞腾主要做Arm架构服务器和桌面CPU;瑞芯微去年底新发布了旗舰芯RK3588的Arm PC整体解决方案;此芯科技主要致力于开发兼容Arm通用智能计算体系,提供芯片产品和通用计算一站式解决方案,据悉,其芯片产品已经进入工程设计阶段,产品定义、IP选型工作已经基本结束,计划明年实现第一个产品流片,后面就可以看到产品上市。

总的来说,未来Arm架构在PC芯片领域的实力不容小觑。在苹果、高通等一众老将的拥趸下,Arm架构阵营在逐步蚕食X86架构的传统领地。

与此同时,Arm架构亦在服务器市场不断成长。集邦咨询调查显示,预估至2025年Arm架构服务器渗透率达22%,云端数据中心将率先采用。

可以说,X86架构一直在承压。

RISC-V后起之秀

Arm架构正在搅动PC CPU市场竞争格局发生变化。

与此同时,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。

从发展现状来看,RISC-V CPU已经在对生态要求不高的IoT市场取得成功,接下来,RISC-V还将进军更高性能的移动、PC和服务器CPU市场,加入到X86和Arm的竞争当中。

在PC领域,阿里平头哥和赛昉科技都是RISC-V架构的重要推动者,它们早早介入RISC-V架构,经过数年的发展,基于RISC-V架构开发出性能卓越的PC处理器,将RISC-V处理器的性能提高到足以满足PC需求的地步,同时它们也做好了与Linux、Windows和国产统信UOS系统的适配,可以帮助PC厂商降低推出PC的难度,将推动国产PC处理器进一步加速发展。

近日,全球首款基于RISC-V处理器的笔记本电脑 ROMA发售。ROMA电脑的CPU采用的是阿里平头哥自研的RISC-V CPU TH1520(曳影1520),采用4个玄铁C910内核,主频高达2.5GHz。

 

TH1520基于阿里巴巴2022年8月发布的无剑600芯片设计平台,能够在阿里巴巴2020年推出的基于Linux的OpenAnolis开源操作系统上运行火狐浏览器、LibreOffice办公套件等各类桌面级应用。

这台电脑的发布让我们认识到,RISC-V进一步体现出了在PC领域取代X86、Arm的潜力和可能性。

近日,本土RISC-V厂商赛昉科技推出了RISC-V架构的PC处理器,并推出了单板计算机。赛昉科技始终聚焦于高性能RISC-V芯片研发,成立至今已相继推出全球性能最高的RISC-V CPU Core IP——昉·天枢、全球首款量产的高性能RISC-V多媒体处理器——昉·惊鸿7110、全球性能最高的量产RISC-V单板计算机昉·星光 2,实现了从RISC-V内核、处理器芯片到软件生态的全栈组合,有力撕下RISC-V即低端的标签,开启RISC-V高性能处理器的应用落地。

平头哥和赛昉科技等厂商的努力,意味着RISC-V芯片正加速进军PC处理器市场。

综合来看,无论是IoT市场的规模化应用,还是向PC和服务器等高性能领域发展的未来潜力,RISC-V这个新兴架构正吸引着全球众多参与者躬身其中。当前,国内外各大科技公司正在大力布局RISC-V架构,通过这款开源、精简的架构平台,设计出所需的芯片产品,或者通过RISC-V延伸出其它的生态系统。不管是软件还是硬件,RISC-V的适配能力正逐步扩大。

写在最后

从AMD CPU性能迅速接近英特尔,以及苹果M系列处理器的崛起和RISC-V芯片的推出,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。

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。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,无论是Arm架构还是RISC-V设计出性能比X86高端CPU更好的产品,指令集并非挑战,核心在于设计目标。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,可以通过精细化调整来优化CPU的优势。

当前,X86、Arm、RISC-V在嵌入式、桌面、高性能CPU市场的混战已经开启,谁好谁坏,无法做出比较,因为每款处理器架构都有着各自的优点和缺点。

但不可否认的是,X86已经不再是唯一选择,在苹果、高通、微软、阿里平头哥等大厂的发力下,Arm和RISC-V或将成为PC芯片领域不可忽视的存在。

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