谱系-处理器

0.0 引言

时势成就优秀的设计，优秀的设计顺应时势。PC时代是英特尔，移动时代是ARM。当下AI引领数据密集型计算和开发方法在求索中前行，很多原本非主流的技术逐渐成为主流。当然也有很多难题悬而未决，等待学术界和产业界征服，如并行编译及其优化。相关技术比较零散，并且有的只有介绍，没有细节，或者没有相关实践的工程文件。

本文旨在整理业界的相关处理器及其技术，索引相关资源，并试图理顺脉络和方向。体例上，从指令集开始，芯片部分包含了基于已有指令集构建的经典芯片。包含移动端、服务器端、开源、IP、流处理器等不同的主题。

这不是一件容易的事情，相关内容持续更新，也欢迎读者提出意见和建议。相关资料源于公开消息，个别不妥请指正。

0.1目录

• 指令集
• 芯片
• 测试基准
• 趋势和挑战

1. 指令集

X86

PC和服务器芯片霸主，包含Intel、AMD，其余玩家基本已出局。移动端atom虽然几经努力但始终没有发展起来。国内游VIA/兆芯。

主页

https://ark.intel.com/zh-cn/

ARM

ARM=advanced RISC machines, architecture for the digital world，移动时代处理器当之无愧的霸主，没有之一，现在也有不少厂商在构建和部署基于ARM的服务器。源于英国剑桥，为了避开与Intel等巨头的竞争，开启处理器IP授权业务而不是销售芯片。2016年被软银300亿美金收购，并基本保持独立运行。AI时代进展有些慢，不过已经发布了MLP路线图。

ARM指令集分为多类，早期的ARM7/ARM9开创了ARM的辉煌。2010年前后ARM的处理器分成A/R/M三个系列，分别面向advanced高性能、real-time数字信号处理、micro-controller微控制。但是一直遵循指令版本，目前为V8。另外ARM还有Mali GPU构建移动终端所需的完整处理能力。

主页

https://www.arm.com/products/processors/cortex-a

MIPS

源于原斯坦福大学校长John Hennesy，RISC指令集的开创者之一，拥有诸多优秀的技术。

商业化不够理想，PC端和移动端分别受到Intel和ARM挑战。2012年被IMG收购，同时部分专利被ARM和Intel分享。2018年再次被wave computing收购，期待与wave公司的DPU结合，老树发新芽。

国内龙芯、君正开发。

主页

https://www.mips.com/about/

WiKi

https://en.wikipedia.org/wiki/MIPS_architecture

教材，MIPS体系结构与编程

https://item.jd.com/30543724579.html

Power

源于IBM，分为服务器用Power和通信用PowerPC两个分支；后者还有Freescale，现已进入NXP并逐步使用ARM。前者面向高端服务器，阳春白雪，多为高性能采用。早期的人机对战，深蓝打败卡斯帕罗夫使用。中低端输给Wintel，早先苹果电脑从Power转向Wintel很大也是源于生态。目前开放，并与英伟达紧密合作，通过OPENCAPI连接。工艺相关多用SOI。国内中晟宏芯合作，OPENPOWER至今不够open。

技术文档

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-powarch/index.html

SPRAC

斯坦福毕业生Andreas Bechtolsheim一个计算机项目，全称为“可扩充处理器架构”（Scalable Processor ARChitecture），最初由SUN公司开发，结合Solaris，面向高性能应用。后来不敌Wintel联盟，进入Oracle，现在该项目已停止发展。

目前部分技术和代码开源，欧洲宇航局还发布了宇航版本，V8。日本富士通、美国Atmel、中国珠海欧比特发布相关抗辐照芯片。消息称，富士通的日本超算已经弃用SPARC转向ARM。

主页

http://sparc.org/

WiKi

https://en.wikipedia.org/wiki/SPARC

Alpha

源于DEC公司，开发Alpha架构和相关的PDP计算机，后来进入康柏-惠普。

Alpha有很多值得称道的技术现在还在教课书中展示，不少技术也被用到了现在商用产品上，硅谷传奇架构师Jim Keller也源自于此。

国内神威计算机的原始指令集来自alpha。

历史，美国DEC公司

http://wiki.mbalib.com/wiki/%E7%BE%8E%E5%9B%BDDEC%E5%85%AC%E5%8F%B8

芯片设计大神Jim Keller的开挂人生

https://www.sohu.com/a/230228747_132567

Jim Keller DEC-AMD-PASEMI-Appls-Tesla-Intel

OpenRISC，开源

顾名思义，主体是开源的RISC处理器，前几年有一些预算受限的项目尝试过。也有处理器爱好者在FPGA上把玩。

处理器的使用者越多，成熟度才能越高，生态才能越健全，而今其地位受RISC-V挑战。

早期代码在opencores

https://opencores.org/

主页

https://openrisc.io/

教材，深入理解OpenRISC体系结构

http://yuedu.163.com/source/cfcae2cd0337438d809642d89801b72d_4

RISC-V，开源

主页

https://riscv.org/

源于RISC两位大牛David Patterson & John Hennessy。指令集开源，产品化阶段收取一定的费用，当下热点同时使势头强劲。但是公版性能不够，并且生态成熟需要时间。

CEVA

创建于与DSP技术的热土以色列。目前已经有不少授权，特别是提供蓝牙/WiFi相关的针对性解决方案。

主页

https://www.ceva-dsp.com/

Ceva DSP公司及产品介绍

https://blog.csdn.net/weixin_41770169/article/details/80829172

Tensilica(Cadence)

由业界牛人Chirs Rowen创办，后来进入Cadence。

可以针对具体应用定制指令集以及全套开发环境，实现接近ASIC的性能同时保持灵活性是其重要特点之一。

Tensilica已经被广泛用于音频、ISP、通信基带等市场。

主页

https://ip.cadence.com/ipportfolio/tensilica-ip

社区

http://tensilica.eefocus.com/

教材，复杂SoC设计

https://item.jd.com/31306605289.html

ARC(Synopsys)

ARC处理器进入Synopsys之后，逐步成熟并推广。公开消息显示，博通、Gridbee、忆芯科技都有使用。

主页

https://www.synopsys.com/designware-ip/processor-solutions/arc-processors.html

WiKi

https://en.wikipedia.org/wiki/ARC_(processor)

顺应开源潮流，ARC处理器也有开源项目，相关主页：

http://embarc.org/

相关教材

https://item.jd.com/10051028907.html

Andes

台湾公司，已宣布支持RISC-V

主页

http://www.andestech.com/

C-Sky

国内处理器授权业务开展比较成功的公司，2018年被阿里巴巴收购。

主页

http://www.c-sky.com/about/gong-si-gai-kuang.htm

68000

摩托罗拉公司诸多很牛的技术之一，个人电脑初期声名显赫。1979年推出，用于最早的Apple Macintosh计算机，以及Apple LaserWriter ⅡSC和Hewlett-Packard公司的LaserJet打印机。

国内部分公司基于此进行开发，不赘述。

TI DSP

数字信号处理器(DSP)芯片业界知名厂家，C2000面向工控，C5000面向中端信号处理如音频，C6000面向高端信号处理如视频。C64x和C7x分别代表定点和浮点最高新能核心，后续的芯片基本上是已有核心的优化和组合。早期智能手机多采用ARM CPU+TI DSP。鉴于通用处理器处理能力越来越强，DSP业务发展受限。

主页

http://www.ti.com.cn/zh-cn/processors/dsp/overview.html

ADI DSP

数字信号处理器(DSP)芯片业界知名厂家，与TI类似。

2010年之前，国内IC设计能力较弱的时代，DSP+FPGA结构是高性能处理的主流架构。

MIT RAW

主页

http://groups.csail.mit.edu/cag/raw/

从Raw计算机结构看计算机体系结构发展的一种新趋势

https://www.ixueshu.com/document/19701dde95fda80c318947a18e7f9386.html

MIT GENIUS STUFFS 100 PROCESSORS INTO SINGLE CHIP

https://www.wired.com/2012/01/mit-genius-stu/

IBM Cell

索尼、IBM和东芝联合研发Cell处理器数年，基于PowerPC流处理器架构。理论算力很高，但是开发不容易，并且性能利用率不高。索尼弃用，2014年左右IBM宣布停止cell的开发

IBM相关页面

https://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_group.php?id=2649

WiKi

https://en.wikipedia.org/wiki/Cell_(microprocessor)

技术介绍，Cell处理器

https://blog.csdn.net/digbug/article/details/1517323

网易公开课有MIT并行编程课程，基于Cell

http://open.163.com/movie/2015/11/N/4/MB7DA0J36_MB7DAPEN4.html

Stanford Imagine

流处理器的典型项目，很多并行计算的论文都有设计

主页

http://cva.stanford.edu/projects/imagine/

 

2. 芯片

 

3. 测试基准

 

4. 趋势和挑战

 

国产与国外巨头基本都有合作：英特尔与澜起和清华，AMD和海光，阿尔法和神威，IBM和中晟宏芯，高通和华芯通。

处理器经过多年发展，具有丰富的理论、工程和实践内涵，轻易难以突破，持续投入是必经之路。RISC-V或许可以加速，拭目以待。

几乎所有处理器厂商都会谈及AI。AI作为计算密集型的典型应用，推动流处理技术成为热点，需要体系结构变革以及相应的开发方法特别是并行编译技术同步支持。正如新能源车绕过积累已久的发动机技术，开创新纪元；这也是国内公司追赶的好时机。