移动芯片主要架构技术特性及产业化应用分析

　　指令的强弱是衡量CPU性能的重要指标，从现阶段的主流体系结构看，指令集可分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)两部分，代表架构分别是X86和ARM、MIPS，其中CISC体系主要用于服务器、PC、网络设备等高性能处理器CPU，RISC体系多用于非x86阵营高性能微处理器CPU。

　　一. 主流芯片架构技术特性对比分析

　　ARMRISC是为了提高处理器运行速度而设计的芯片体系，它的关键技术在于流水线操作，即在一个时钟周期里完成多条指令。相较复杂指令集CISC而言，以RISC为架构体系的ARM指令集的指令格式统一、种类少、寻址方式少，简单的指令意味着相应硬件线路可以尽量做到最佳化，从而提高执行速率。因为指令集的精简，所以许多工作必须组合简单的指令，而针对复杂组合的工作便需要由编译程式来执行，而CISC体系的X86指令集因为硬体所提供的指令集较多，所以许多工作都能够以一个或是数个指令来代替，编译的工作因而减少许多。ARM指令集架构主要特点包括以下几个方面，一是体积小、低功耗、低成本、高性能；二是大量使用寄存器，且大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快；三是寻址方式灵活简单，执行效率高；四是指令长度固定，可通过多流水线方式提高处理效率。

　　MIPS是高效精简指令集计算机体系结构中的一种，与当前商业化最成功的ARM架构相比，MIPS的优势主要有五点。一是早于ARM支持64bit指令和操作，截至目前MIPS已面向高中低端市场先后发布了P5600系列、I6400系列和M5100系列64位处理器架构，其中P5600、I6400单核性能分别达到3.5和3.0DMIPS/MHz，即单核每秒可处理350万和300万条指令，超过ARM Cortex-A53 230万条/秒的处理速度。二是MIPS有专门的除法器，可以执行除法指令。三是MIPS的内核寄存器比ARM多一倍，在同样的性能下MIPS的功耗会比ARM更低，同样功耗下性能比ARM更高。四是MIPS指令比ARM稍微多一些，执行部分运算更为灵活。五是MIPS在架构授权方面更为开放，允许授权商自行更改设计，如更多核的设计。同时，MIPS架构也存在几点不足之处，一是MIPS的内存地址起始有问题，这导致了MIPS在内存和cache的支持方面都有限制，即MIPS单内核无法面对高容量内存配置。二是MIPS技术演进方向是并行线程，类似INTEL的超线程，而ARM未来的发展方向是物理多核，从目前核心移动设备发展趋势看来物理多核占据上风。三是MIPS虽然结构更加简单，但是到现在还是顺序单/双发射，ARM已经进化到了乱序双/三发射，执行指令流水线周期远不如ARM高效。四是MIPS学院派发展风格导致其商业进程远远滞后于ARM，当ARM与高通、苹果、NVIDIA等芯片设计公司合作大举进攻移动终端的时候，MIPS还停留在高清盒子、打印机等小众市场产品中。五是MIPS自身系统的软件平台也较为落后，应用软件与ARM体系相比要少很多。

　　X86 CISC是一种为了便于编程和提高记忆体访问效率的芯片设计体系，包括两大主要特点，一是使用微代码，指令集可以直接在微代码记忆体里执行，新设计的处理器，只需增加较少的电晶体就可以执行同样的指令集，也可以很快地编写新的指令集程式。二是拥有庞大的指令集，X86拥有包括双运算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到记忆体以及记忆体到寄存器的多种指令类型；为实现复杂操作，微处理器除向程序员提供类似各种寄存器和机器指令功能外，还通过存于只读存储器(ROM)中的微程序来实现极强的功能，微处理器在分析完每一条指令之后执行一系列初级指令运算来完成所需的功能。X86指令体系优势体现在能够有效缩短新指令的微代码设计时间，允许实现CISC体系机器的向上兼容，新的系统可以使用一个包含早期系统的指令集合。另外微程式指令的格式与高阶语言相匹配，因而编译器并不一定要重新编写。相较ARM RISC指令体系缺点主要包括四个方面。首先，通用寄存器规模小，X86指令集只有8个通用寄存器，CPU执行大多数时间是在访问存储器中的数据，影响整个系统的执行速度。而RISC系统往往具有非常多的通用寄存器，并采用了重叠寄存器窗口和寄存器堆等技术使寄存器资源得到充分的利用。其次，解码器影响性能表现，解码器的作用是把长度不定的x86指令转换为长度固定的类似于RISC的指令，并交给RISC内核。解码分为硬件解码和微解码，对于简单的x86指令只要硬件解码即可，速度较快，而遇到复杂的x86指令则需要进行微解码，并把它分成若干条简单指令，速度较慢且很复杂。第三，X86指令集寻址范围小，约束用户需要。最后，X86 CISC单个指令长度不同，运算能力强大，不过相对来说结构复杂，很难将CISC全部硬件集成在一颗芯片。而ARM RISC单个指令长度固定，只包含使用频率最高的少量指令，性能一般但结构简单、执行效率稳定。

　　二. 主流芯片架构产业化应用分析

　　（1）ARM架构产业化进程

　　随着全球芯片消费市场向移动化迁移的态势持续放大，ARM领先优势不断增强并逐步成为新兴霸主。近几年ARM授权合作企业规模和芯片出货量持续高速增长，截至2014年第一季度，ARM授权企业规模达到1100家，单季度出货达到30亿颗，同比增长20%以上，在移动市场占比高达95%。当前智能手机、平板电脑芯片的大多数供应商，如高通、MTK、苹果、博通、三星、全志、瑞芯微等，均基于ARM技术构架开发相关产品。2014年第一季度，通信基带芯片市场规模达到47亿美元，同比增长2.5%，高通以66%的份额占据主导地位，MTK与展讯分别以15%和5%的份额紧随其后；应用处理芯片出货3.32亿片，同比增长25%，其中高通、苹果、MTK分别以53%、16%和13%的份额排名前三。

　　移动SoC整合优势已成为ARM阵营芯片厂商攻城掠地的利器，所有不顺应发展趋势的芯片企业都将逐步被淘汰。移动SoC 将组合芯片的整合度提升至一个新的水准，使其成为一款结合移动基频、应用处理器与无线连接等更多功能的单芯片，有效降低了移动智能终端的开发成本和周期，已成为主流的芯片产品开发方式。移动SoC设计是性能、功耗、稳定性、工艺等多方面的平衡，当前正持续向更高集成度演进，芯片封装调试难度也在不断加大。高通和MTK受益于在技术和应用上的卡位成功，及早实现了基带、处理器、RF、PMU的SoC高度集成和套片整合，占据生态系统的制高点。2014年三季度，高通、MTK分别占据全球移动SoC市场的42%和23%，其它移动芯片商除三星、苹果自给自足外，生存状况日益艰难。随着STE、博通等相继退出主控芯片的竞争，预计未来整个移动芯片市场格局将进一步集中。

　　ARM借由低功耗优势快速切入新兴可穿戴市场，以多设备协同加速生态圈构建。ARM架构处理器因其低功耗优势不仅广泛根植于传统嵌入式应用领域，更是当下国际主流知名可穿戴产品的首选。在传统设备领域，ARM Cortex-M系列产品在全球有40多个合作伙伴，应用场景包括智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、大型家用电器、消费性产品和医疗器械等。在移动可穿戴领域，ARM依旧占据主导，目前主要应用场景包括智能眼镜、智能手表和智能腕带三类产品，且知名产品居多，如谷歌眼镜、Pebble智能手表、Fitbit等。此外，ARM还积极建设开源mbed物联网芯片开发平台，助力可穿戴与智能机、云端协同工作，突破数据存储、计算瓶颈。mbed提供免费开发工具和基础开源软硬件元件，帮助快速开发基于ARM架构的创新设备，同时将连接器、传感器、云端服务软件组件和开发工具加以整合，打造动态合作的生态系统。ARM还与Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等无线通讯组织密切合作，确保mbed平台涵盖最新的无线通讯技术。

　　ARM积极联合多方力量推动服务器定制化、个性化发展，发力云计算低功耗服务器芯片市场，但受限于效能、软件系统兼容、整体成本与完整解决方案等差距，短期之内难以突围。英特尔由上至下进入低功耗服务器市场，先后推出Atom S1200系列数据中心SoC平台、Avoton平台，提供更高的能效比；ARM则由下至上进入，联合AMD、Marvell、高通等多家厂商研发ARM架构服务器芯片，其价格、功耗分别是英特尔的10%和50%。但受制于产业配套差距，Calxeda先驱成先烈，三星、英伟达相继放弃，高通则将战略重点转向整合手机、平板、PC、服务器、云端软件及各式创新技术的物联网芯片大市场。

　　（2）MIPS架构产业化进程

　　MIPS长期耕耘数字家庭产品市场，错失移动互联网发展先机。MIPS允许芯片商对架构进行自由更改，授权模式相较ARM更为开放灵活，但“学院派”基因使得MIPS商业化运作能力偏弱，从而错过移动智能终端市场爆发期。经历收购转型之后，MIPS凭借高端的proAptiv、多线程的interAptiv 和紧凑高效的microAptiv微处理器产品发力家庭娱乐、网络、移动和嵌入式应用市场。与ARMCortex-A、Cortex-R和Cortex-M系列展开直面交锋。但事实证明，MIPS凭借其新品来撬动ARM移动智能手机、平板电脑市场庞大的生态体系面临极大的挑战，如TCL等厂商推出的MIPS架构智能手机宣告失败。

　　MIPS占据智能手表发展先机，加速向健康医疗和健身设备拓展。Imagination作为Android Wear生态唯一的IP供应商，使得MIPS架构在智能手表领域占据主动，随着更多芯片商的加盟，医疗健康和健身设备也将成为发力重点。目前Imagination已将旗下MIPS、PowerVR、Ensigma（RPU）等核心技术产品列入Android Wear生态，并联合产业界多方力量推出基于MIPS核心的参考设计方案及各种硬体平台，加速可穿戴产品上市。Newton平台作为典型代表已成功应用于智器和果壳智能手表，由于整合了温湿度、心电传感等器件，未来该平台将广泛应用于各类健康医疗、健身等产品设计。此外，Imagination还授权印度初创公司Ineda研发低功耗系统级芯片，提供行业领先功率和能源效率。Ineda使用PowerVR图像处理核心和MIPS主处理器架构研制可穿戴处理单元芯片，其Dhanush WPU系列包括4款针对不同产品市场的型号，芯片采用自主研发的“分层计算架构”，最低级别芯片针对的是手镯等简单的可穿戴设备，高端芯片针对的是Android平台的智能手表等设备，电池续航能力可达到30天以上。2014年4月，Ineda可穿戴芯片公司获高通三星1700万美元的投资，发展前景广阔。

　　（3）X86架构产业化进程

　　英特尔是PC和企业级处理器市场的王者，当前正努力向移动智能终端市场延伸渗透。Intel在过去几十年里，一直主导高利润率的个人PC及企业市场处理器的生产制造，也正是丰厚的毛利率使得Intel持续付出高昂的代价研发下一代处理器技术和生产线制程，从而保持领先竞争对手至少一个代际的技术优势。进入移动互联网时代，一片处理器仅售几美元，利润率微薄，英特尔“高研发、高毛利相互驱动”的商业模式无法维持，布局移动芯片缺乏核心利益驱动，导致低功耗、低单价的Atom处理器在技术工艺上始终比最先进的Core处理器落后一两代。此外，移动SoC市场公司之间的合作模式也不适合Intel，为了节省制造成本和降低功耗，移动SoC经常需要将多厂商IP块集成到一片上，这对英特尔架构授权模式提出严峻的挑战。而ARM设计和生产是分离的，设计的IP块可以单独授权给各厂商自行定制整合，制造采用比较成熟的生产线，成本低、可选厂家多。种种原因使得英特尔X86在移动芯片市场彻底失利，以至于近两年不得不通过加大资金补贴和技术支持力度来维系客户、拓展市场。从2013年至今，英特尔在移动芯片市场累计亏损近70亿美金，对大陆白牌X86平板补贴金额高达50美元/台，预计2014年英特尔在平板电脑芯片市场出货4000万片，占据20%的份额。

　　X86面向新兴市场扭转业务模式，支持个性化设计和第三方集成。夸克处理器主要面向智能手表、智能家居等小型可穿戴和智能物联设备，其尺寸、功耗分别是凌动的1/5和1/10，该产品使英特尔的触角得以延伸，进入物联网、可穿戴等细分市场。此外，英特尔还推出Edison平台，基于高集成度全功能设计降低开发难度，配备双核Quark SOC芯片，并集成闪存、蓝牙模块、WiFi模块，支持各种可扩展的I/O。商业模式方面，夸克也逐步实施开放战略，通过个性化设计和定制化服务满足电子产品差异化发展。首先是设计从被动选择到自主合成，以凌动处理器为例，只能使用选定的图形处理单元和片上系统元件，增加额外功能则需增加单独的芯片；而夸克芯片则允许客户集成自己的功能模块，如整机和系统商可在芯片中增加加强通讯方面指令模块等。其次是制造从垂直集成到第三方代工，夸克选用32nm成熟工艺设计，打破以往设计制造一体化模式，允许客户自主选择第三方代工。

　　三. 发展建议

　　综合考虑三种移动芯片架构特点及发展趋势，我国应通过技术撬动提升国内芯片设计与制造技术水平，扩大新兴产业领域的应用规模。一是紧密跟踪ARM技术架构发展演进，确保移动AP芯片设计技术与国际厂商同步；同时加强对芯片内核技术的研发支持，鼓励国内厂商基于ARMv8指令集开发自主芯片架构。二是加强与英特尔的合作，充分发挥我国广阔的市场优势和英特尔先进的芯片制造技术，通过联合研发、共同制造提升国内芯片设计工艺，促进制造水平同步提升。三是加强对可穿戴等新兴产业领域的跟踪研究，依托ARM\MIPS\X86在各细分领域的优势地位，加大国内芯片企业在泛智能终端专用芯片市场的技术布局力度，带动国内新兴芯片、终端技术产品发展成熟。

　　作者简介：

　　黄伟，就职于中国信息通信研究所规划设计所，硕士研究生，主要研究领域为移动智能终端、移动芯片、移动应用、智能管道与流量经营、移动通信核心网等，多次参与国家“新一代宽带无线移动通信”重大专项研究工作。

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