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芯片架构的江湖往事

2024/1/30    来源:半导体行业观察    作者:李晨光      
关键字:EDA  芯片  
本文回溯了MIPS架构在其40年发展历程中,那些辉煌与低谷,以及后续几经转手、日渐式微,再到最终被迫退出架构竞争行列,投身RISC-V的“风雨历程”。
       近日,芯片设计厂商MIPS宣布,已聘请了知名RISC-V技术厂商SiFive的两名前高管,Drew Barbier担任公司产品副总裁,Brad Burgess 被任命为公司首席架构师,以推动其基于RISC-V指令集架构的eVocore系列内核IP的开发工作。

       两位专家在半导体IP和RISC-V领域拥有非常丰富的行业经验。鉴于此,MIPS首席执行官Sameer Wasson表示:“我对他们帮助公司推动IP创新和渗透新市场(RISC-V)的能力充满信心。”

       简而言之,就是MIPS挖了SiFive的墙角,旨在加强RISC-V的研发。

       对处理器架构了解的朋友应该知道,MIPS公司是MIPS指令集架构的创始者,历经40年的产业变迁和行业动荡之后,MIPS已经放弃了MIPS架构,转型为一家RISC-V CPU IP设计公司。

       作为知名的精简指令集(RISC)的推行者,MIPS的成立甚至比竞争对手ARM还早六年,更不用说后来者的RISC-V了,但眼看ARM和RISC-V在多个领域如鱼得水,应用规模也一再攀高。与之对比,MIPS的落寞让人有点费解。

       借此时机,我们一起来回溯一下,MIPS架构在其40年发展历程中,那些辉煌与低谷,以及后续几经转手、日渐式微,再到最终被迫退出架构竞争行列,投身RISC-V的“风雨历程”。

       以及,在芯片行业发展的历史长河中,还有哪些处理器架构曾受到过市场的追捧与青睐,最终又消散在历史滚滚向前的车辙中。

MIPS“风靡一时”

       回顾产业发展历程能看到,现代各种电器核心的微处理器起源于上个世纪Intel、德州仪器和Garrett AiResearch工业部三个公司的三个计划,推出的三个微处理器先锋则分别是Intel 4004、TMS 1000和CADC。

       自此,开启了风风火火的微处理器革命。

       在微处理器诞生早期,基本上都是不同厂商生产不同架构的芯片。虽然后来在IBM的“强迫”之下Intel将X86架构授权给其他几家厂商生产处理器,但当时的主流一直都是处理器厂商自主研发架构和设计甚至生产处理器的。

       这种境况一直维持到了1980年前后,直到精简指令集(RISC)的诞生。

       1980年IBM的801项目,可能是第一个使用精简指令集理念来设计的系统。

       跟Intel X86这种复杂指令集不同,设计了许多特性让代码编写更加便捷,但这些复杂特性需要几个指令周期才能实现,并且常常不被运行程序所采用。此外,处理器和主内存之间运行速度的差别也变得越来越大。

       在这些因素促使下,出现了一系列新技术,使处理器的指令得以流水执行,同时降低处理器访问内存的次数。精简指令集对指令数目和寻址方式都做了精简,使其实现更容易,指令并行执进程度更好,编译器的效率更高。

       这种相对新的指令集的面世促进了MIPS的诞生。

       在RISC流行起来之后,斯坦福大学教授Hennessy就带领团队研发出第一个MIPS架构处理器,这个项目就是MIPS的前身。

       1984年,Hennessy教授离开斯坦福大学创立MIPS。由此,精简指令集架构的领导者之一,MIPS架构登上历史舞台。

       在成立第二年,MIPS就推出了第一个处理器设计R2000。之后,MIPS陆续推出了多代非常成功的商用产品,比如销量超百万的R3000、销量过亿的R3000A。

       值得关注的是,MIPS甚至在1991年就推出了64bit的设计R4000。要知道其竞争对手ARM到了2012年才大范围推广64bit处理器设计。可见其在设计上的前瞻性。

       1992年,看好MIPS的SGI将其收购,并支撑MIPS在90年代继续推出了几代R系列处理器。这是MIPS公司的第一次易手,之后MIPS也进入了颠沛流离的模式。

       到2000年前后,MIPS32和MIPS64两套指令集的发布,标志了32位和64位MIPS CPU同时得到了越来越多的使用。

       MIPS处理器是八十年代中期RISC CPU设计的一大热点。Pace MIPS、IDT和东芝等半导体公司都采用MIPS的设计来制造芯片,其生产的芯片也被Sony和Nintendo的游戏机,Cisco的路由器和SGI超级计算机等终端设备采用,尤其是家用路由器市场,几乎是被MIPS绝对垄断。

       与X86相比,MIPS的授权费用较低,也就为除英特尔外的大多数芯片厂商所采用。除了费用较低,MIPS之所以近40年来得到追捧,还有以下两个原因:

       MIPS的架构授权不限制任何对MIPS架构的更改;

       MIPS属于精简指令结构,和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比,RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点,并可以应用更多先进的技术,开发更快的下一代处理器。

       虽然在主流市场的PC/服务器应用上没能超越X86,但也靠PlayStation、PlayStaion2和任天堂64这样的家用游戏机实现了上亿的CPU销量。

MIPS “江河日下”

       然而,水能载舟亦能覆舟。

       由于成本问题和授权模式的限制和弊端,MIPS无法与市面上的大公司抗衡,开始陷入研发困境。

       MIPS一开始就以Intel的X86位对标产品,因此其产品从面世开始就以高性能著称,使其在高清盒子、路由器等市场战功显赫。

       虽然产品拥有很不错的性能,但是由于对商业不够敏感,导致了MIPS的商业化进程迟迟落后。

       另外,相较其竞争对手ARM,从诞生开始就瞄准嵌入式低功耗领域,在这个领域默默耕耘了十数年,终于在21世纪迎来了自己的时代。而当时只聚焦中高端的MIPS则在功耗上没有太多优势,这极大限制了它的发展。

       而MIPS反应的缓慢再一次拖累了他们的转型。

       在ARM联合高通、苹果、联发科等公司面向智能手机市场做移动处理器芯片的时候,MIPS依然沉醉在高清盒子、打印机等小众产品市场,没有动力去自己革自己的命,结果被ARM革了命。

       后来智能手机市场的大爆发,让其错失了移动市场这个时代窗口,也正式敲响了MIPS“丧钟”。

       总之,MIPS的迟缓导致他们失去了最关键的十年。

       另外,业内人士还表示,授权模式也是MIPS失败的一大因素。

       MIPS和ARM都有IP授权和架构授权两种授权模式,但双方的思路差别很大。

       ARM的授权方式极具灵活性(多是IP授权,很少进行架构授权),并在价格上具备优势,这吸引了TI和LSI等公司的注意。同时,相对便宜的价格也吸引了更多人来玩ARM芯片,完善了ARM的工具链和生态,为ARM后来的爆发夯实了基础。

       与之相反的是,MIPS主要是架构授权(IP授权价格很贵),虽然这样更加开放,但它在未充分占领市场的前提下,这种授权模式导致客户各自为战,纷纷自行设计MIPS核心、添加指令、发布开发工具,碎片化严重,难以形成统一的生态。

       同时这也就失去了IP授权所具备的推出速度,软件高兼容的特点。硬件的落后,导致软件平台的落后,造成的恶性循环加速了MIPS的衰落。

       随后多年,MIPS在经过Imagination Technologies、Tallwood Venture Capital的几经转手之后,日渐式微。

       2012年底,MIPS被ARM和Imagination瓜分收购。

       对于ARM来说,MIPS的专利相当有价值,特别是64位和多线程相关的专利。因为ARM的64位架构跟MIPS 64位有70-80%的相似度,如果此时不参与收购,那么日后很可能陷入和MIPS专利长久的专利诉讼战,仅用3.5亿美元就解决这个潜在的隐患,ARM乐意之至。所以ARM收购了其接近500项专利。

       Imagination收购MIPS则是为了加强自身的CPU业务,并且看中了MIPS强大的产品集以及安卓架构的支持和对中国的授权。因此Imagination收购了MIPS公司实体和82项与MIPS处理器核心架构有关的核心专利。同时Intel作为Imagination的第一大股东,收购MIPS从侧面也可以牵制ARM的发展。

       收购MIPS后,Imagination结合旗下的PowerVR系列产品,打算将MIPS的运作模式效仿ARM。虽然MIPS在IoT上的市场份额仍然逊色于ARM,但在汽车、数据中心等市场寻得了不少机遇,比如Mobileye用的正是MIPS CPU。

       那几年,Imagination加快了推出MIPS处理器核心的步伐,尤其是支持硬件虚拟化、多线程和SIMD的Warrior系列。

       然而好景不长。2017年4月,Imagination宣布与其最大客户苹果中断合作关系,股价瞬间缩水,陷入艰难境地。彼时,“自身难保”的Imagination在为自己寻找买家的同时,也将MIPS以6500万美元的价格单独卖给了Tallwood Venture Capital,直到2018年被Wave Computing收购。

       被Wave Computing收购后,MIPS并没有因此走向更好的道路。

       此时,除了已经发展成熟的X86以外,几乎每个ISA都打算借助开源社区的力量来发展其生态,MIPS也不例外。

       2018年底,Wave Computing宣布发起MIPS Open Initiative,将在2019年第一季度发布最新的Core R6时开源,该项目的参与者可以免费试用32位与64位的MIPS ISA,而无需任何授权和专利费用。

       此举旨在加速MIPS指令集架构的普及,希望帮助已逐渐边缘化的MIPS指令集架构重回正轨。而彼时开源的RISC-V架构也开始逐步受到市场的热捧。

       MIPS开源的举措,在当时被认为既向ARM示威,又向RSIC-V宣战,更为即将开始的IoT时代做好准备。

       但选择开源就意味着要厚积薄发与时间为伴,比如Linux、RT-Thread、TiDB等成功的开源项目,都有长时间的社区人气积累与技术沉淀的加持,想要立竿见影的效果去急功近利的开源只能适得其反。

       然而,这一开源项目还没撑过一年,就随着公司CEO的调整无疾而终。2019年底,MIPS的短暂开源正式结束,此举也进一步打击了开发者对于MIPS的积极性。

       在这个过程中,MIPS与龙芯、上海芯联芯之间的纠葛,仿佛也成为了MIPS架构江河日下过程中的一段插曲,徒增一笔供世人揣摩和评判的谈资。

       开源项目宣布告终后不久,Wave Computing选择申请破产保护,进行资产重组。

       2021年,Wave Computing完成破产重组,并更名为MIPS,但“重生”后的MIPS宣布今后将不再设计MIPS 处理器,而是转向RISC-V处理器的开发。

MIPS能否谱写新篇章?

       曾经与X86、ARM三分天下的MIPS架构,几经辗转之后迎来了命运的终章,正式加入同属精简指令集的RISC-V阵营。

       据MIPS官网介绍,其正在基于MIPS ISA的创新基础上进行RISC-V设计。由于RISC-V ISA与前几代MIPS ISA之间有许多相似之处,因此可以为其新的eVocore系列产品带来数十年的开发经验。

       目前,MIPS已经推出了两款RISC-V CPU IP:面向高性能应用的eVocore P8700和面向高能效应用的eVocore I8500。

       MIPS表示打算借助全新的RISC-V IP进驻更加广阔的市场,包括汽车、机器学习、5G、数据中心、存储和高性能嵌入式等应用。

       据悉,Mobileye已经是P8700的客户。前不久,MIPS还与数据中心市场的一位未公开的客户签署了协议。据悉,该客户是“三家超大规模计算企业之一”。

       虽然尚不清楚有多少厂商会采用MIPS的RISC-V IP内核。但从MIPS乘着SiFive业务重组之际挖来对方两员大将,也反应出MIPS对于全力投入RISC-V的持续努力。

       MIPS对其开源行为曾表示,“如果这发生在两三年前,那么RISC-V永远不会诞生”。

       但倘若遵循假命题能推出任何命题的原则,“如果”二字则能推出任何结果。可世事哪有那么多如果,反观如今格局,RISC-V发展的顺风顺水,MIPS却早已改弦更张,就连十几年前收购MIPS的imagination,如今也一只脚踏进了RISC-V的阵营。

       如今,在新任CEO Sameer Wasson的带领下,其首要任务是讲述MIPS重生的故事,如何在RISC-V社区中实现差异化,以及它计划将业务重点放在哪里。

       这一次,如果MIPS能把握好RISC-V这根救命稻草,其未来或许仍有一席之地。

       但,你知道的,世事哪有那么多如果。

处理器架构,各领风骚数十年

       发生在MIPS身上的变化,预示着又一个处理器架构选择向命运低头。同样,作为最具有历史的处理器架构之一,MIPS见证了很多其他处理器架构的发生变化——看着X86称霸PC市场,ARM在移动市场崛起,RISC-V又作为新星受到行业青睐和追捧;但同样的,MIPS也见证了一些架构走向消亡。

       此前,半导体行业观察曾在《处理器架构消亡史》一文中曾提及,20世纪80年代前后诞生的处理器架构,不仅包括我们耳熟能详的X86、MIPS和ARM,SPARC、DEC Alpha、PA-RISC和其他一些产品也在同一时期出现,这些架构大部分都源于RISC体系,包括IBM所推出的Power架构也都是RISC体系中的一员。

       这些架构的到来,构建了出了处理器架构的摧残时代,也对当时的Intel造成了一定的压力,生怕动摇了自己X86的地位。

       如今的RISC ISA除了风头正盛的ARM和RISC-V以外,还能掀起一点水花的恐怕就只剩下IBM的Power了。

       PowerPC架构

       PowerPC是1991年,由Apple、IBM、Motorola组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。

       PowerPC架构是一种基于精简指令集 (RISC)的处理器架构,其设计注重性能、低功耗和可扩展性,采用了流水线执行、超标量执行和乱序执行等技术,以提高指令执行效率。PowerPC架构还支持多级缓存和高速总线,以加快数据传输和访问速度,旨在为个人电脑、工作站和服务器提供高性能和可扩展性。

       同时,PowerPC架构具有良好的跨平台兼容性,因为它的指令集是统一的,这意味着在不同的PowerPC处理器上编译的程序可以在各种PowerPC系统上运行,无需重新编译。这为软件开发者和用户带来了便利。

       得益于这些优良特性,PowerPC架构后来成为苹果Macintosh电脑的主要处理器架构,在苹果电脑上使用的时间从1994年一直持续到了2006年,之后苹果转向使用基于Intel X86架构的处理器

       有那么一段时间,PowerPC获得了巨大的成功。摩托罗拉68000系列芯片是Apple PC以及许多种类和数百万个嵌入式控制器的核心。除了苹果之外,索尼的PlayStation3、任天堂的Wii、Wii u、GameCube、微软的Xbox 360和3DO M2等都使用了PowerPC处理器。

       实际上,当苹果放弃PowerPC时,其实就数量而言,PowerPC并没有失去大量客户,但失去了最负盛名的客户。然后游戏机也放弃了PowerPC,而典型的嵌入式系统也放弃了。

       回顾在20世纪90年代和21世纪初,授权处理器IP可谓风靡一时,这是实现大规模采用的最可靠途径。其实从一开始,IBM就仿效了ARM、MIPS、SPARC等架构,走了PowerPC的授权路线。但是IBM的条款太过苛刻,PowerPC许可证比MIPS或ARM的许可证贵得多。

       PowerPC未能在市场普及很大的原因是开放不足以及IBM的高价授权费。智能手机时代后,PowerPC因成本问题逐渐被边缘化。

       虽然由于种种原因,Power架构在大家的视线中不再那么光芒四射,但是曾经与X86并驾齐驱的历史不可抹杀。目前也有包括国芯科技在内的厂商依然在使用该架构设计芯片。

       SPARC架构

       SPARC(可扩展处理器体系结构)是最初由Sun Microsystems开发的精简指令集计算(RISC)指令集体系结构(ISA)。它的设计在很大程度上受到早期RISC设计的影响,这些原始的RISC设计极简,包括尽可能少的功能或操作码,旨在以每个时钟周期几乎一条指令的速率执行指令。

       SPARC于1986年首次开发,并于1987年发布,是最成功的早期商业RISC系统之一。在其推出首款SPARC处理器产品后,SPARC就很快地占领了市场,并帮助公司突破了10亿美元营收的大关。

       到了1989年,采用了SPARC架构的处理器开始应用于高性能工作站及服务器上,基于该架构的开放性和RISC体系的特点很快让其成为了国际流行的架构。

       同一时间,为了扩大SPARC的影响力并作出进一步优化,“SPARC International”组织成立,包括摩托罗拉、东芝、富士通、Aeroflex Gaisle都参与其中。1995年,随着UltraSPARC I的推出,Sun在高端微处理器市场的领导地位得以进一步巩固。

       然而,在进入到新世纪后,新的应用崛起,使得PC已经不是处理器架构竞争的唯一战场。ARM架构凭借精简指令集的特点,杀入了移动市场,并逐渐成为了这个市场的霸主。

       而此时,英特尔的X86已经在过去数十载的发展中建立了强大的生态系统。因此,在没有把握新应用的到来,以及在英特尔抢占绝大多数市场的压力下,包括SPARC在内的很多处理器架构逐渐开始衰退。

       在互联网兴起的同时,不仅推动了移动市场的发展,也推动了服务器的需求,但也是在这个市场中,SPARC落了下风。根据Gartner数据显示,从2002年开始,Sun Microsystems的营收份额每况愈下,到了2007年正式被IBM反超。而RISC+UNIX的服务器市场也逐渐被Intel的X86+Linux/Windows拉下。

       SPARC因在服务器市场的失利,开始落寞。

       2010年,Oracle以74亿美元价格收购了SUN,连带着SPARC也归属了Oracle。2017年后,Oracle被爆SPARC部门进行裁员,逐渐地,Oracle也逐渐放弃了SPARC的开发。

       Alpha架构

       当年,在许多RISC架构兴起的同时,DEC也受到看这股RISC风潮的影响。

       于是,在1982年到1985年间,DEC将RISC划分为几个部分来分开研究。1985年,DEC负责RISC研究的负责人之一提出“协作RISC计划”,即将此前的项目就被合并为一个项目,并且更名为PRISM。

       在此期间,为了进一步顺利的将新架构打入市场,DEC开始思考是否需要生产新的计算机体系结构来替代其现有的VAX产品线,并最终于1988年结束了PRISM项目。

       此时,处理器架构开始向64位发展。向64位发展,也被当时很多厂商视为是可以改写市场格局的一个拐点。因此,DEC开始考虑使用类似于RISC的设计概念来设计新一代VAX CPU,以提高速度,同时扩展到完整的64位体系架构。

       于是,在1992年,Alpha架构应运而生。

       Alpha作为专为高端台式机,工作站和服务器设计的微处理器架构,这也使得他们成为首批实现64位体系架构的企业之一。

       如今来看,Alpha对于产业的贡献或许不在于有多少产品采用了这种架构,而是其在理论上为产业的发展提供了一种新思路。

       有人认为,Alpha,MIPS两种RISC架构都比较早的考虑了64位,并引入了很多超前的微架构设计概念,以至于影响了以后英特尔在微架构和超线程方面的发展,这些在英特尔处理器微架构设计隐约能看到Alpha架构的一些影子。

       SUN作为开源架构的代表,其凋亡令人惋惜,但DEC Alpha的消亡则是因为其生态太过封闭而造成的。

       据资料显示,DEC公司将所有和Alpha处理器相关的配件外设都自己生产,不过为桌面电脑开发的主板却不支持SMP,而当时几乎所有采用Alpha处理器的公司都会使用多处理器系统,因此DEC公司所推出的桌面机型很没竞争力。

       另外,Alpha处理器也一直不支持免费开源操作系统,这也成为了其败走的又一个原因。

       1998年,因为财务原因,DEC将Alpha架构与其大部分内容一起出售给了Compaq。但已经是英特尔客户的Compaq决定淘汰Alpha,转而采用即将推出的Itanium架构,并于2001年将所有Alpha知识产权出售给了英特尔。

       自此,Alpha的故事也画上了句号。

       PA-RISC架构

       除此之外,惠普公司推出的精简指令集架构PA-RISC也没逃得出被淘汰的命运。

       PA-RISC也是20世纪80年代中的一员,它首次出现于1986年2月26日,被应用于HP 3000 930系列以及HP 9000 840模式处理器之中。后来,这种架构被惠普公司与英特尔联合开发的Itanium架构所取代。

       然而,英特尔的Itanium也没能成为最后的赢家,这款于1999年被命名的64位架构,自从2017年之后就再也没有更新了,2019年英特尔发布通知称安腾9700处理器开始退役,2021年7月最后发货期,HPE的服务区将支持到2025年。

       随着纯血64位安腾处理器的停售,也意味着Itanium架构黯灭在历史当中。

       事实证明,在市场的发展过程中,没有哪一种处理器架构能够永远合适市场的需求。但从目前结果来看,RISC-V是其他RISC设计和一路上被遗忘的架构的霸主,成为其最后的归宿。

写在最后

       站在当前回望历史,从处理器的设计和能耗比来说,如果要说最经典的RISC处理器架构,那么非MIPS莫属,就连其竞争对手也不得不承认它的优雅,MIPS被作为处理器教科书的典范,在很多其他处理器中都能看到它的身影。

       但MIPS,包括SPARC、Alpha、PA-RISC等其他架构的历史故事,恰好证明了半导体市场的“风云莫测”,一个ISA如若不能站稳脚跟,跟上行业发展需求的话,很快就会被市场淘汰掉。

       从目前处理器架构市场来看,X86依旧屹立不倒,但对抗他的玩家却换了一批,这一轮与他竞争的是ARM和RISC-V两个阵营。从后两者的发展来看,近些年来,他们都在积极向PC市场做扩展。同时,在大数据时代的推动下,也都有意向服务器市场方向发展。

       但对于这一块市场来说,英特尔在该领域已经建立起了强大的优势,除了产品外,生态也是其能够固守城池的一个有利武器。

       然而,新兴市场总在持续发展,行业需求层出不穷,商业世界瞬息万变,这场处理器架构的淘汰赛似乎并没有结束。

       谁也别以为自己稳了。
责任编辑:魏蝶
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