CPU組成部分、分類、主流架構(gòu)及產(chǎn)品研制環(huán)節(jié)介紹

CPU 是計(jì)算機(jī)的核心配件。

中央處理器 CPU（Central Processing Unit）作為 PC及服務(wù)器的大腦， 是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制核心。CPU 與內(nèi)部存儲器和輸入/輸出設(shè)備合稱 為電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。CPU 的本質(zhì)是一塊超大規(guī)模的集成電路， 主要功能是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。CPU 的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)可分為控制單元，運(yùn)算單元和存儲單元三大部分。據(jù)此，CPU 的工 作原理可以拆解為：控制單元根據(jù)指令，將存儲器中的數(shù)據(jù)發(fā)送至運(yùn)算 單元，經(jīng)運(yùn)算單元處理后的數(shù)據(jù)再存儲在存儲單元中，最后交由應(yīng)用程 序使用。根據(jù)馮諾依曼體系，CPU 的工作流程又可分為五大階段：取指 令階段、指令譯碼階段、執(zhí)行指令階段、訪存取數(shù)階段和結(jié)果寫回階段。

指令集是 CPU 性能體現(xiàn)的重要標(biāo)志。指令集一般被整合在操作系統(tǒng)內(nèi) 核最底層的硬件抽象層中。指令集屬于計(jì)算機(jī)中硬件與軟件的接口，它 向操作系統(tǒng)定義了 CPU 的基本功能。指令集包括指令格式、尋址方式和 數(shù)據(jù)形式。一臺計(jì)算機(jī)的指令集反映了該計(jì)算機(jī)的全部功能，機(jī)器類型 不同，其指令集也不同，因而功能也不同。CPU 要有較好的性能，需要 具備功能齊全、通用性強(qiáng)、內(nèi)含豐富的指令集。

按照指令集，CPU 可劃分為復(fù)雜指令集（CISC，Complex Instruction Set Computer）和精簡指令集（RISC，Reduced Instruction Set Computer） 兩大類。其中，復(fù)雜指令集 CISC：由一條指令完成一個(gè)復(fù)雜的基本功能； 單條指令集功能強(qiáng)，指令類型豐富完善，編譯后指令數(shù)量較少，通用場 景下性能具有優(yōu)勢。復(fù)雜指令集以 x86 架構(gòu)為代表，主要用于桌面 PC 及服務(wù)器領(lǐng)域，配套軟硬件豐富完善。精簡指令集 RISC：由一條指令完 成一個(gè)基本動(dòng)作，多條指令組合完成一個(gè)復(fù)雜的基本功能；譯碼效率高， 偏向低功耗領(lǐng)域優(yōu)化。精簡指令集以 ARM 架構(gòu)為代表，主要用于手機(jī)、 平板等移動(dòng)終端，軟硬件生態(tài)逐步建設(shè)完善。

如今 CPU行業(yè)在全球形成了 Wintel和 AA兩大信息化生態(tài)體系，均由 美國主導(dǎo)。Wintel 體系即 “Windows+Intel” ，由 Windows 操作系統(tǒng)與 X86 指令集組成，其實(shí)質(zhì)是 Microsoft 與 Intel 的商業(yè)聯(lián)盟。在硬件上， Wintel 通過捆綁銷售，掌控了對產(chǎn)業(yè)鏈下游生產(chǎn)商的控制權(quán)；而 Intel 作 為芯片 IDM 廠商，占據(jù)了市場話語權(quán)。在軟件上，Windows 平臺凝聚了 大批的開發(fā)者，使 Microsoft 能快速迭代出不同層次的應(yīng)用軟件產(chǎn)品。

Wintel 體系在軟硬件市場上構(gòu)建起強(qiáng)大的生態(tài)壁壘，在桌面及服務(wù)器 CPU 市場所向披靡。AA 體系即“Android+ARM” ，由 Android 操作系 統(tǒng)與 ARM 指令集組成。其中，谷歌公司負(fù)責(zé)安卓系統(tǒng)及其軟件生態(tài)的 搭建，ARM 公司負(fù)責(zé) ARM 指令集的擴(kuò)展更新、微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和編譯器的 開發(fā)，并對 AA 體系下的公司出售授權(quán)。隨著 HTC、三星、華為等手機(jī) 終端企業(yè)的快速崛起，高度符合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代需要的 AA 體系逐漸占 領(lǐng)了移動(dòng)終端市場。

目前，除了主流的 X86、ARM 架構(gòu)外，還有 MIPS、POWER、RISCV 等架構(gòu)，其余架構(gòu)簡介如下：

MIPS 架構(gòu)：由 MIPS 科技公司開發(fā)并授權(quán)，廣泛被使用在許多電 子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個(gè)人裝置與商業(yè)裝置上。最早的 MIPS 架構(gòu)是 32 位，最新的版本已經(jīng)變成 64 位。它包含大量的寄存器、指令數(shù) 和字符、可視的管道延時(shí)時(shí)隙，這些特性使 MIPS 架構(gòu)能夠提供最 高的每平方毫米性能和當(dāng)今 SoC 設(shè)計(jì)中最低的能耗。

POWER 架構(gòu)：由 IBM 公司設(shè)計(jì)開發(fā)，具有高度通用、高性能等 特性，支持從嵌入式系統(tǒng)到超級計(jì)算機(jī)等平臺，在汽車、醫(yī)療設(shè)備、 軍事、航空航天等領(lǐng)域都有一席之地。可以說 Power 是適用于物聯(lián) 網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)和無線、工業(yè)和環(huán)境控制系統(tǒng)、個(gè)人計(jì)算、企業(yè)服務(wù)器以 及手持設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域的一款 CPU 架構(gòu)。

RISC-V 架構(gòu)：RISC 系列指令集的第五代產(chǎn)品。2010 年，加州大 學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出 RISC-V。雖然與 ARM 同屬于精簡 指令集架構(gòu)，但 RISC-V 推出晚，沒有背負(fù)向后兼容的包袱，架構(gòu) 短小精悍。目前 RISC-V 被認(rèn)為最適合應(yīng)用在 IoT 市場。因?yàn)?IoT 市場更為靈活，客戶需求相對多樣化，目前尚無任一架構(gòu)統(tǒng)一市場， RISC-V 具有低功耗、低成本、靈活可擴(kuò)展及安全可靠的特性。

X86 架構(gòu)仍是主力，ARM 架構(gòu)正奮起直追。X86 架構(gòu)起步較早，生態(tài) 環(huán)境具有明顯優(yōu)勢，目前 X86 架構(gòu)占領(lǐng)了服務(wù)器、桌面和 PC 電腦市場 絕大部分份額。根據(jù) IDC 統(tǒng)計(jì)，截至 2020 年，X86 架構(gòu)服務(wù)器CPU 在全球服務(wù)器市場中銷售量占比超過 97%，處于顯著領(lǐng)先的地位。隨著 5G 的發(fā)展，移動(dòng)終端正在快速取代傳統(tǒng) PC 在終端市場中的地位。根據(jù) IDC 數(shù)據(jù)，移動(dòng)終端在全球終端（包括個(gè)人電腦、平板電腦和智能手機(jī)）出 貨量所占的比例已經(jīng)由 2010 年的 44.7%上升到了 2018 年的 77.6%，預(yù) 計(jì)到 2023 年將超過 80%。而 ARM 架構(gòu)占領(lǐng)了絕大多數(shù)移動(dòng)終端，將對 X86 架構(gòu)全球市場份額發(fā)起挑戰(zhàn)。

相比 X86 架構(gòu)的高性能，ARM架構(gòu)擁有低功耗的錯(cuò)位優(yōu)勢。X86 架構(gòu) 的強(qiáng)項(xiàng)是設(shè)計(jì)超高性能的 PC 和服務(wù)器處理器。在移動(dòng)設(shè)備行業(yè)，X86 架 構(gòu)下的復(fù)雜指令集難以放入移動(dòng)設(shè)備體積較小的處理器中。而為了保持 高性能，X86 架構(gòu)處理器會使得移動(dòng)設(shè)備溫度過高、耗電過快。例如， Intel i7 處理器平均發(fā)熱率為 45 瓦；基于 ARM 的片上系統(tǒng)發(fā)熱率最大 瞬間峰值約 3 瓦，功率是 Intel i7 處理器的 1/15。