RISC进击PC芯片：苹果的分量

Mercury Research数据显示，2022年第一季度基于Arm处理器的PC客户端市场份额达11.3 %，同比增加5.4%，主要驱动力来自苹果Mac电脑。M2芯片的问世，能否推动基于RISC架构的芯片加速渗透PC市场？


数据来源：Mercury Research


CISC与RISC的风云变幻

苹果联合创始人史蒂夫·乔布斯是一位不折不扣的完美主义者，不仅追求看得见的完美——比如漂亮简洁的外观和友好清晰的用户界面，也对“看不见”的完美一丝不苟——比如电路板上的元器件是否布局合理、排列整齐。处理器作为PC的核心元器件，自然不会逃过乔布斯的法眼。在处理器的选择上，苹果电脑曾在CISC和RISC阵营反复抉择，其背后也映射着两个指令集芯片阵营的起伏变化。

如今的CISC架构是X86的天下，也是英特尔和AMD的战场。但在20世纪80年代，与英特尔在CISC芯片展开竞争的是无线通信巨头摩托罗拉，后者的68000芯片系列拥有比英特尔同期的8086芯片更高的地址总线宽度，能够管理和使用更大容量的内存。虽然英特尔率先搭载到IBM PC这款具有划时代意义的产品上，但摩托罗拉在逐步降低68000芯片的生产成本后，也成功将这款芯片从多用户微型机、工作站等产品引入了PC市场，并被苹果的Lisa、Macintosh 128K等机型搭载。

20世纪80年代，精简指令集RISC的出现令计算机产业眼前一亮，并迅速催生了IBM Power、Arm、MIPS、SPARC等一系列基于RISC的芯片架构，一度形成了对CISC阵营顶梁柱英特尔X86的“围剿”局面。面对声势浩大的RISC，英特尔也小试牛刀，于1989年推出了RISC处理器i860（即80860），并在超算和工作站市场进行推广应用。但市场对于英特尔这款RISC处理器反响平平，英特尔也在20世纪90年代中期停止了该项目的开发，自此专注于CISC架构。

此时的苹果也对RISC抱有乐观的预期，并将其视为制衡Wintel联盟的机会。1991年，苹果与IBM、摩托罗拉组建了技术联盟AIM，目标是推出基于IBM Power的计算平台。同年，AIM推出了RISC指令集架构Power PC。从1994年到2005年，Power PC处理器一直是苹果电脑的主力芯片。

虽然RISC从出生起就备受期待，但RISC阵营各自为战、力量零散，而Wintel联盟已经能够以销量保障研发经费的持续投入，加上英特尔作为摩尔定律的提出者和一家包含设计、制造、封装的IDM公司，能够更有力、更稳定地推动芯片性能的迭代。

在这种趋势下，乔布斯心中的天平开始偏向英特尔芯片。2005年，苹果正式宣布与英特尔合作，从使用10年的PowerPC平台转向了英特尔平台。

这一段合作关系，持续了15年。在此期间，苹果基于Arm架构的A系列自研SoC在手机市场大获成功，与自研操作系统iOS形成了软硬件的一体化闭环，再次展现了苹果对于产品强烈的“控制欲”。2020年7月，英特尔在投资者电话会议上表示，7nm技术进度出现延迟。

在强烈的闭环导向和供应商进度不及预期等因素的催生下，苹果的自研细胞再度苏醒。2020年11月，苹果首款基于Arm架构的自研Mac芯片M1正式亮相，采用5nm制程，集成了160亿晶体管，并实现了业界领先的每瓦性能。

乔布斯孜孜不倦追求的硬件与软件完美闭环的Mac电脑，在此刻成为现实。


Arm凭生态优势回归PC市场

虽然RISC架构曾在与CISC争夺PC芯片市场的过程中铩羽而归，却在后PC时代崛起的嵌入式系统开疆拓土，全球超过95%的手机和平板电脑都采用了基于Arm架构的芯片。

Arm在移动市场的成功，既归功于主打适合移动设备的低功耗、高效能、小体积优势，也得益于开放的IP授权模式。IP是芯片设计进一步分工的产物，设计公司不必设计芯片的所有功能和细节，可以通过购买IP实现特定功能，从而缩短了设计周期。Arm的授权模式，一方面简化了芯片设计，另一方面也让Arm不直接参与芯片制造，避免了与芯片制造厂商竞争，进而能够与所有的芯片制造厂商做生意。

由于长期在移动芯片和物联网芯片耕耘，加上Arm所属的RISC阵营主打指令条目更少、指令长短固定的“精简”优势，业界对于Arm也形成了“功耗更优”的印象，并与X86的“性能更优”区别开来。苹果Mac转向Arm架构，不啻为对这种固定印象的一次“摇撼”。

可以说，Arm架构通过Mac重新在PC芯片市场占有份额，其核心是软硬件生态的优势。

在硬件方面，独立代工厂商的兴起，使制程不再是英特尔独有的护城河，芯片设计厂商可以通过台积电、三星加工出同等甚至更先进工艺的Arm芯片。

“英特尔曾经在工艺方面保持着对其他公司压倒性的代差优势，使X86芯片拥有很强的竞争优势。随着摩尔定律的发展，台积电等中立Foundry崛起，工艺级别不再是英特尔的独门秘器，CPU仅需比拼微架构水平，那么使用X86架构可以做出高性能的CPU Core，使用Arm架构亦可，理论上任何指令集架构都可以做出高性能的CPU Core。” 国内RISC-V CPU IP企业芯来科技创始人胡振波向《中国电子报》表示。

在软件方面，Arm与苹果都有着长期的积累。Arm在嵌入式操作系统长期耕耘，而苹果已经研发了iOS、watchOS、tvOS、macOS四款操作系统平台，对于软件生态的构建有着很深的理解。

“决定PC芯片能否成功的核心要素不在于做出多少主频、多少跑分的CPU芯片，而在于软件生态。X86在PC方面的生态无需论述——PC的软件生态就是基于X86架构衍进出来的。Arm在这一块也有着超过10年的耕耘，这个进程还在继续，而苹果自己的封闭软件生态优势是其他企业无可比拟和不可复制的。” 胡振波说。

苹果并不是唯一注重生态的RISC芯片玩家，高通在进军PC市场的初始阶段，就与Arm和微软联手构建“Windows on Arm”生态。2016年起，微软和高通联合推动Windows 10在基于Arm架构的高通骁龙芯片运行，并搭载到平板和笔记本电脑。2021年，高通推出首个5nm Windows PC计算平台骁龙8cx，面向5G商用背景下始终在线、始终连接的PC产品，打造超轻薄、无风扇的笔记本电脑。今年3月，三星推出的Windows笔记本电脑Galaxy Book Go 5G就采用了高通的 Snapdragon芯片。联想IdeaPad 5G也采用了骁龙处理器，并搭载Windows 10操作系统。


RISC-V尚需补强软件

另一个值得关注的后起之秀，是RISC阵营最年轻的架构——RISC-V。凭借精简、低功耗、模块化等技术优势，以及“开源”带来的开放性，RISC-V已然吸引了全世界IT企业的目光。英特尔、高通、英伟达、谷歌、恩智浦、三星、索尼、华为、阿里巴巴等国际国内企业都加入了RISC-V国际基金会。相比同属RISC阵营的Arm，RISC-V更加灵活，用户可以删除不需要的指令，也可以通过扩展接口实现灵活的功能定制。咨询机构德勤预测，RISC-V指令集市场规模在2023年将接近8亿美元，高于2021年的近4亿美元，预计到2024年将接近10亿美元。阿里巴巴自研的RISC-V芯片玄铁系列CPU，已累计出货25亿颗，应用于微控制器、工业控制、智能家电、智能电网、汽车电子等领域。

RISC-V在高性能市场的潜力，已经受到业界的热切关注。据媒体报道，RISC-V国际基金会CEO Calista Redmond表示，基于RISC-V处理器的笔记本电脑将在今年问世。英特尔与巴塞罗那超算中心还宣布，将投资4亿欧元开发基于 RISC-V、可用于构建zettascale 超级计算机的处理器。

对于RISC-V来说，向PC市场渗透不存在技术壁垒，但在操作系统、算法库等软件生态的构建上还需要“补课”。在PC芯片市场，前有在X86软件生态积累多年且拥有盟军微软的英特尔，后有在嵌入式操作系统培育多年并与苹果MacOS联手的Arm。相比之下，RISC-V在软件生态的底子要薄弱得多。

“目前设计和生产出高性能、高主频RISC-V CPU芯片的硬件技术前提已经具备，但在软件生态这一块还很早期。也就是说，RISC-V的PC芯片要实现产业化和商业化落地（不提达到x86，且先达到或超过现在Arm在PC方面的状态）还需要比较长的路程，预计不会比Arm走过的路程短。” 胡振波表示。