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杂谈:芯片架构是什么?有什么用?

一、含义


是指计算机芯片的设计和组织结构,它决定了芯片上各个组件的布局、连接方式以及其运行和协作的方式。

不同的芯片架构可以用于不同类型的计算设备,如中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、系统芯片等。

二、分类


芯片架构的重要性在于它直接影响了芯片的性能、功耗、功能和适用领域。以下是一些常见的芯片架构及其用途:

1、x86架构

用途:主要用于个人计算机(PC)和服务器领域。

特点:广泛应用,兼容性好,由 Intel (英特尔)、AMD(超微

)等公司推动。

2、ARM架构

用途:主要用于移动设备(如智能手机、平板电脑)、嵌入式系统

和一些服务器领域。

特点:低功耗、高性能,适用于移动计算

和嵌入式系统。

3、GPU架构

用途:主要用于图形处理、科学计算和深度学习等领域。

特点:并行计算

强大,适用于处理大规模数据并加速复杂计算任务。

三、芯片通俗的解释


比如,我们要修一栋高楼。那芯片架构,就相当于这栋楼的施工蓝图,或者建筑标准。它规定了这栋楼的结构和各种建筑规格。像是每个楼层的面积、承重墙材料什么的。总之,这个标准定义了建筑这栋楼的基本标准。

行话来说,就是芯片架构定义了计算机的基本操作和能力。

总之,芯片架构的选择取决于具体的应用场景和需求。

不同的架构在性能、功耗、成本等方面有不同的权衡,因此在设计计算设备时需要根据具体需求选择合适的芯片架构。

“1979年那是一个春天,有一位老人在中国的南海边画了一个圈;神话般地崛起座座城,奇迹般聚起座座金山。”

芯片的架构也有异曲同工之妙,好的芯片架构可以带来点石成金的魔法。

芯片的架构就是如何在这方寸之间去建造一座微缩的宏伟城市,在城市中按照功能属性的不同,划分不同的区域,规划道路和配套设施。大到一个区域要建几层,每一层要放多少晶体管;小到晶体管怎么放,道路是大一点还是小一点;细到城市中的电要怎么配给、每条道路上的车辆该怎么走,都归芯片架构管。这样形成的图纸和文字说明就是架构。

架构为什么很重要

从A点到B点,在A和B很少联系、每次要运输的物资很少、A到B的道路也不拥堵,那么目前这样的设计是够用的。

如果A点和B点的联系比较频繁,A到B的道路很拥堵,显然拓宽一下A点到B点的道路、同时增加从A点到B点运输物资的频率是一个行之有效的办法。

如果A点和B点通过拓宽道路、增加运输物资的频率并不缓解A、B两点之间的压力,那么可以从A点直接修一条快速路到B点。

如果A、B点修建一条快速路还不能缓解A、B两点之间的压力,那么可以直接将B点移到A点旁边。这样快速路就可以撤掉了,同时减少了运输物资的时间和损耗。

假如A点的大小不能再改变了,但A点又希望提高整体的产能,怎么办呢?那就将A点从平房改造成很多层的高楼来容纳更多的晶体管,以此来提高产能。

这就是架构的魅力所在,架构其实也就是这样一点一滴的调整优化。架构能够优化芯片的内部结构,提升信号传输的效率,进而减少故障率、提升性能,降低功耗。

ARM在芯片领域所处的位置

在半导体行业有两种路子可以走。一种是从架构和芯片设计、生产等一条龙服务,完全靠自己,比如英特尔;另一种是只设计芯片,制造交给代工厂,比如:高通、苹果、华为、AMD等等。显然现在只设计芯片的公司要多得多,而搞一条龙服务,没有雄厚的资本、技术、人才储备是完全弄不明白的,更别说赚钱。

ARM它既不制造芯片,也不销售芯片,只设计自己的IP(核),包括指令集、微处理器、GPU、总线。谁想买就授权卖给谁,还会提供完整的开发工具集(如:编译器、debugger、SDK)。

很多设计芯片的公司只需要拿着ARM成熟的架构,稍微改改或增加一些独有的功能就可以发行属于自己的芯片,简直不要太爽。而ARM俨然成为了芯片领域的顶部玩家。

如今的ARM阵营已经覆盖了90%以上的消费电子,包括了手机、硬盘驱动器、数字电视/机顶盒、微控制器等等,并且已经开始挤压X86个人电脑、服务器的市场份额。

ARM的授权方式

第一种是架构/指令集层级授权,获得授权后可以对ARM架构进行大幅度改造,甚至可以对ARM指令集进行扩展或缩减(苹果、华为、高通就是属于这种授权)。第二种是内核层级授权,获得授权后可以以一个内核为基础添加其他模块。第三种是使用层级授权,获得授权后只能使用,不能魔改。客户选择了授权方式后,需要先向ARM支付一笔预付款才能拿到设计资料。当完成研发、制造并且正常出货后,ARM还会安装生产的数量收取权利金。

对于新创公司ARM降低了准入门槛,中、低阶芯片授权不需要缴纳“预付款”也能看到设计资料的细节,并从中评估并选择适合自己的授权方案,等芯片正式生产后再安装生产的数量收取费用。这一举措无疑是一招拦路虎,因为全球芯片的成长动能已经从过去的大型企业转型到中小型企业。

有了ARM成熟的IP方案,谁还愿意再去开发新的芯片架构呢?

不用ARM可以吗?

答案是可以的。除了ARM架构,还有x86、RISC-V等,x86的授权已经几乎处于封闭的形式,而RISC-V并不像ARM那么成熟。ARM拿来稍微改改就可以形成自己的核心竞争力,并不需要消耗很长的时间和大量的人力、财力。

当然也可以自己研发新的架构,但是这个难度可以想象。玩过1000个拼图的小伙伴可以说一下自己的感受,研发新的架构可比1000个拼图难无数倍。

设计一个可以容纳几十亿、几百亿晶体管的芯片架构,同时要做到高性能、低功能,对于一个大型公司而言都是一件非常困难的事情。能拿别人成熟架构, 稍微改改做到可用都是一件值得炫耀的事情,而能不能迎合市场又是另一件事情。

购买ARM授权既能节省芯片开发的时间、减少研发费用,又能在短时间内推出低功耗、高性能可以迎合市场的芯片。这就是很多人不得不使用ARM的原因。