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CPU

CPU是計算機系統的核心和 大腦,主要由控制器、運算器、存儲器和連接總線構成。其中,控制器和運算器組成CPU的內核,內核從存儲器中提取數據,根據控制器中的指令集將數據解碼,通過運算器中的微架構(電路)進行運算得到結果,以某種格式將執行結果寫入存儲器。

CPU 按指令集的架構區分,分為 CISC復雜指令集和 RISC精簡指令集型兩類 。CISC 的設計者希望通過直接在硬件中構建復雜的指令從而使編程更方便、 程序運行速度更快,其架構中每個指令可執行若干低端操作,諸如從存儲器讀取、存儲、和計算操作,全部集于單一指令之中;與之相反, RISC 架構中只包含使用頻率高的少量簡單指令,并提供一些必要的指令以支持操作系統和高級語言 。

CISC陣營以 Intel、AMD的X86架構為代表,而RISC陣營則包括 ARM 、MIPS 、 Power PC 等架構。


1)從硬件角度來講, CISC處理的是不等長指令集,而 RISC 執行的是等長精簡指令集,在并行處理方面 RISC 明顯優于CISC 。由于RISC執行的是精簡指令集,相比CISC在硬件層面需要更少的晶體管,所以它的硬件制造工藝更簡單且成本更低廉。RISC型CPU 與CISC的CPU在軟件和硬件上都不兼容,這是由指令集的特性而決定的。

2)從性能角度來說, CISC 與 RISC 并無絕對的孰優孰劣之分 。但在發展過程中, CISC 陣營的Intel 和 AMD在提升芯片性能上做出了持續的努力,芯片的功耗被放在了性能后的第二位;而 RISC 本身出現時間較CISC晚十年左右(ARM誕生于1985年, X86誕生于1978年),ARM 、 MIPS 在創始初期缺乏與Intel產品對抗的實力,專注于以低功耗為前提的高性能芯片。

RISC 陣營的Power PC架構最初是為個人計算機產品而設計,但其出現時已是 1992 年,此時 Intel 旗下的 80386和 80486 占據了大部分 PC 市場。次年, Intel 赫赫有名的奔騰系列發布并助力 Intel 占領了絕大部分 PC 市場,這是第五代基于 CISC 的X86 架構微處理器, Intel 將其命名為“ Pentium ”。在整個 1990 年代中期, PowerPC 處理器均達到或超 過了最快的x86 CPU的基準測試成績。但由于PowerPC面向Windows、OS/2 和Sun的客戶都存在應用軟件極度缺乏的問題,所以最終并未在 PC 市場濺起水花。但其后 Apple 因為 PowerPC 處理器的更高性能,在 Macintosh 個人電腦系列使用了 PowerPC 處理器。2005 年,出于發熱量和能源消耗有關的考慮, Apple 宣布不再在其 Apple Macintosh 計算機中使用 PowerPC處理器,轉而支持 Intel 生產的處理器。此后 PowerPC 開始往超高性能服務器方向發展。


3)CISC 與 RISC 已 逐步走向融合,兩方處理器互相借鑒互相優化 。例如,Intel 公司的 Pentium Pro 種內含三個能夠把 x86 指令轉換成 118 位定長的 RISC 風格微操作的譯碼器。



4)整體來看,在移動芯片領域, ARM 架構的芯片占據了 90% 以上的市場份額,在 計算 CPU 市場上,英特爾 X86 處理器占據超過 90% 市場份額。MIPS和 Power 雖然已經不是主流,卻也有部分廠商仍在使用 。

5)國產CPU與X86產品尚存在差距主要體現在:1)專業人才 是技術和水平的承載體,國內專業人才數量少、 整體規模尚??;2 )硬實力包括軟硬件設計開發環境 EDA 等存在短板;3 )軟實力包括 CPU 的設計方法學、CPU 的設計流程與規范等存在差距。

關于國產CPU的發展現狀,中國自200 年開始啟動處理器設計項目,至今 將近 20 年,產生了以中科龍芯、天津飛騰、 海光信息、 上海申威、上海兆芯等為代表的國產 CPU并且產品的性能逐年提高,應用領域不斷擴展,使中國長期以來無“芯”可用的局面得到了極大扭轉,為構建安全、自主、可控的國產化計算平臺奠定了基礎。目前, 國產主要CPU廠家有六家。


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