AMD、联发科二哥逆袭，苹果也来搅局：CPU大变局会有哪些变化？

过去20年间的绝大部分时间，PC CPU市场一直被x86架构主导，英特尔长期占据着这个市场一半以上的市占率。 Arm则几乎成了移动CPU的代名词，高通、联发科都是移动处理器市场的佼佼者。 不知是巧合还是必然，2020年和2021年的第三季度，行动CPU和桌上型CPU市场常年的老二，相继迎来了颠峰时刻。

市场研究机构Counterpoint报告指出，2020年Q3联发科首次以31%的市占率超越高通，成为全球最大的智能手机处理器供应商。 Mercury Research发布的2021年第三季度市场调查报告显示，AMD在全球x86 处理器市场的市占率达到了24.6%，是2006年创历史记录25.3%后的市占率第二高。

市占率变化背后，一定程度上表明了CPU性能到达颠峰，给多年的市场老二AMD追上的好时机。 但是，市场破坏者苹果M1 CPU横空出世，又刺激英特尔推出更有竞争力的12代酷睿CPU。

x86、Arm、RISC-V在嵌入式、桌面、高性能CPU市场的混战已经开启，技术挑战、产品策略、大国竞争的因素叠加下，CPU市场格局又会发生怎样的变化？

英特尔小步慢走，AMD借势飞奔

AMD近年来CPU市场的成功，得益于其Zen架构的成功，也借助了台积电先进制程。 英特尔恰好相反，先是没有提升CPU的动力，后又被自己打乱了产品节奏。

2016年时，AMD推出了Zen架构。 在AMD推出Zen架构之前，CPU的性能只有英特尔同级产品的1/3-1/2的水平，但是现在已经被逼近，除了显示出AMD的技术进步之外，另一种趋势是目前CPU性能可能已经接近了目前的顶点，而英特尔在这个顶点待了很多年，每年CPU的性能只有个位数提升。

这在业内是一个很普遍的观点，这一论断的基础是虽然半导体技术在持续演进，但7nm之后，先进制程带来的收益在递减，也就是单位面积晶体管密度增长不断放缓，对整体芯片性能的影响越来越小。 英特尔、高通牙膏厂的称号似乎也与这种观点相互印证。 这也是喊了多年的所谓「穆尔定律已死」。

但业内同时也有相反的观点认为，CPU的性能并没有达到天花板。

不是CPU的性能达到天花板，而是CPU的性能早已超过应用的需求，英特尔没有提升的动力。 「硬件性能的冗余已经存在很多年，关键的是要找到能够发挥这些性能的功能。」 专家表示。

虽然CPU的频率在2000年之后提升就明显放缓，但IPC（每个时脉中CPU执行的指令数）的提升基本保持线性增长，从这个角度看，CPU的性能并没有达到天花板。

英特尔之所以被业内称为牙膏厂，我认为关键的原因是其Tick-Tock（一代产品更新制程，一代产品更新架构）的节奏被打乱。 成也萧何败也萧何，作为IDM，英特尔自家技术对其发展起到了至关重要的作用，而如今英特尔先进制程的反复延期，大大影响其通过制程提升带来的性能的提升，另一方面对其架构升级也会带来影响。 制程和架构升级的节奏被打乱最后造成了比较大的影响。

英特尔的Tick-Tock恰好代表了CPU升级的两个关键维度——工艺和架构。

过去的20年间，摩尔定律持续有效，芯片性能的提升甚至可以只依靠晶体管的小型化，通过设计更多内核，依靠工艺技术带来的更多核心来提升CPU性能。 英特尔凭借着工艺的领先性，以及IDM的模式，在芯片市场独占鳌头。 但在AMD推出Zen架构的2016年，英特尔的10nm未能如期量产，并且延期了三年，产品节奏一步步被打乱。

英特尔犯错，送给了AMD巨大的机会。 藉着台积电先进的制程，配合Zen架构，AMD的CPU性能在几年间迅速赶上进步缓慢的英特尔，甚至实现了超越。

「AMD近几年之所以表现如此强劲，Jim Keller 2012年领导开发的Zen架构奠定了很好的基础，再加上采用小芯片技术以及台积电最先进的制程。」 一位前AMD高层表示。

Zen架构的持续迭代非常关键。 CPU的架构可以分为两个层次，一个是宏观的结构，比如常说的范纽曼架构。 「CPU主要结构这些年并没有太大改变，除非发生翻天覆地的变化，否则对CPU性能的影响不大，最终影响CPU性能的其实是微架构。」

（范纽曼型架构（英语：Von Neumann architecture），也称冯·纽曼模型（Von Neumann model）或普林斯顿架构（Princeton architecture），是一种将编程指令内存合并在一起的电脑设计概念架构。 ）

直观看，CPU中的运算单元数量和能力直接影响了CPU的性能，但实际并没有这么简单，有了运算单元之后，如何把运算单元的能力发挥出来，这就考验微架构的设计。

AMD已经证明，以先进制程为基础，结合优秀的微架构设计，可以带来显著的性能提升。 同样用这种方式让人眼前一亮的，还有苹果。

苹果搅局，刺激CPU性能跃升

当AMD通过性能的快速提升给英特尔带来压力之时，2020年11月横空出世的苹果M1处理器，其强大的性能和低功耗表现，成为了x86阵营英特尔和AMD共同的竞争对手，也让外界质疑同样采用Arm架构设计PC CPU的高通。

苹果M1的发布，让更多人意识到Arm也能设计出高性能芯片。 实际上，学术界早有定论，指令集对性能和功耗没有直接影响。 其实指令系统更多关系到的是软件生态，比如X86支撑Windows生态、ARM支撑Android生态。

之所以会有x86 CPU性能更高，Arm CPU功耗更有优势的认知，主要还是两者原本设计目标的不同。 x86把资源都用去提升性能，芯片性能高，功耗也高，但英特尔也有低功耗的芯片Atom。 Arm原来的目标是做低功耗处理器，现在也有许多高性能的Arm服务器CPU，性能高了，功耗也相应的提升。

也就是说，苹果用Arm架构设计出性能比英特尔高阶CPU更好的产品，指令集并非重要的困难，核心在于设计目标。 其中直接影响性能的微架构设计，是一个精细的工作，要是在一定边界内做取舍，包括快取的策略、替换算法、分支策略等等，苹果积累了多年的芯片设计经验，通过精细化调整优化CPU有明显优势。

除此之外，苹果更大的优势在于系统级优化，系统级优化能够带来几倍，甚至数量级的性能提升，这能比架构优化和工艺提升带来更显著的性能提升。

系统级优化一直都是提升CPU性能的重要方式，但这种方式最大的难点在于整个系统生态。 要实现系统级优化，就需要整个软硬件生态协同，从编译器到BISO，再到操作系统和应用层，才能实现很好的系统级优化。 苹果能把处理器优化的那么好，其封闭的生态也是一个重要的因素。

在苹果的搅局下，英特尔在2021年发布的12代酷睿处理器的性能也实现了飞跃的进化，不仅绝大部分性能都超越AMD，对比苹果M1也有优势。 资深CPU专家分析，这与英特尔新任CEO Pat Gelsinger有很大关系，在他上任很短的时间内，英特尔的技术和架构不可能发生太大的改变，他应该是重新找到了英特尔技术的节奏，能够迅速推出性能飞跃的产品。

接下来的后摩尔定律时代，架构和系统级优化成为了竞争的关键。 2017 年图灵奖的两位得主 John L. Hennessy 和 David A. Patterson在2019年发表了一篇长篇报告《A New Golden Age for Computer Architecture》，他们展望未来十年将是电脑体系架构领域的「新的黄金十年」。

从AMD CPU性能迅速接近英特尔，以及苹果M1处理器的推出，已经可以看到优秀的CPU微架构，以及微架构的精细优化能够带来的性能飞跃。

架构创新也是重要的方向。 CPU的性能提升遇到了技术瓶颈，这是因为范纽曼架构的储存-运算体系。 CPU的计算性能每年可以提升一倍，但内存的性能提升很慢。 业界在研究存储-运算一体，这种架构能够更好的发挥出CPU的性能，但这种架构何时能够商用还不清晰。

还可以看到，Chiplet（译作小芯片或芯粒）也是芯片业一个发展趋势，通过将不同功能的芯片，借助先进封装异构内建，实现性能的持续提升。

CPU大混战时代

苹果搅动的PC CPU市场竞争格局在发生变化，移动CPU市场苹果独领风骚，留下高通和联发科相互竞争。 不止于此，Arm架构的高性能处理器也开始与x86抢夺服务器CPU市场。 还有，开源RSC-V的兴起，又给CPU市场的竞争带来了更多的不确定性。

与x86阵营双雄的你追我赶情况不同，Arm行动CPU市场的高通、联发科最新的旗舰产品难分伯仲。 联发科称其最新旗舰产品天玑9000的多核CPU性能比骁龙8高20%。

在都是采用最先进的4nm制程的前提下，性能的差距主要是因为联发科设定了更高的主频性能。 联发科选择的台积电的制程也带来了一定的优势。

高通和联发科在手机旗舰处理器市场竞争的结果还不得而知。 但Arm分食x86服务器CPU市场的蛋糕已经开始。 当x86通用CPU不能满足科技巨头们的需求时，包括亚马逊、阿里在内的科技巨头们都利用Arm架构开始设计定制CPU，满足自身的业务需求。 而Ampere等公司也利用Arm架构设计高性能CPU，共同争夺x86 CPU市占率。

Arm与x86的竞争日益激烈之时，RISC-V也开始加入到了x86和Arm的竞争中，并且这个阵营的公司们都雄心勃勃。 RISC-V CPU已经在对生态要求不高的嵌入式市场取得成功，接下来，RISC-V CPU还将进军更高性能的移动和服务器CPU市场。

现在看来，RISC-V要在移动CPU和高性能CPU市场和Arm、x86竞争还有很长的路要走。

Arm在十年前推出Arm v8架构就开始将目标瞄向高性能处理器市场，经过十多年的发展，才有高性能CPU能进入服务器市场。 Arm在移动市场也有生态护城河，RISC-V要在强生态领域实现突破很难，还有很长的路要走，但在物联网、加速器等短生态领域还是很有机会。

有意思的是，众多Arm阵营的公司，比如代表者苹果、高通和联发科，都加入了RISC-V基金会，并且在开发RISC-V产品，这让Arm和RISC-V之间的竞争变得让人更加期待。

在CPU市场的大混战中，还有一个重要的变数。 随着国际形势的变化，发展芯片行业已经成为了国家战略，这让包括CPU在内的芯片行业的竞争已经不再是单纯的商业竞争。

技术会遇到瓶颈，市场的竞争会因为大国之间的竞争而变化，诸多的不确定因素，最终会让CPU市场呈现什么格局？ 恐怕暂时还无法得到结论。