CPU組成部分、分類、主流架構及產品研制環節介紹

CPU 是計算機的核心配件。

中央處理器 CPU（Central Processing Unit）作為 PC及服務器的大腦， 是計算機的運算和控制核心。CPU 與內部存儲器和輸入/輸出設備合稱 為電子計算機三大核心部件。CPU 的本質是一塊超大規模的集成電路， 主要功能是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。CPU 的內部 結構可分為控制單元，運算單元和存儲單元三大部分。據此，CPU 的工 作原理可以拆解為：控制單元根據指令，將存儲器中的數據發送至運算 單元，經運算單元處理后的數據再存儲在存儲單元中，最后交由應用程 序使用。根據馮諾依曼體系，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、執行指令階段、訪存取數階段和結果寫回階段。

指令集是 CPU 性能體現的重要標志。指令集一般被整合在操作系統內 核最底層的硬件抽象層中。指令集屬于計算機中硬件與軟件的接口，它 向操作系統定義了 CPU 的基本功能。指令集包括指令格式、尋址方式和 數據形式。一臺計算機的指令集反映了該計算機的全部功能，機器類型 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、內含豐富的指令集。

按照指令集，CPU 可劃分為復雜指令集（CISC，Complex Instruction Set Computer）和精簡指令集（RISC，Reduced Instruction Set Computer） 兩大類。其中，復雜指令集 CISC：由一條指令完成一個復雜的基本功能； 單條指令集功能強，指令類型豐富完善，編譯后指令數量較少，通用場 景下性能具有優勢。復雜指令集以 x86 架構為代表，主要用于桌面 PC 及服務器領域，配套軟硬件豐富完善。精簡指令集 RISC：由一條指令完 成一個基本動作，多條指令組合完成一個復雜的基本功能；譯碼效率高， 偏向低功耗領域優化。精簡指令集以 ARM 架構為代表，主要用于手機、 平板等移動終端，軟硬件生態逐步建設完善。

如今 CPU行業在全球形成了 Wintel和 AA兩大信息化生態體系，均由 美國主導。Wintel 體系即 “Windows+Intel” ，由 Windows 操作系統與 X86 指令集組成，其實質是 Microsoft 與 Intel 的商業聯盟。在硬件上， Wintel 通過捆綁銷售，掌控了對產業鏈下游生產商的控制權；而 Intel 作 為芯片 IDM 廠商，占據了市場話語權。在軟件上，Windows 平臺凝聚了 大批的開發者，使 Microsoft 能快速迭代出不同層次的應用軟件產品。

Wintel 體系在軟硬件市場上構建起強大的生態壁壘，在桌面及服務器 CPU 市場所向披靡。AA 體系即“Android+ARM” ，由 Android 操作系 統與 ARM 指令集組成。其中，谷歌公司負責安卓系統及其軟件生態的 搭建，ARM 公司負責 ARM 指令集的擴展更新、微結構設計和編譯器的 開發，并對 AA 體系下的公司出售授權。隨著 HTC、三星、華為等手機 終端企業的快速崛起，高度符合移動互聯網時代需要的 AA 體系逐漸占 領了移動終端市場。

目前，除了主流的 X86、ARM 架構外，還有 MIPS、POWER、RISCV 等架構，其余架構簡介如下：

MIPS 架構：由 MIPS 科技公司開發并授權，廣泛被使用在許多電 子產品、網絡設備、個人裝置與商業裝置上。最早的 MIPS 架構是 32 位，最新的版本已經變成 64 位。它包含大量的寄存器、指令數 和字符、可視的管道延時時隙，這些特性使 MIPS 架構能夠提供最 高的每平方毫米性能和當今 SoC 設計中最低的能耗。

POWER 架構：由 IBM 公司設計開發，具有高度通用、高性能等 特性，支持從嵌入式系統到超級計算機等平臺，在汽車、醫療設備、 軍事、航空航天等領域都有一席之地。可以說 Power 是適用于物聯 網、網絡和無線、工業和環境控制系統、個人計算、企業服務器以 及手持設備和移動設備等領域的一款 CPU 架構。

RISC-V 架構：RISC 系列指令集的第五代產品。2010 年，加州大 學伯克利分校的研究團隊設計出 RISC-V。雖然與 ARM 同屬于精簡 指令集架構，但 RISC-V 推出晚，沒有背負向后兼容的包袱，架構 短小精悍。目前 RISC-V 被認為最適合應用在 IoT 市場。因為 IoT 市場更為靈活，客戶需求相對多樣化，目前尚無任一架構統一市場， RISC-V 具有低功耗、低成本、靈活可擴展及安全可靠的特性。

X86 架構仍是主力，ARM 架構正奮起直追。X86 架構起步較早，生態 環境具有明顯優勢，目前 X86 架構占領了服務器、桌面和 PC 電腦市場 絕大部分份額。根據 IDC 統計，截至 2020 年，X86 架構服務器CPU 在全球服務器市場中銷售量占比超過 97%，處于顯著領先的地位。隨著 5G 的發展，移動終端正在快速取代傳統 PC 在終端市場中的地位。根據 IDC 數據，移動終端在全球終端（包括個人電腦、平板電腦和智能手機）出 貨量所占的比例已經由 2010 年的 44.7%上升到了 2018 年的 77.6%，預 計到 2023 年將超過 80%。而 ARM 架構占領了絕大多數移動終端，將對 X86 架構全球市場份額發起挑戰。

相比 X86 架構的高性能，ARM架構擁有低功耗的錯位優勢。X86 架構 的強項是設計超高性能的 PC 和服務器處理器。在移動設備行業，X86 架 構下的復雜指令集難以放入移動設備體積較小的處理器中。而為了保持 高性能，X86 架構處理器會使得移動設備溫度過高、耗電過快。例如， Intel i7 處理器平均發熱率為 45 瓦；基于 ARM 的片上系統發熱率最大 瞬間峰值約 3 瓦，功率是 Intel i7 處理器的 1/15。