从Intel和ARM双雄争霸读懂芯片的前世今生

　　这几天中兴事件持续发酵以来，各种议论纷纷扰扰。

　　上周，新智元推送了《中国芯“逃兵”：缺芯是因为缺钱;中国芯“老炮”：芯片救国靠BAT不是开玩笑》一文，引起了无数从业者热议。

　　有十余年芯片从业经验的水木网友torvaldsing告诉新智元，这几天对他触动最大的，还是碧树西风写的这句话：

　　一碗牛肉面，真的要用牛肉，真的要用面，真的要炖很久，这么简单的道理，偌大一个国家，这么多精英，过去这么多年了，咋就不能懂呢?

　　因此，torvaldsing投书新智元，尝试谈一谈x86生态系统和ARM生态系统的艰难发展历程和残酷的市场竞争，向大家介绍一下做CPU的各种困难，以及眼下能看到的一线希望。

　　以下是torvaldsing的雄文：

　　我尽量写得轻松一些，因为其实这个话题很有趣，仔细探究起来，很多看似爆炸性的新闻，其实草蛇灰线伏脉千里，在很早之前就发端了，这其中的故事，真的像演义小说一样好玩。

　　本文会罗列很多的往事和参考资料，保证有诚意。一些地方没忍住加上了一些三脚猫的分析，欢迎拍砖打脸。

　　x86生态系统

　　如今Intel在服务器市场占有率近乎100%，在桌面市场也大于80%，再加上Intel一贯重视宣传，在普通大众的心目中，Intel就是芯片的代称，甚至是高科技的代称。但Intel并非生而如此，它的牛X千真万确是熬出来的，是在列强环伺的竞争环境中杀出来的。

　　称王

　　七十年代，在搭上IBM PC这趟快车之前，Intel的8位处理器已经很成功，但也有很多竞争者，Zilog是其中翘楚，它研发的Z80系列产品和Intel的8080兼容，性价比高。一直到90年代，中国很多大学的微机实验课，还在用Zilog的板子。当时还有一款处理器风头不逊于8080系列，即MOS公司的6502。后来MOS把6502的ISA(指令集架构)授权给了众多厂商，流传甚广。70年代苹果创立之初的Apple-I和Apple-II，80年代任天堂的红白机，90年代初的小霸王学习机，90年代末的文曲星，都使用了6502系列的CPU。

　　IBM PC给了Intel和微软大发展的机会。但它俩必须面对竞争。IBM PC是IBM主导下的一个开放标准，各个零部件都是可以替换的。所以才有了“兼容机”的概念，和延续至今的装机市场。当时IBM要求Intel必须把x86指令集授权给其它厂商，避免CPU供应商一家独大。(详细的x86兼容处理器生产厂家列表见https：//en.wikipedia.org/wiki/List_of_x86_manufacturers)IBM自己也有生成x86兼容CPU的权力。同时，为了限制微软的MS-DOS，IBM自己也做DOS操作系统，名为PC-DOS。

　　在IBM PC阵营内部，Intel面对其它CPU供应商的竞争，在阵营外部，还要和苹果的Macintosh电脑竞争。当时苹果已经换用Motorola 68000系列CPU，性能强劲，图形界面诱人。当时用Mac的人，逼格要高于用IBM PC的人。

　　Intel顶着阵营内外的竞争压力，苦心孤诣地发展壮大。这时候潜在的威胁在慢慢酝酿。从1981年的RISC-I开始，精简指令集(RISC)逐步流行起来，诞生了一系列RISC风格的CPU：1985年MIPS公司推出第一款商用的RISC芯片，HP公司在1986年推出PA-RISC，SUN公司在1987年推出SPARC，Motorola在1988年推出MC88000。当时大家普遍认为RISC优于以x86为代表的CISC风格CPU，就连Intel和AMD也害怕在RISC潮流中落伍，AMD在1987年推出了AM29000，Intel在1988年推出了i860/i960。

　　开始时RISC似乎并没有威胁到桌面市场，MIPS、PA-RISC、SPARC全是用来做服务器和工作站的。被苹果流放的乔布斯用MC88000系列CPU做NeXT桌面电脑，铩羽而归。1986年，英国的Acorn公司推出了一款名为ARM的RISC处理器，次年，它还配了个操作系统叫RISC OS，强攻桌面市场，可惜最终只在英国掀起来了一些波澜。

　　1991年，RISC阵营实实在在地杀入桌面市场。这一年，IBM看到在PC阵营里，Intel和微软这两个小弟坐大，慢慢不受自己的控制，索性拉拢Apple和在RISC市场不得志的Motorola，推出了PowerPC架构，由IBM和Motorola生产芯片，Apple做操作系统和整机，推出全新的Power Macintosh电脑。这三家组成了AIM(Apple-IBM-Motorola)联盟，气势汹汹地向Wintel联盟发起攻击。

　　结果是Wintel赢了，个中原因众说纷纭。有人说Wintel保持对已有软件的向下兼容，而Apple频繁更换底层的CPU，导致的不兼容气走了用户，然后由此强调软件生态的重要。我则以为，历史的发展有一定的偶然性，如果当时Wintel不是比尔盖茨和格鲁夫在掌舵，而Apple是乔布斯在掌舵，可能结局完全不同。2005年，乔布斯掌舵下的苹果，把Mac里面的CPU由PowerPC换成Intel的芯片，就完成得干脆利落，没怎么受到软件生态的牵绊。

　　总之，在80年代，大家就已经深深懂得CPU的ISA是软件生态系统的根基，不愿让这个“生态之根”被别人控制。整机和系统的制造商，通过强制CPU厂商给其它厂商授权自己的ISA，来保证有第二家甚至更多的供应商。如果不慎“生态之根”被别人控制了，例如IBM被Wintel篡了权，甚至不惜另起炉灶来竞争。

　　同样是把自己的指令集授权给其它厂商，Intel把几乎所有的其它供应商都挤死了，只省下AMD苟延残喘;MOS则销声匿迹了，完全靠其它生产商把6502系列延续到了二十一世纪。造成这一差异的原因纵有千万条，我想“打铁还需自身硬”是最根本的。

　　霸业

　　在桌面市场上，Windows 95和Windows 98这两款操作系统，让Wintel联盟登上了霸业的顶端。从1995年到2003年，Intel看起来简直是不可战胜的。

　　与此同时，Intel还把几乎所有的RISC架构的CPU都干趴下了，占领了服务器市场。原因大概有这么几点。

　　第一，从技术角度讲，RISC是一种设计CPU的理念，而不是具体的某一种ISA。像x86这样的复杂指令集，其实在实现过程中，也能借重RISC的理念。1989年的80486，已经隐隐地可以看到RISC风格的流水线，1995年的Pentium Pro，其核心已经是一个乱序执行的RISC了，只不过多了一个复杂的译码逻辑，把x86指令拆分成RISC风格的微操作。因此从技术角度讲，RISC指令集未必比x86有优势。

　　第二，RISC成也UNIX，败也UNIX。UNIX和C语言树立了很好的软件开发传统，确保同一套代码可以很方便地在不同CPU之间移植。80年代，一大堆RISC架构的CPU，都可以很快配上自己的UNIX，很快把已有的C语言编写的应用跑在CPU上，然后就可以卖了。SUN公司的SPARC配有Solaris，HP公司的PA-RISC配有HP-UX，IBM公司的PowerPC配有AIX。

　　这些林林总总的UNIX变体，反过来又进一步促使UNIX生态系统中软件开发人员重视代码的可移植性，大家都很小心地围绕POSIX标准来编程，避免过分依赖于某个操作系统独有的功能。这样，一旦Intel芯片携Linux(一种开源的UNIX变体)来和RISC架构的工作站竞争，软件应用就纷纷以很小的移植难度，离开了昂贵的专有UNIX工作站。

　　第三，当时PC市场比服务器市场大得多，Intel在PC市场的盈利帮助它研发更好的服务器芯片，巨大的出货量降低了芯片的制造成本。研发优势和成本优势，奠定了Intel最终胜利的基础。

　　这段时间，Intel还几次面临挑战，每次都成功保卫了自己对于生态系统的掌控权。

　　第一个挑战，来自Internet浏览器。Netscape Navigator诞生后，对微软和Intel都是挑战。虽然当时的动态网页还非常初级，但是已经有人喊出“Web is the computer”的概念。等到Java Applet出现之后，大家更是觉得可以在网页上实现桌面应用的效果，未来只需一个浏览器，就能取代桌面。Netscape的Marc Andreessen在1995年，就着手把Netscape浏览器打造成一个Internet OS。以那个时代的软硬件水平，毫无疑问地，这些尝试失败了。

　　用一个高层次的软件API，兜住所有的上层应用，然后让底层的硬件，都来支持这个API——这个主意不单单在技术上看起来很炫，从商业上，这是上层应用厂商消解底层平台厂商生态霸权的终极武器。因此，在那之后的二十年里，商业上的尝试一直在持续，包括：

　　1. 腾讯开发的WebQQ和Q+，在网页里面提供一个类似Windows桌面的应用场景，后来失败了，回退到功能单一的SmartQQ。个中原因，我个人认为还是那个时代的PC性能不够。

　　2. 腾讯开发的微信小程序，在微信里面通过HTML5和Javascript实现手机App的功能，可以横跨iOS和Android。

　　3. 谷歌推出ChromeOS和ChromeBook笔记本，里面跑的应用，全都是基于HTML5和Javascript的。

　　我个人认为，微信小程序几乎一定会成功，它一旦成功，腾讯必然会重燃在PC平台上做Q+的野心。Intel在桌面的霸权，最大的威胁不是AMD，也不是ARM，而很可能是HTML5+Javascript，熟悉“降维打击”的人，对此不会感到意外吧。

　　第二个挑战，来自虚拟机(Virtual Machine)和JIT(Just-in-time)编译器。先锋是Java的虚拟机JVM，后来微软也推出了DotNet虚拟机，支持C#等语言。虚拟机有一套虚拟的指令集，源代码先被编译到这个虚拟的指令集上，在程序运行时，JIT编译器再把这套虚拟指令集编译为CPU的原生指令集。面向虚拟机开发的程序，例如Java Applet，可以在不同的CPU和操作系统平台上运行。