了解芯片的四大主流架构

四大主流芯片架构，犹如科技领域的四大支柱，各自矗立于技术创新的巅峰。这四大架构——X86、ARM、RISC-V与MIPS，不仅是芯片设计的基石，更是推动信息技术进步的强大动力。

一、芯片架构是什么？

芯片架构是指对芯片的类别和属性的描述。架构一词还和语境有关，提到soc时，一般指嵌入式处理核心的类型。提到X86和ARM时，指的是指令集。

二、架构对芯片有什么作用？

芯片架构是芯片设计中的核心环节，对芯片的重要影响有：

1、芯片架构的设计直接决定了芯片能够执行什么样的功能、处理速度和效率；

2、不同的芯片架构在实现相同功能时，所需要的硬件复杂程度、制造成本、功耗等方面都有所不同；

3、芯片架构的设计也决定了芯片与外部组件之间的连接方式，包括通信接口、数据传输速度等。

三、主流的芯片架构有哪些？

目前，全球主流的芯片架构类型包括ARM架构、X86架构、MIPS架构、RISC-V架构。这些架构在性能、功耗、智能化等方面各有优势和特色，为各种应用场景提供了广阔的选择空间。

主流架构1：ARM架构

ARM架构ARM架构是一个32位精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。如今，ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例，使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从可携式装置到电脑外设甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有它的存在。

其架构图如下：

架构优势

①体积小、低功耗、低成本、高性能——主要应用于嵌入式系统设计领域，尤其适合移动通讯领域的需求。ARM被广泛应用在嵌入式系统中的最重要的原因：支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；②大量使用寄存器，指令执行速度更快；

③寻址方式灵活简单，执行效率高；

④Load_store结构：在RISC中，所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。而在RSIC中，CPU是可以直接对内存进行操作的。

主流架构2：X86架构

二、X86架构X86是微处理器执行的计算机语言指令集，指一个Intel通用计算机系列的标准编号缩写，也标识一套通用的计算机指令集合。1978年6月8日，Intel发布了新款16位微处理器8086，也同时开创了一个新时代：X86架构诞生了。X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU（i8086）专门开发的，美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU–i8088（i8086简化版）使用的也是X86指令。为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集。其PC架构如下图所示：

架构优势

①兼容性强：X86架构的兼容性极强，几乎所有基于X86架构的电脑都可以运行同样的指令，这使得X86架构的电脑在软件兼容性方面具有优势。

②性能稳定：X86架构的电脑在运行速度和稳定性方面表现较好，能够满足大部分用户的需求。

③广泛支持：X86架构的电脑得到了众多软件开发商的支持，拥有大量的软件资源，用户可以轻松找到适合自己需求的软件。

④成熟的生态系统：X86架构的电脑拥有成熟的生态系统，包括操作系统、应用软件、硬件驱动等，为用户提供了全方位的支持和服务。

主流架构3：MIPS架构

三、MIPS架构是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构，1981年出现，由MIPS科技公司开发并授权，它是基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用导入/存储（Load/Store）数据模型。经改进，这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。

架构优势

①支持64bit指令和操作

②有专门的除法器，可以执行除法指令

③MIPS的内核寄存器更多，功耗更低，更灵活

主流架构4：RISC-V架构

四、RISC-V架构是基于精简指令集计算（RISC）原理建立的开放指令集架构（ISA），RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V指令集完全开源，设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可。

RISC-V架构的起步相对较晚，但发展很快。可以根据具体场景选择适合指令集的指令集架构。基于RISC-V指令集架构可以设计服务器CPU，家用电器CPU，工控CPU和用在比指头小的传感器中的CPU。

架构优势

①开放性强：RISC-V是一个开放标准，任何人都可以自由使用和实现它，这使得RISC-V在开发者之间具有很高的互操作性，有助于推动计算机技术的发展。

②高度简洁和灵活：RISC-V指令集非常简洁，具有高度的可编程性和灵活性，这使得它容易学习、理解和实现。

③可扩展性强：RISC-V的指令集具有可扩展性，可以通过添加新的扩展指令集，从而实现更多的功能和性能提升。

④应用范围广：RISC-V适用于各种硬件和软件场景，有大量的开源实现和流片案例，得到了广泛的支持和应用。

这四大主流芯片架构，各有千秋、相辅相成，共同构成了当今信息技术世界的多彩画卷。它们不仅推动了芯片技术的不断进步，更为人类社会的数字化转型提供了坚实的支撑。

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那么，数字时代谈到科技，我们所有人的生活都离不开芯片。电脑、手机，乃至出行的汽车上，都装有大量芯片。只要有一个芯片无法正常工作，都会影响到我们的生活，轻则手机失灵，重则汽车失控……

在享受芯片便利的同时，我们有没有想过芯片为什么对数字时代如此重要？让我们一起了解一下吧~

芯片制造的“多层”思路

无数纳米级的电子元件在芯片上错落排布，是将每一个元件事先制好，再一个一个安放上去吗？

图源pixabay（上）；Searchmedia - Wikimedia Commons（下）

不是！我们可以换个角度看待这个问题，在纵向仔细观察，可以发现芯片是由一层层带有不同图案的片状结构纵向垒叠而成。如果我们将每一层事先制好，再纵向累加，二维结构能叠加成三维器件，最后形成功能丰富的芯片。

纵向观察芯片内部结构 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

现在我们的目标变成了如何制成有特定图案的片状结构。首先，我们要有能够用来印上电路图的片状材料，也就是我们常听说的硅晶圆，这是一种纯度极高的硅，经过加工后被切割成光滑、极薄的圆片。

硅晶圆 | 图源pixabay（左）；Searchmedia - Wikimedia Commons（右）

接着，我们就像木匠，需要找到称手的工具来雕刻图案，要制成内部结构复杂且极其微小的芯片，对加工工具的尺寸要求极高。

聪明的我们找到了光这把刻刀，正是由于光具有丰富的波长，我们可以利用短波长的光来实现极其精细的加工。

可见光的丰富波长（不可见光波长更丰富） | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

我们希望通过光学曝光将图纸上设计好的电路图案转移到硅晶圆上，但是光不能对硅材料产生影响，所以需要借助一个中间材料，也就是能直接和光相互作用的光刻胶。

旋涂在硅晶片上的光刻胶（靠旋转离心力均匀覆盖）| 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

要让光实现图案的信息的传递，可以利用将光完全挡住或完全通过的方式产生明暗图案。光通过带有电路图案的挡光板（掩模版），可以复制掩模版的图案信息，最后和硅晶圆表面上均匀覆盖的光刻胶相互作用后，硅晶圆上出现了我们需要的图案信息。

光刻成像曝光过程 | 图源Searchmedia - Wikimedia Commons

光刻胶是光刻成像的主要承载介质，分为正胶和负胶，曝光区域更容易在显影液中溶解的为正性光刻胶，曝光区域更不易在显影液中溶解的是负性光刻胶。

曝光过程的两种结果（正胶和负胶）|图源Searchmedia - Wikimedia Commons

假设使用的是正性光刻胶，当曝光过程结束后，显影液能够溶解暴露在光下的光刻胶，接着再用化学物质溶解裸露的硅晶圆，遗留在硅晶圆表面的光刻胶能起到保护硅晶圆的作用，这就是刻蚀过程。

现在我们完成了目标，获得了带有特定电路图案的硅晶圆。在这整个过程中，大致思路其实比较流畅，但芯片制造这项代表人类巅峰智慧的精密工程包含了无数严苛的要求。

芯片的应用

在先进的制造工艺下，多种芯片诞生了。有人总结，在21世纪，芯片可以分为三大类别。

逻辑芯片

第一种是逻辑芯片，用作我们电脑、手机，或者是网络服务器中的处理器。

记忆芯片

第二类是记忆芯片，经典例子包括英特尔（Intel）公司开发的DRAM芯片——在这款产品推出前，资料的储存依赖于磁芯：磁化的元件代表1，未磁化的元件代表0。而英特尔的做法是把晶体管和电容器组合起来，充电代表1，不充电代表0。和磁芯相比，新的储存工具原理接近，但一切都整合在芯片中，所以体积更小，出错率也更低。此类芯片能为电脑提供运行时的短期和长期记忆。

模拟芯片

第三类芯片则被叫做“模拟芯片”，处理模拟信号。

在这些芯片中，逻辑芯片可能更为人所熟知。 尽管英特尔公司开发出了最早的DRAM记忆芯片，但它却在和日本公司的竞争中节节败退。1980年，英特尔与IBM达成一项合作，为个人电脑制造中央处理器，即CPU。

随着IBM第一台个人电脑的问世，搭建在这台电脑中的英特尔的处理器成为了产业的“标配”，就好像微软的Windows系统成了大众更为熟悉的操作系统一样。这场豪赌也让英特尔从DRAM领域彻底抽身，重新崛起。

CPU的开发并不是一蹴而就。其实早在1971年，英特尔就造出了第一个微处理器（和CPU相比，只能处理单个特定的任务），整套设计流程的开发用了足足半年。当时这个微处理器只有上千个元件，使用的设计工具只有彩色铅笔和直尺，落后得像是中世纪的工匠。琳·康维（Lynn Conway）开发了一种程序，解决了芯片的自动化设计问题。利用这种程序，从来没设计过芯片的学生，都可以在短短时间里学会怎么设计具有功能的芯片。

上世纪八十年代末，英特尔开发出了486处理器，能在一块微小的硅芯片上放上120 万个微型元件，生成各种0和1。到了2010 年，最先进的微处理器芯片已经能承载10亿个晶体管。这种芯片的开发，离不开少数几家寡头公司开发的设计软件。

另一种逻辑芯片——图形处理器（GPU，俗称显卡） 在近年也愈发受人关注。在这一领域，英伟达（Nvidia）是重要玩家。在建立初期，该公司就相信3D图像是未来的发展方向，因此设计了能处理3D图形的GPU，并开发了一套相应的软件，告诉芯片应该如何工作。和英特尔的中央处理器“依次计算”的模式不同，GPU的优势在于能同时进行大量的简单运算。

谁也没有想到，在人工智能时代，GPU有了全新的使命。为了训练人工智能模型，科学家们需要用数据不断优化算法，让模型经过训练完成人类布置的任务，比如辨识猫狗，下围棋，或者和人类对话。此时，为了同一时间进行多次运算“并行处理”数据而开发出来的GPU有着得天独厚的优势，它也在人工智能时代焕发出了全新的生命。

而芯片的另一个重要应用是通信。 厄文·雅各布（Irwin Jacobs）看到芯片能处理一些复杂的算法，来编码海量信息，就和朋友们创立了高通公司（Qualcomm），进军通信领域。我们知道最早的移动电话又叫大哥大，像一块黑色的砖头。

随后，通信技术得到了飞速发展——2G技术可以传输图文，3G 技术可以打开网站，4G足以流畅观看视频，而5G则能提供更大的飞跃。 这里的每一个G，代表的都是“代”。可以看到，每一代无线技术，都让我们通过无线电波传递的信息呈指数上升。如今，我们在手机上看视频，稍稍有些卡顿就感到不耐烦。殊不知10多年前，我们还只能传文字短信。

高通参与了之后2G到后面其他手机技术的开发。利用依照摩尔定律不断进化的芯片，高通能通过无限的频谱，将更多的手机通话放到无垠的空间中。而为了升级5G网络，不仅需要在手机里放入新的芯片，也需要在基站中安装新的硬件。这些硬件和芯片凭借更强大的算力，能用无线的方法更快地传输资料。

内容来源：科普中国、大数据文摘、unsplash

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