CPU是现代电脑的核心
近年来，新闻都在讨论AMD是如何在x86领域超越Intel，Arm为首的RISC架构是不是真的要击败x86的CISC了呢？还有RISC-V会不会威胁到x86跟Arm呢？
但在讨论这些未来性问题前，我更好奇的是CPU发展的历史。究竟是哪些人发明了CPU？在我了解相关的历史后，我发现某种程度上，CPU被重新发明了好几次。
今天就让我们来聊聊CPU的进化史，一路从1970年第一颗CPU的发明，讲到今天x86、Arm、RISC-V三强鼎立的局面。那我们就开始吧。
1969年，一家名叫Busicom的日本公司请Intel帮忙设计一台桌上型计算器，需要由8块晶片组成。但当时Intel刚创业，正在研发3款不同的记忆体晶片，没有时间再设计这8块新的晶片。
当时Intel的第12号员工Marcian Hoff（Ted Hoff）想出了另一个解决办法：何不设计一块可以跑简易程序的晶片，用来满足客户原本8块晶片的功能需求？
仔细思考了几天后，Marcian Hoff画出了四块晶片的技术草稿：一块存放运算资料的记忆体、一个存放程序的只读记忆体、一个处理资料输入和输出的晶片，还有一个可以跑简单软件程序的中央处理器晶片。而这块中央处理器的代号是Intel 4004，这也是人类历史上第一颗CPU。我称它为CPU的第一次发明。
Marcian Hoff把他的想法报告给Busicom公司，但是Busicom质疑这个方案的可行性。于是Marcian Hoff只好再把这个点子跟Intel创办人兼CEO Robert Noyce说。Robert Noyce当时忙着思考DRAM的事情，但他的直觉认为Intel 4004可行，他鼓励Marcian Hoff尝试把它做出来。
Marcian Hoff跟另外两位工程师Federico Faggin、Stan Mazor在1971年1月一起完成了这一颗人类历史上第一颗CPU。但当时Intel的行销人员对Intel 4004十分悲观：当时整个世界只有2万台电脑，假设Intel有1/10的市占率，那一年也只需要2000块Intel 4004，完全不够研发成本。
但Marcian Hoff等人继续CPU的研发工作，他们在1972年发表了8位元的Intel 8008。而这一次，有更多人开始尝试在CPU上面写程序，包括在西雅图的两个高中生：Paul Allen和Bill Gates。
Intel开始意识到CPU有无限的前景。Intel在1973年再次推出了使用CMOS制程的CPU——Intel 8080，定价360美元，用来讽刺IBM 360昂贵的售价。不同于前面的产品，这块晶片很快获得市场接受，各种家用计算机开始采用Intel 8080，包括Altair 8800。
CPU的无限前景激起了工程师的创业梦，也吸引了各半导体公司进入这个市场。曾经参与过Intel 4004、8008、8080设计的Federico Faggin离职，创办了Zilog，推出Z80。Motorola也推出了6800。参与Motorola 6800设计的工程师又集体离职，创办MOS Technology，推出MOS 6502。当时的Apple I跟Apple II就是使用这一块晶片。
CPU市场的激烈竞争也激发了技术创新。Intel在1979年推出了首块具有Pipeline功能的CPU——Intel 8086，Zilog跟Motorola也推出了对应的Z8000跟68000。但这些半导体公司对CPU都还没有明确的市场定位，他们的行销人员会把CPU卖给游戏机公司、电脑公司和其他电子零件公司，个人电脑公司只是他们的其中几位客户而已。
1981年，IBM为了尽快推出个人电脑，决定采用Intel 8088。IBM PC的爆红也让Intel意识到，个人电脑才是CPU最重要的战场，必须全力投入研发跟技术支持。
1982年，Intel推出了完全兼容8086的新版CPU——80286。市场上开始出现大量利用8086跟80286生产的IBM PC兼容机，这些晶片的指令集也开始被称为x86。
1985年，Intel推出了32位元的80386。在PC进化史中，80386的出现意味着个人电脑的技术主导地位从IBM转移到Intel。1989年Intel再次推出热销的80486，让Intel摆脱日本半导体公司在DRAM的竞争，重登世界半导体销售冠军的宝座。
为了对抗Intel，Motorola也接连推出68010跟68020，Apple Macintosh就是使用68020作为它的CPU。
CPU的火爆也引起了学术界的研究。当时的CPU设计有一个问题，就是它们的指令长度不一，这导致了Pipeline电路很难实现。于是UC Berkeley的David Patterson跟Stanford的John Hennessy在1981年提出RISC（精简指令集）的概念。他们主张CPU的指令集必须长度一致，任何复杂的功能都必须用这些简单、长度固定的指令来完成，这样可以最大化利用CPU的电路。而其他长度不一的指令集CPU，包括Intel 8086跟Motorola 68000，则被称为CISC。
David Patterson跟John Hennessy预言，随着CPU功能越来越复杂，CISC CPU将会因为Pipeline难以设计，最终在效能上输给RISC CPU。他们也把RISC的理念写成了经典的Computer Architecture教科书。在这里我把RISC CPU称为CPU的第二次发明。
John Hennessy还创办了MIPS公司，专门研发RISC CPU，也是最早的无厂半导体IC设计公司之一，委托Toshiba、LSI Logic等公司帮忙制造晶片。他们在1985年后分别推出R2000、R3000、R4000，被大量用在SGI跟DEC的工作站电脑。
MIPS的成功吸引了当时专门制作工作站电脑的Sun Microsystems。原本Sun的工作站使用Motorola 68000，看到RISC的好处后，他们开始向David Patterson咨询CPU设计，并在1987年发布自己的SPARC RISC CPU，取代Motorola 68000系列。他们决定让SPARC RISC CPU的指令集开放授权，所有人只要付授权费就可以利用SPARC指令集。很快地，SPARC CPU成为工作站、服务器电脑市占率最大的指令集架构。
看到同为工作站竞争对手的Sun Microsystems赚得风生水起，HP跟DEC也坐不住了，他们分别在1986年推出PA-RISC架构、1992年推出Alpha RISC架构。
就这样，Intel为首的CISC占领了个人电脑市场，RISC CPU争霸了工作站、服务器市场。而在个人电脑领域受挫的IBM、Apple、Motorola也决定在1991年投入RISC阵营，联合推出PowerPC RISC CPU架构，试图联合击败Intel。
面对RISC阵营的强势来袭，Intel当然不会坐视不管。Intel曾经在1988年推出自家RISC的i960，但是由于不兼容x86指令集，市场反应不佳。x86指令集的巨大成功，这时反而变成Intel不能转向RISC的包袱。
没有退路的Intel只能选择在自己的x86 CISC指令集上狂飙，靠着更先进的CPU技术、半导体制程技术，加上个人电脑PC庞大的市场资金，应该可以与RISC抗衡——应该吧……
1993年，Intel将自己的CPU命名为Pentium，并首次采用SuperScalar技术，又在1997年的Pentium II使用了SIMD的MMX技术。制程技术也从Pentium的0.35微米一路进步到2001年的0.18微米。
1995年，研发出微指令（Micro-Ops）技术的Pentium Pro在性能上有赶超同时期RISC CPU的趋势。虽然还是CISC架构，但是Micro-Ops可以在硬件层面把CISC指令转成RISC指令。从此人们发现原来CISC的效能也可以做得跟RISC一样好。
反观RISC阵营，MIPS、SPARC、PA-RISC、Alpha、PowerPC瓜分了本来就为数不多的工作站电脑市占率，在资金收集和研发投入上都远远落后于Intel。1995年后，越来越多工作站电脑改采用Intel Pentium Pro。Intel的x86 CISC架构即将 在CPU市场上获得全方位的胜利。
Intel也决定在2001年推出目标市场在高效能服务器的64位元Itanium CPU，准备亲手将RISC送进墓碑。但事情会这么顺利吗？
Itanium是一款独特的EPIC架构的CPU，目标是取代原本自家的x86架构。虽然Intel的x86架构大获成功，但是依照处理器设计的哲学，大家都知道RISC是更好的设计。Intel只是依靠着更强的半导体制程技术跟更多研发资金，来延迟x86架构的死亡时间点。
于是Intel便想趁着这一次64位元升级，逼迫使用者更换全新的EPIC指令集。殊不知，软件商根本不买单，大家疯狂抱怨要重新编译程序很麻烦。而且EPIC仰赖Compiler将软件转成VLIW风格的指令，但事实证明，即使是当时最好的Compiler也很难产生高效率的VLIW程序。这使得Itanium的实际表现往往不如预期。
就在大家抱怨连连时，AMD跳了出来，说大家可以尝试我们的AMD64——一款兼容原本x86指令集的64位元CPU架构。等等，x86不是Intel发明的吗？怎么突然有其他公司也可以开发x86 CPU呢？
其实当年IBM要给Intel CPU订单时，担心单一供应链有一天会被Intel把持住，所以当时要求Intel再找另一家半导体公司授权他的技术，让他可以成为x86 CPU的第二供应商。当时Intel CEO Robert Noyce看上了同样是仙童半导体出来的AMD。AMD的创办人Jerry Sanders是销售出身的，Robert Noyce认为AMD在技术领域威胁不了Intel。
因为这层关系，AMD默默地在Intel的授权下慢慢成长。虽然技术跟市场占有率完全无法跟Intel相比，但x86 CPU第二供应商的宝座也够AMD活好一阵子了。
但在1996年，推出媲美RISC效能的Micro-Ops后，Intel拒绝把相关技术透露给AMD。为了维持市场地位，AMD开始自主研发微架构。他们找到了原本在DEC开发Alpha CPU的Jim Keller。1999年AMD推出了K7 Athlon，早于Intel率先进入1GHz时代。
除了AMD外，同时期还有非常多的半导体公司惦记着x86庞大的市场，包括联电、Cyrix、Centaur、RISE、Transmeta，都试图自行设计x86 CPU。但这些公司统一都受到了Intel的官司铁拳伺候。因为没有Intel的官方授权，Intel会花大量人力和资金控告他们侵犯知识产权，并试图禁止他们在美国销售x86的CPU。这些公司本来就不大，又被迫浪费大量金钱在打官司上，很快经营不下去。
1999年，台湾的威盛电子VIA收购Cyrix和Centaur，成为x86 CPU第三大的供应商。威盛电子VIA原本是靠着设计南桥晶片起家的，在2000年还荣登晶片组市占世界第一的宝座。在有了庞大的资金后，也想进军x86 CPU的研发。虽然无法在高端领域跟Intel、AMD相比，威盛的x86 CPU选择把重点放在低成本，靠着牺牲SuperScalar、SIMD等进阶功能，在低价电脑领域找到自己的一小块利基市场。
2001年开始的64位元转换潮，即将迎来Intel、AMD、威盛这三家x86 CPU厂商的最终对决。
前面提到不相容原本x86指令集的Itanium出师不利。AMD在Jim Keller的带领下，继续2003年推出的K8 64位元处理器，高调宣布全面兼容x86指令集，客户掀起一波从Intel到AMD的转移潮。而这一次可以完全兼容x86 32位元指令的AMD64指令集，我认为 是CPU的第三次重要发明。K8处理器的大成功也让Jim Keller在CPU设计的历史上一战封神。
2006年，AMD第一次占据了全球一半的处理器市场。威盛电子原本也计划要在2006年推出自己的64位元CPU，但是因为技术延迟推移到2008年。同时Intel跟AMD开始把更多南桥晶片的功能做进CPU，并且逐步取消晶片组的授权，用来打击威盛、Nvidia等靠着晶片组获得庞大利润的IC设计公司。
错失64位元商机和晶片组利润的消失，让威盛在2008年金融海啸时股价跌入谷底，从此再无和Intel、AMD血拼的力气。
Itanium的失败逼着Intel只好再次回到Pentium架构，而64位元的指令集只好采用AMD64。这边要特别提醒，现在大家使用的x86-64位元指令集，当年是AMD发明，不是Intel。
既然x86的包袱甩不掉，那就只好模仿1990年代击败RISC CPU的策略，靠着更先进的CPU与制程技术，在x86 CISC这一条不归路上狂飙吧！
2002年，Intel推出的Pentium 4首次支援Hyper-Threading Technology。四年后Intel又推出了基于全新Core微架构的Core 2 Duo处理器，这也是Intel首次采用Multi-Core技术。2007年Intel提出Tick-Tock的策略，也就是一年提升半导体制程、一年更新CPU架构。制程技术也从2006年的65纳米一路进化到2016年的14纳米。
反观AMD这边，2006年击败Intel成为CPU龙头后，就飘了。那一年AMD买下了ATI，想要同时进攻CPU和GPU市场，但结果就是资金因为收购案而耗尽，无法全力投入科技研发。这个时期的AMD不知道要优先研发CPU、GPU还是半导体制程。原本预计要在2006年推出的K9架构莫名其妙就消失了，只好在2007年推出K10架构，但是市场反应不好。2008年又遇到金融海啸，被迫拆分自己的半导体制造工厂，独立成GlobalFoundries。一路到2015年，AMD再也无力跟Intel竞争。
倒霉的不只有AMD，Dell、HP这些使用Intel晶片的个人电脑公司也开始可以制造出性能强大的工作站电脑。原本采用RISC CPU的工作站电脑公司纷纷不敌Intel 64位元CPU的优秀性能。DEC在1998年就卖身给Compaq，而Sun电脑在2009年也卖给了甲骨文。
从此Intel在CPU领域享受了长达10年的王者地位。在电脑领域，最终是CISC击败了RISC。
但在嵌入式领域，RISC的简洁设计，让MIPS CPU彻底称霸了这个市场。当然一方面也是因为电脑市场太大了，Intel、AMD、Motorola、IBM等公司完全无心再另辟战场。
Sony在1990年代初研发PlayStation时，是想发明一款可以支援3D游戏的游戏机。但是使用3D电脑图学的晶片需要耗费大量成本。为了控制PlayStation的售价，低成本且稳定的MIPS CPU变成了Sony的首选。
另一方面，任天堂在1996年研发的Nintendo 64同样也是想要尝试最新的3D电脑图学技术。但不同于Sony，任天堂在图学晶片上与SGI合作，而当时MIPS已经被SGI收购了，任天堂也理所当然地在Nintendo 64上选择使用MIPS CPU。
1990年代的游戏机基本上是日本在主导。而在电脑CPU不敌美国的日本，也试图在游戏机领域夺回CPU技术的主导地位。日立Hitachi自主研发SuperH处理器，采用RISC风格的指令集设计，搭载在Sega Saturn和Dreamcast两款经典游戏主机上。可惜最后Sega的主机败给了Sony和任天堂，让日本的CPU指令集无法扬名于世。
除了游戏机外，2000年初MIPS处理器也被大量应用在路由器和交换器等网络产品，还有打印机、数字电视机顶盒、DVD播放器等消费型电子产品。这些装置对成本和功耗有严格要求，而MIPS灵活的授权模式正好符合这些厂商的需求。
在大西洋的另一边，旧工业时代的霸主——英国，也想参与这场CPU设计大战。1990年代成立的Arm也以RISC CPU设计的理念想要参与电脑市场。但前面提到，电脑领域CPU厮杀得这么血腥，英国的小市场完全无法支持Arm跟拥有美国大市场的半导体公司竞争；嵌入式领域又完全不敌先行者MIPS。导致Arm在创业初期年年在垂死边缘挣扎。
营业额的不足迫使Arm必须采用全新的商业模式，也就是IP授权，赚取非常微薄的权利金。传统x86、MIPS、SPARC的指令集授权模式是开放让其他公司使用这些指令集设计CPU，但是电路必须他们自己设计。赚不到钱的Arm只好可怜地连CPU电路都设计好给客户，这种方式被称为IP授权。
而最终帮助欧洲人的还得是欧洲人。1990年代，Nokia决定步入手机市场，1997年在设计2G GSM手机Nokia 6110时，Nokia想找到一款便宜的CPU。刚好售价非常低、还会帮你设计完电路的Arm，完美地符合他的需求啊。
我们绝对想不到，后来手机市场会变得如此之大，甚至是游戏机、路由器、机顶盒的好几倍大。Arm开始专注在手机CPU领域的研发，从一开始的Nokia手机一路到后面的iPhone、MediaTek、Qualcomm、Samsung智能手机。Arm以超低的授权金和完善的IP电路设计，帮助手机厂商最快速地推出产品，也让Arm摇身一变，成为CPU设计领域出货量最高、影响力最大的公司之一。
Arm的成功，我认为算是CPU的第四次伟大发明。如果你想更了解Arm这间公司的创业历史，还有你也想知道Arm这间公司到底赚不赚钱，为什么这几年Arm……这些故事的答案都在本周的会员影片：《Arm简史——最重要却最不赚钱的半导体公司》。欢迎加入会员收看哦。
2010年5月，UC Berkeley的Krste Asanović教授跟他的学生Yunsup Lee和Andrew Waterman正在思考他们下一个关于CPU的研究题目。由于2010年时CPU指令集已经非常成熟，不再是当年1980年代RISC架构刚开始兴起时自行定义指令集、撰写Compiler的土炮研究模式。于是他们优先参考当时市面上成熟的指令集——x86、Arm、MIPS等等，想基于这些指令集来实现他们想象中的下一代CPU。
但他们发现，如果要基于这些指令集实现CPU，都需要收费！2010年代，免费的规格像是TCP/IP、OpenGL、POSIX早就已经存在于网络、电脑图学、操作系统等领域，但CPU竟然没有。任何人想基于现有工具实现CPU，竟然都有侵权风险。
于是他们开启一个「三个月的夏季项目」，目标想要研究出一个免费、公开的指令集规格。由于他们是在UC Berkeley David Patterson教授主持的并行运算实验室中做研究，所以这位当年提出RISC概念的图灵奖得主也参与这个项目中。1980年代时，David Patterson已经发表过4代的RISC指令集，而这一次版本就被称作RISC-V。
为了验证RISC-V指令集的可行性，研究团队开发的一个指令集模拟器名为Spike。Spike可以模拟RISC-V硬件，输入指令软件后模拟出相对应的结果。另一方面，他们也使用了UCB新发明的Chisel硬件描述语言，设计了真正的RISC-V CPU：Rocket。
在经历了长达4年的概念验证后，跟各种学术发表，确定使用者真的是有兴趣后，Krste Asanović等人在2014年正式发表了RISC-V第一版指令集，并发表了《Instruction Sets Should Be Free: The Case For RISC-V》的文章，阐述了他们想要创造免费ISA规范的理念。2015年还成立RISC-V基金会，负责「维护、管理RISC-V指令集」。
RISC-V我认为是CPU历史上第五次的重新发明。虽然RISC-V指令集是免费的，但是利用RISC-V设计的CPU是可以卖钱的。于是Krste Asanović和Yunsup Lee、Andrew Waterman三人在2015年成立SiFive，专门设计和销售RISC-V CPU。Nvidia、Western Digital、Microchip等半导体公司很快表现出对RISC-V的兴趣。
但是本质上RISC-V并没有太大的技术创新，只是成本更低而已。现在RISC-V还缺乏许多软件生态的支持。为解决软件生态不足的问题，2023年5月由高通、Google、Intel、NXP、Nvidia、Red Hat和三星等公司在Linux基金会下发起了RISE项目，希望可以尽快帮RISC-V整合进现在的Linux等电脑软件中。
另一方面，在原本的x86战场上，Intel的制程技术在2016年后开始被TSMC超越。AMD放弃晶圆厂的战略顿时变成了优势。AMD的x86 CPU开始在性价比上大幅领先Intel。而且TSMC的先进制程不再专属x86 CPU，Arm等相关的RISC架构现在也可以使用世界上最先进的制程技术。Intel原本靠着制程技术在CISC路上狂飙的作战计划顿时失灵了。
Apple推出了自家基于Arm指令的M1晶片，多家半导体公司也考虑推出服务器领域专用的Arm架构CPU，想要强占x86的市场。而Arm靠着完善的软件生态，已经变成了各半导体公司RISC CPU的首选指令集架构。
Arm最近几年开始想要涨价、收割利润。IC设计公司为了不被Arm绑架，各个扬言要转向RISC-V，也开始积极投入RISC-V相关的软件生态研究。
目前CPU的格局就是AMD跟Intel凭着x86庞大的软件遗产继续享受着高利润，而AMD又因为有台积电制程的加持，开始有能力跟Intel打成五五波。Arm的RISC CPU也因为可以享受台积电的制程红利，开始进军笔记本电脑、服务器市场，同时Arm也想涨价、摆脱以前的低价策略。原本大量使用Arm的IC设计公司开始拿着RISC-V当护身符，迫使Arm不要涨价。这种恐怖平衡不知道还要维持多久。
不知道各位看好Arm取代x86吗？或者是RISC-V会取代Arm呢？欢迎在留言区分享你的看法哦。