晶片架構的江湖往事

近日，晶片設計廠商MIPS宣布，已聘請了知名RISC-V技術廠商SiFive的兩名前高管，Drew Barbier擔任公司產品副總裁，Brad Burgess 被任命為公司首席架構師，以推動其基於RISC-V指令集架構的eVocore系列內核IP的開發工作。

兩位專家在半導體IP和RISC-V領域擁有非常豐富的產業經驗。有鑑於此，MIPS執行長Sameer Wasson表示：“我對他們幫助公司推動IP創新和滲透新市場（RISC-V）的能力充滿信心。”

簡言之，就是MIPS挖了SiFive的牆角，旨在加強RISC-V的研發。

對處理器架構了解的朋友應該知道，MIPS公司是MIPS指令集架構的創始者，經過40年的產業變遷和產業動盪之後，MIPS已經放棄了MIPS架構，轉型為RISC-V CPU IP設計公司。

身為知名的精簡指令集（RISC）的推行者，MIPS的成立甚至比競爭對手ARM還早六年，更不用說後來者的RISC-V了，但眼看ARM和RISC-V在多個領域如魚得水，應用規模也一再攀高。與之對比，MIPS的落寞讓人有點費解

藉此時機，我們一起來回溯一下，MIPS架構在其40年發展歷程中，那些輝煌與低谷，以及後續幾經轉手、日漸式微，再到最終被迫退出架構競爭行列，投身RISC-V的「風雨歷程」。

以及，在晶片產業發展的歷史長河中，還有哪些處理器架構曾受到市場的追捧與青睞，最終又消散在歷史滾滾向前的車轍中。

MIPS“風靡一時”

回顧產業發展歷程能看到，現代各種電器核心的微處理器起源於上個世紀Intel、德州儀器和Garrett AiResearch工業部三個公司的三個計劃，推出的三個微處理器先鋒則分別是Intel 4004、TMS 1000和CADC。

自此，開啟了風風火火的微處理器革命。

在微處理器誕生早期，基本上都是不同廠商生產不同架構的晶片。雖然後來在IBM的「強迫」之下Intel將X86架構授權給其他幾家廠商生產處理器，但當時的主流一直都是處理器廠商自主研發架構和設計甚至生產處理器的。

這種境況一直維持到了1980年前後，直到精簡指令集（RISC）的誕生。

1980年IBM的801項目，可能是第一個使用精簡指令集概念來設計的系統。

跟Intel X86這種複雜指令集不同，設計了許多特性讓程式碼編寫更便捷，但這些複雜特性需要幾個指令周期才能實現，而且常常不被執行程式所採用。此外，處理器和主記憶體之間運行速度的差異也變得越來越大。

在這些因素促使下，出現了一系列新技術，使處理器的指令得以流水執行，同時降低處理器存取記憶體的次數。精簡指令集對指令數目和尋址方式都做了精簡，使其實現更容易，指令並行執進程度更好，編譯器的效率更高。

這種相對新的指令集的面世促進了MIPS的誕生。

在RISC流行起來之後，史丹佛大學教授Hennessy就帶領團隊研發出第一個MIPS架構處理器，這個計畫就是MIPS的前身。

1984年，Hennessy教授離開史丹佛大學創立MIPS。由此，精簡指令集架構的領導者之一，MIPS架構登上歷史舞台。

在成立第二年，MIPS就推出了第一個處理器設計R2000。之後，MIPS陸續推出了多代非常成功的商用產品，例如銷售量超百萬的R3000、銷量過億的R3000A。

值得關注的是，MIPS甚至在1991年就推出了64bit的設計R4000。要知道其競爭對手ARM到了2012年才大幅推廣64bit處理器設計。可見其在設計上的前瞻性。

1992年，看好MIPS的SGI將其收購，並支撐MIPS在90年代繼續推出了幾代R系列處理器。這是MIPS公司第一次的易手，之後MIPS也進入了顛沛流離失所的模式。

到2000年前後，MIPS32和MIPS64兩套指令集的發布，標誌了32位元和64位元MIPS CPU同時也得到了越來越多的使用。

MIPS處理器是八十年代中期RISC CPU設計的一大熱門景點。Pace MIPS、IDT和東芝等半導體公司都採用MIPS的設計來製造晶片，其生產的晶片也被Sony和Nintendo的遊戲機，Cisco的路由器和SGI超級電腦等終端設備採用，尤其是家用路由器市場，幾乎是被MIPS絕對壟斷。

與X86相比，MIPS的授權費用較低，也就為英特爾以外的大多數晶片廠商所採用。除了費用較低，MIPS之所以近40年來受到追捧，還有以下兩個原因：

• MIPS的架構授權不限制任何對MIPS架構的更改
• MIPS屬於精簡指令結構，和英特爾採用的複雜指令系統運算結構(CISC)相比，RISC具有設計更簡單、設計週期更短等優點，並且可以應用更多先進的技術，開發更快的下一代處理器

雖然在主流市場的PC/伺服器應用上沒能超越X86，但也靠PlayStation、PlayStaion2和任天堂64這樣的家用遊戲機實現了上億的CPU銷售量。

MIPS “江河日下”

然而，水能載舟亦能覆舟。

由於成本問題和授權模式的限制和弊端，MIPS無法與市面上的大公司抗衡，開始陷入研發困境。

MIPS一開始就以Intel的X86位元對標產品，因此其產品從面世開始就以高效著稱，使其在高清盒子、路由器等市場戰功顯赫。

雖然產品擁有很不錯的效能，但因為對商業不夠敏感，導致了MIPS的商業化進程遲遲落後。

另外，相較其競爭對手ARM，從誕生開始就瞄準嵌入式低功耗領域，在這個領域默默耕耘了十數年，終於在21世紀迎來了自己的時代。而當時只聚焦中高階的MIPS在功耗上沒有太多優勢，這大大限制了它的發展。

而MIPS反應的緩慢再一次拖累了他們的轉型。

在ARM聯合高通、蘋果、聯發科等公司面向智慧型手機市場做行動處理器晶片的時候，MIPS依然沉醉在高清盒子、印表機等小眾產品市場，沒有動力去自己革自己的命，結果被ARM革了命。

後來智慧型手機市場的大爆發，讓其錯失了行動市場這個時代窗口，也正式敲響了MIPS「喪鐘」。

總之，MIPS的遲緩導致他們失去了最關鍵的十年。

另外，業內人士也表示，授權模式也是MIPS失敗的一大因素。

MIPS和ARM都有IP授權和架構授權兩種授權模式，但雙方的想法差異很大。

ARM的授權方式極具彈性（多是IP授權，很少進行架構授權），並在價格上具備優勢，這吸引了TI和LSI等公司的注意。同時，相對便宜的價格也吸引了更多人來玩ARM晶片，完善了ARM的工具鏈和生態，為ARM後來的爆發夯實了基礎。

與之相反的是，MIPS主要是架構授權（IP授權價格很貴），雖然這樣更加開放，但它在未充分佔領市場的前提下，這種授權模式導致客戶各自為戰，紛紛自行設計MIPS核心、增加指令、發佈開發工具，分散嚴重，難以形成統一的生態。

同時這也失去了IP授權所具備的推出速度，軟體高相容的特性。硬體的落後，導致軟體平台的落後，造成的惡性循環加速了MIPS的衰退。

隨後多年，MIPS在經過Imagination Technologies、Tallwood Venture Capital的幾經轉手之後，日漸式微。

2012年底，MIPS被ARM和Imagination分割收購。

對於ARM來說，MIPS的專利相當有價值，特別是64位元和多執行緒相關的專利。因為ARM的64位元架構跟MIPS 64位元有70-80%的相似度，如果此時不參與收購，那麼日後很可能陷入和MIPS專利長久的專利訴訟戰，僅用3.5億美元就解決這個潛在的隱患，ARM樂意之至。所以ARM收購了其接近500項專利。

Imagination收購MIPS則是為了加強自身的CPU業務，並且看中了MIPS強大的產品集以及安卓架構的支援和對中國的授權。因此Imagination收購了MIPS公司實體和82項與MIPS處理器核心架構有關的核心專利。同時Intel作為Imagination的第一大股東，收購MIPS從側面也可以牽制ARM的發展。

收購MIPS後，Imagination結合旗下的PowerVR系列產品，打算將MIPS的營運模式效法ARM。雖然MIPS在IoT上的市佔率仍遜色於ARM，但在汽車、資料中心等市場尋得了不少機遇，例如Mobileye用的正是MIPS CPU。

那幾年，Imagination加快了推出MIPS處理器核心的步伐，尤其是支援硬體虛擬化、多執行緒和SIMD的Warrior系列。

然而好景不長。2017年4月，Imagination宣布與其最大客戶蘋果中斷合作關係，股價瞬間縮水，陷入艱困。彼時，「自身難保」的Imagination在為自己尋找買家的同時，也將MIPS以6,500萬美元的價格單獨賣給了Tallwood Venture Capital，直到2018年被Wave Computing收購。

被Wave Computing收購後，MIPS並沒有因此走向更好的道路。

此時，除了已經發展成熟的X86以外，幾乎每個ISA都打算藉助開源社群的力量來發展其生態，MIPS也不例外。

2018年底，Wave Computing宣布發起MIPS Open Initiative，將在2019年第一季發布最新的Core R6時開源，該專案的參與者可以免費試用32位與64位的MIPS ISA，而無需任何授權和專利費用。

此舉旨在加速MIPS指令集架構的普及，希望能幫助已逐漸邊緣化的MIPS指令集架構重回正軌。而彼時開源的RISC-V架構也開始逐步受到市場的熱捧。

MIPS開源的舉措，在當時被認為既向ARM示威，又向RSIC-V宣戰，更為即將開始的IoT時代做好準備。

但選擇開源就意味著要厚積薄發與時間為伴，比如Linux、RT-Thread、TiDB等成功的開源項目，都有長時間的社區人氣積累與技術沉澱的加持，想要立竿見影的效果去急功近利的開源只能適得其反。

然而，這項開源專案還沒撐過一年，就隨著公司CEO的調整無疾而終。2019年底，MIPS的短暫開源正式結束，此舉也進一步打擊了開發者對MIPS的動機。

在這個過程中，MIPS與龍芯、上海芯聯芯之間的糾葛，彷彿也成為了MIPS架構江河日下過程中的一段插曲，徒增一筆供世人揣摩和評判的談資。

開源專案宣佈告終後不久，Wave Computing選擇申請破產保護，進行資產重整。

2021年，Wave Computing完成破產重組，並更名為MIPS，但「重生」後的MIPS宣布今後將不再設計MIPS 處理器，而是轉向RISC-V處理器的開發。

MIPS能否譜寫新篇章？

曾經與X86、ARM三分天下的MIPS架構，幾經輾轉之後迎來了命運的終章，正式加入同屬精簡指令集的RISC-V陣營。

根據MIPS官網介紹，其正在基於MIPS ISA的創新基礎上進行RISC-V設計。由於RISC-V ISA與前幾代MIPS ISA之間有許多相似之處，因此可以為其新的eVocore系列產品帶來數十年的開發經驗。

目前，MIPS已經推出了兩款RISC-V CPU IP：面向高效能應用的eVocore P8700和麵向高能效應用的eVocore I8500。

MIPS表示打算藉助全新的RISC-V IP進駐更廣大的市場，包括汽車、機器學習、5G、資料中心、儲存和高效能嵌入式等應用。

據悉，Mobileye已經是P8700的客戶。前不久，MIPS也與資料中心市場的一位未公開的客戶簽署了協議。據悉，該客戶是「三家超大規模運算企業之一」。

雖然尚不清楚有多少廠商會採用MIPS的RISC-V IP核心。但從MIPS乘著SiFive業務重組之際挖來對方兩員大將，也反應出MIPS對於全力投入RISC-V的持續努力。

MIPS對其開源行為曾表示，「如果這發生在兩三年前，那麼RISC-V永遠不會誕生」。

但倘若遵循假命題能推出任何命題的原則，「如果」二字則能推出任何結果。但世事哪有那麼多如果，反觀如今格局，RISC-V發展的順風順水，MIPS卻早已改弦更張，就連十幾年前收購MIPS的imagination，如今也一隻腳踏進了RISC-V的陣營。

如今，在新任CEO Sameer Wasson的帶領下，其首要任務是講述MIPS重生的故事，如何在RISC-V社區中實現差異化，以及它計劃將業務重點放在哪裡。

這次，如果MIPS能把握好RISC-V這根救命稻草，其未來或許仍有一席之地。

但，你知道的，世事哪有那麼多如果。

處理器架構，各領風騷數十年

發生在MIPS身上的變化，預示著另一個處理器架構選擇向命運低頭。同樣，作為最具有歷史的處理器架構之一，MIPS見證了許多其他處理器架構的變化－看著X86稱霸PC市場，ARM在行動市場崛起，RISC-V又作為新星受到業界青睞和追捧；但同樣的，MIPS也見證了一些架構走向消亡。

先前，半導體產業觀察曾在《處理器架構消亡史》一文中曾提及，20世紀80年代前後誕生的處理器架構，不僅包括我們耳熟能詳的X86、MIPS和ARM，SPARC、DEC Alpha、PA-RISC和其他一些產品也在同一時期出現，這些架構大部分都源自於RISC體系，包括IBM所推出的Power架構也都是RISC體系中的一員。

這些架構的到來，建構了出了處理器架構的摧殘時代，也對當時的Intel造成了一定的壓力，生怕動搖了自己X86的地位。

如今的RISC ISA除了風頭正盛的ARM和RISC-V以外，還能掀起一點水花的恐怕就只剩下IBM的Power了。

PowerPC架構

PowerPC是1991年，由Apple、IBM、Motorola組成的AIM聯盟所發展出來的微處理器架構。

PowerPC架構是一種基於精簡指令集(RISC)的處理器架構，其設計注重效能、低功耗和可擴展性，採用了管線執行、超標量執行和亂序執行等技術，以提高指令執行效率。PowerPC架構還支援多層快取和高速匯流排，以加快資料傳輸和存取速度，旨在為個人電腦、工作站和伺服器提供高效能和可擴展性。

同時，PowerPC架構具有良好的跨平台相容性，因為它的指令集是統一的，這意味著在不同的PowerPC處理器上編譯的程式可以在各種PowerPC系統上運行，無需重新編譯。這為軟體開發者和用戶帶來了便利。

由於這些優良特性，PowerPC架構後來成為蘋果Macintosh電腦的主要處理器架構，在蘋果電腦上使用的時間從1994年一直持續到了2006年，之後蘋果轉向使用基於Intel X86架構的處理器

有那麼一段時間，PowerPC獲得了巨大的成功。摩托羅拉68000系列晶片是Apple PC以及許多種類和數百萬個嵌入式控制器的核心。除了蘋果之外，索尼的PlayStation3、任天堂的Wii、Wii u、GameCube、微軟的Xbox 360和3DO M2等都使用了PowerPC處理器

事實上，當蘋果放棄PowerPC時，其實就數量而言，PowerPC並沒有失去大量客戶，但失去了最負盛名的客戶。然後遊戲機也放棄了PowerPC，而典型的嵌入式系統也放棄了。

回顧在1990年代和21世紀初，授權處理器IP可謂風靡一時，這是實現大規模採用的最可靠途徑。其實從一開始，IBM就彷效了ARM、MIPS、SPARC等架構，走了PowerPC的授權路線。但IBM的條款太過苛刻，PowerPC授權比MIPS或ARM的授權貴得多。

PowerPC未能在市場普及很大的原因是開放不足以及IBM的高價授權費。智慧型手機時代後，PowerPC因成本問題逐漸被邊緣化。

雖然因為種種原因，Power架構在大家的視線中不再那麼光芒四射，但是曾經與X86並駕齊驅的歷史不可抹殺。目前也有包括國芯科技在內的廠商仍在使用該架構設計晶片。

SPARC架構

SPARC（可擴充處理器體系結構）是最初由Sun Microsystems開發的精簡指令集計算（RISC）指令集體系結構（ISA）。它的設計在很大程度上受到早期RISC設計的影響，這些原始的RISC設計極簡，包括盡可能少的功能或操作碼，旨在以每個時鐘週期幾乎一條指令的速率執行指令。

SPARC於1986年首次開發，並於1987年發布，是最成功的早期商業RISC系統之一。在其推出首款SPARC處理器產品後，SPARC就很快地佔領了市場，並幫助公司突破了10億美元營收的大關。

到了1989年，採用了SPARC架構的處理器開始應用於高效能工作站及伺服器上，基於此架構的開放性和RISC體系的特性很快就讓其成為了國際流行的架構。

同一時間，為了擴大SPARC的影響力並作出進一步優化，「SPARC International」組織成立，包括摩托羅拉、東芝、富士通、Aeroflex Gaisle都參與其中。1995年，隨著UltraSPARC I的推出，Sun在高階微處理器市場的領導地位得以進一步鞏固。

然而，在進入新世紀後，新的應用崛起，使得PC已經不是處理器架構競爭的唯一戰場。ARM架構憑藉著精簡指令集的特點，殺入了行動市場，並逐漸成為了這個市場的霸主。

而此時，英特爾的X86已經在過去數十載的發展中建立了強大的生態系統。因此，在沒有把握新應用程式的到來，以及在英特爾搶佔絕大多數市場的壓力下，包括SPARC在內的許多處理器架構逐漸開始衰退。

在網路興起的同時，不僅推動了行動市場的發展，也推動了伺服器的需求，但也在這個市場中，SPARC落了下風。根據Gartner數據顯示，從2002年開始，Sun Microsystems的營收份額每況愈下，到了2007年正式被IBM超越。而RISC+UNIX的伺服器市場也逐漸被Intel的X86+Linux/Windows拉下來。

SPARC因在伺服器市場的失利，開始落寞。

2010年，Oracle以74億美元價格收購了SUN，連帶著SPARC也歸屬了Oracle。2017年後，Oracle被爆SPARC部門進行裁員，逐漸地，Oracle也逐漸放棄了SPARC的開發。

Alpha架構

當年，在許多RISC架構興起的同時，DEC也受到看待這股RISC風潮的影響。

於是，在1982年到1985年間，DEC將RISC分成幾個部分來分開研究。1985年，DEC負責RISC研究的負責人之一提出“協作RISC計劃”，即將先前的項目就被合併為一個項目，並且更名為PRISM。

在此期間，為了進一步順利的將新架構打入市場，DEC開始思考是否需要生產新的電腦體系結構來取代其現有的VAX產品線，並最終於1988年結束了PRISM專案。

此時，處理器架構開始朝64位元發展。向64位發展，也被當時很多廠商視為可以改寫市場格局的一個拐點。因此，DEC開始考慮使用類似RISC的設計概念來設計新一代VAX CPU，以提高速度，同時擴展到完整的64位元體系架構。

於是，在1992年，Alpha架構應運而生。

Alpha作為專為高階桌上型電腦，工作站和伺服器設計的微處理器架構，這也使得他們成為首批實現64位元體系架構的企業之一。

如今來看，Alpha對於產業的貢獻或許不在於有多少產品採用了這種架構，而是在理論上為產業的發展提供了一個新思路。

有人認為，Alpha，MIPS兩種RISC架構都比較早的考慮了64位，並引入了很多超前的微架構設計概念，以至於影響了以後英特爾在微架構和超線程方面的發展，這些在英特爾處理器微架構設計隱約能看到Alpha架構的一些影子。

SUN作為開源架構的代表，其凋亡令人惋惜，但DEC Alpha的消亡則是因為其生態太過封閉而造成的。

根據資料顯示，DEC公司將所有和Alpha處理器相關的配件和周邊都自行生產，不過為桌上型電腦開發的主機板卻不支援SMP，而當時幾乎所有採用Alpha處理器的公司都會使用多處理器系統，因此DEC公司所推出的桌上型電腦機種很沒競爭力。

另外，Alpha處理器也一直不支援免費開源作業系統，這也成為了其敗走的另一個原因。

1998年，因為財務原因，DEC將Alpha架構與其大部分內容一起出售給了Compaq。但已經是英特爾客戶的Compaq決定淘汰Alpha，轉而採用即將推出的Itanium架構，並於2001年將所有Alpha智慧財產權出售給了英特爾。

自此，Alpha的故事也畫上了句點。

PA-RISC架構

除此之外，惠普公司推出的精簡指令集架構PA-RISC也沒逃得出被淘汰的命運。

PA-RISC也是20世紀80年代中的一員，它首次出現於1986年2月26日，被應用於HP 3000 930系列以及HP 9000 840模式處理器之中。後來，這種架構被惠普公司與英特爾共同開發的Itanium架構所取代。

然而，英特爾的Itanium也沒能成為最後的贏家，這款於1999年被命名的64位元架構，自從2017年之後就再也沒有更新了，2019年英特爾發布通知稱安騰9700處理器開始退役， 2021年7月最後出貨期，HPE的服務區將支援到2025年。

隨著純血64位元安騰處理器的停售，也意味著Itanium架構黯滅在歷史當中。

事實證明，在市場的發展過程中，沒有哪一種處理器架構能夠永遠適合市場的需求。但從目前結果來看，RISC-V是其他RISC設計和一路上被遺忘的架構的霸主，成為其最後的歸宿。

寫在最後

站在當前回望歷史，從處理器的設計和能耗比來說，如果要說最經典的RISC處理器架構，那麼非MIPS莫屬，就連其競爭對手也不得不承認它的優雅，MIPS被當作處理器教科書的典範，在許多其他處理器中都能看到它的身影。

但MIPS，包括SPARC、Alpha、PA-RISC等其他架構的歷史故事，恰好證明了半導體市場的“風雲莫測”，一個ISA如若不能站穩腳跟，跟上行業發展需求的話，很快就會被市場淘汰掉。

從目前處理器架構市場來看，X86依舊屹立不倒，但對抗他的玩家卻換了一批，這一輪與他競爭的是ARM和RISC-V兩個陣營。從後兩者的發展來看，近年來，他們都在積極向PC市場做擴展。同時，在大數據時代的推動下，也都有意向伺服器市場方向發展。

但對於這一市場來說，英特爾在該領域已經建立了強大的優勢，除了產品外，生態也是其能夠固守城池的一個有利武器。

然而，新興市場總持續發展，產業需求層出不窮，商業世界瞬息萬變，這場處理器架構的淘汰賽似乎還沒結束。

誰也別以為自己穩了。（半導體產業洞察）