从英特尔看芯片发展

芯片可谓是信息时代的核心部分,可以说没有芯片就不会有我们今天的世界,手机、计算机、汽车、冰箱,电饭煲等等,它在我们生活中扮演了相当重要的角色

这一章我会通过英特尔来介绍芯片的发展,希望能让大家对芯片的进步,我们生活是怎么改变的有一个了解。

仙童和八叛徒

谈到芯片就需要谈到集成电路,谈到集成电路就得说起仙童这家公司,而说起仙童,就绕不开历史上著名的肖克利和“八叛徒”事件。

对半导体贡献最大的人物当属半导体晶体管的发明人肖克利(William Shockley),他因此获得了诺贝尔奖,而硅谷的诞生也和他息息相关。

当时肖克利为了研究晶体管,在各个场合搜寻有才华的年轻人,邀请他们加入自己的研究室,其中就有之后改变了芯片产业的诺伊斯和摩尔等人。

不过因为肖克利不善于管理团队,当时有八个年轻人忍受不了他的独裁作风,打算集体“叛逃”。

这件事在IT历史上非常有名,被称为“八叛徒事件”。“叛徒”这个词是肖克利起的, 不过由于这八个人后来开创了全世界的半导体产业,并且催生出硅谷,因此“叛徒”一词后来在硅谷是褒义词。

从左到右是分别是,摩尔、罗伯茨、克莱纳、诺伊斯、格里尼克、布兰克、赫尔尼、拉斯特。

之后“八叛徒”创建了仙童,而仙童公司又做了哪些事情呢?

不夸张的讲,它不仅开创了人类的半导体时代,而且导致了硅谷的诞生。

仙童公司不仅曾经是全世界最大的半导体公司,而且从它里面衍生出近百家公司,其中1/3是上市公司或者曾经是上市公司,这些公司市值加起来超过3万亿美元,此外美国最牛的两家风险投资机构凯鹏华盈和红杉资本也是仙童的人创办的。

在上个世纪60、70年代,全世界半导体公司的负责人在硅谷开会,90%的参会者都曾经在仙童公司里任职过。它给硅谷培养了大量的人才,说仙童半导体公司是“硅谷人才摇篮”毫不为过分。

乔布斯曾形象的比喻:“仙童半导体公司就象个成熟了的蒲公英,你一吹它,这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”

我们接下来要讲的与这家公司其密切相关

发展的英特尔

英特尔就是由“八叛徒”中的戈登·摩尔和罗伯特.诺伊斯于1968年创立的。(摩尔就是那个发明了著名摩尔定律的摩尔)

英特尔三巨头,摩尔(右)、诺伊斯(中)和格鲁夫(左)

谈及个人电脑芯片,必须得提到英特尔,它可以说是和Windows一起领导了个人电脑革命,很多IT从业者甚至将整个PC时代称为WinTel时代,即Windows加上Intel。

不过在英特尔刚创立的很长时间内只能算是一个婴儿,在八十年代以前,几乎所有的计算机公司如 IBM、DEC 都是自己设计中央处理器,这些计算机公司在当时代表了处理器设计和制造的最高水平。

而英特尔生产的是性能低的微处理器,是用来补充大计算机公司看不上的低端市场。单纯从性能上讲,英特尔八十年代的处理器还比不上 IBM 七十年代的。在很长时间里,英特尔的产品被认为是低性能、低价格。虽然它的性价比很高,但并不是尖端产品。

其研发的8086 是我们今天所有 IBM PC 处理器的祖宗,但是,当时连英特尔自己也没有预测到它的重要性。

我们之前提到过,当年IBM 为了快速推出 PC机,自己没有设计处理器,拿来英特尔的 8086 就直接用上了。英特尔因之一举成名。1982 年,英特尔搞出了和 8086 完全兼容的第二代 PC 处理器 80286,用在了 IBM PC/AT 上。

由于当时 IBM与美国司法部在反垄断官司中达成和解,无法阻止别人造兼容机,所以随着 1985 年康柏造出了世界上第一台 IBM PC 的兼容机,兼容机厂商的数量开始快速的增长。这些兼容机硬件不径相同,但是为了和 IBM PC 兼容,处理器都得是英特尔公司的。

我们从个人电脑工业的生态链可以知道,只有作为操作系统开发商的微软和作为处理器制造商的英特尔处于一个不可替代的地位,而应用软件开发商、计算机制造商和其他芯片和外设开发商可以有多个公司,并不惟一。

同样值得一提的是,在英特尔起步的八十年,恰是日本的黄金十年,当时世界上最大的三个半导体公司都在日本,PC 里面日本芯片一度占到数量的 60%。当时全世界都在怀疑美国在半导体技术上是否会落后于日本。

但是我们冷静分析就知道,日本的半导体工业集中在技术含量低的芯片上,如存储器等芯片(即内存),而全世界高端的芯片工业,如计算机处理器和通信的数字信号处理器全部在美国。

八十年代,英特尔果断地停掉了它的内存业务,将这个市场完全让给了日本人,从此专心做处理器。这不过是英特尔等美国公司弃子求势的一招棋。

1985 年,英特尔公司继摩托罗拉后,第二个研制出 32 位的微处理器 80386,开始扩大它在整个半导体工业的市场份额。

芯片的研制费用超过三亿美元,在当时是一场豪赌,这笔研制费超过中国当时在一个五年计划中对半导体科研全部投入的好几倍。英特尔靠 80386 完成了对 IBM PC 兼容机机市场的统治地位。

与摩托罗拉之战

英特尔的发展当然不可能是一帆风顺的,其在八十年代遇到了重量级的对手,摩托罗拉。

摩托罗拉比英特尔早两年推出在小数运算性能上五倍好于 8086 的 16 位微处理器 68000。68000 这个名字是以它集成的晶体管数目六万八千个而获得的。而 8086 只有不到三万个晶体管。

当时,不少工作站包括惠普、太阳和已经不存在的阿波罗等等都采用的是摩托罗拉的处理器。在英特尔搞出 80286 的同一年(1982 年),摩托罗拉推出了在性能上明显好于 80286 的 68010,继续作为当时主要工作站的处理器。

不过英特尔有强力合作伙伴微软。当时由于 IBM PC 兼容机的逐步普及,技术上相对落后的英特尔反而占了更多的市场份额,这是之后微软能够打败摩托罗拉很重要的原因。

不过摩托罗拉失败当然不止这一个原因,在当时,半导体只是摩托罗拉的一个部门,而微机处理器又只是其半导体部门的一项业务,可是它对于英特尔来讲却是全部,所以英特尔必须全力以赴。

这里展开延伸一下。

摩托罗拉当时为了符合华尔街的期待,让自己有尽可能多的而不是单一的收入来源,它曾经在计算机的处理器、通信的数字信号处理器、对讲机、BP 机、手机和电视接收器等很多领域发展。我之前文章也都提到过。

但是结果是,它每个领域都很难做大。它在微机处理器上败给了英特尔,在手机上碰到了诺基亚,在信号处理器(DSP)上又败给了德州仪器(TI),所以说,有时候公司不能完全按华尔街的意愿办事。

与全世界作对

在九十年代,英特尔在技术上和全世界打了一战。

当今的计算机系统结构可以根据指令集合分成复杂指令(CISC)和简单指令(RISC)两种。一个计算机的程序最终要变成一系列指令才能在处理器上运行。

采用复杂指令系统的处理器芯片的好处是它可以实现很复杂的指令,但是它存在主要问题有两个,第一,设计复杂,实现同样的性能需要的集成度高;第二,由于每个指令执行时间不一样长,处理器内部各个部分很难流水作业,处理器会出现不必要的等待。而且,高集成度也会带来高能耗。

针对复杂指令的处理器的上述两个不足之处,八十年代,计算机科学家们提出了基于精简指令集的处理器设计思想。

基于精简指令集的设计思想是计算机发展史上的一次革命,它使得计算机处理器的设计得到很大简化,同时由于精简指令集的处理器可以保证每条指令执行时间相同,处理器内各部分可以很好地流水作业,处理器速度可以比同时期的基于复杂指令的处理器要来得快。

虽然复杂指令和精简指令的处理器各有千秋,但是在学术界几乎一边倒地认为复杂指令集的设计过时了,精简指令集是先进的。尤其是美国所有大学计算机原理和计算机系统结构两门课全是用轩尼诗和派特森合写的教科书。

到了八十年代末,英特尔面临一个选择,是继续设计和以前 x86 兼容的芯片还是转到精简指令的道路上去。如果转到精简指令的道路上,英特尔的市场优势会荡然无存;如果坚持走复杂指令的道路,它就必须逆着全世界处理器发展潮流前进。

在这个问题上,英特尔做了聪明的决定。

英特尔在通过 x86 系列芯片在微处理器市场上确立的领先地位的同时时,也在研究基于精简指令集芯片, 推出了80860,不过这个产品后来不是很成功,市场的倾向说明了用户对兼容性的要求比性能更重要。

因此,英特尔在精简指令上推出 80960 后,就停止了这方面的工作,而专心做"技术落后"的复杂指令系列。在整个九十年代,工业界只有英特尔一家坚持开发复杂指令集的处理器,对抗着整个处理器工业。

不过英特尔在精简指令处理器的工作也没有白花,它在奔腾及以后的处理器设计上吸取了 RISC 的长处,使得处理器内部流水线的效率提高很多。

由于英特尔由于其良好的兼容性,导致其每一种 PC 机处理器的销量都超过同时代所有的工作站处理器销量的总和,所以它可以在每个处理器的开发上投入比任何一种精简指令处理器多的多的研发经费和人力,这样,英特尔通过高强度的投入,保证了它处理器性能提升得比精简指令还要快。

而在精简指令阵营,九十年代五大工作站厂家太阳、SGI、IBM、DEC 和 HP 各自为战,每家都生产自己的精简指令处理器,加上摩托罗拉为苹果生产的 PowerPC,六家瓜分一个市场,导致谁也做不大、做不好。

所以到了 2000 年前后,各家的处理器都做不下去了,或者全部或者部分地开始采用英特尔的产品了。至此,英特尔打赢了对精简指令集的处理器之战。

而在个人计算机领域,英特尔所面对的竞争对手AMD,其实对其没有什么威胁了,更多是让其避免反垄断的麻烦,我这里就不展开讲了,不过接下来的英特尔错失移动时代,还是值得一说。

错失时代

英特尔的优势在于处理器和PC相关的芯片上,而在计算机处理器之外的芯片上不是很成功。尤其是手机领域。

它一度进入过高端手机处理器的业务,黑莓曾经就用过它的芯片,但是英特尔开发费用太高,这块业务一直亏损,最终2006年卖给了Marvell公司,而Marvell从此挤进了3G手机芯片制造商的前三甲。

当年智能手机一年的出货量不过几百万台,英特尔怎么也想不到如今一周出货量就能达到当年一年的水平。否则再怎么亏损,也不至于卖掉通信以及应用处理器业务。

随着手机和平板的发展,大家发现以往需要通过PC完成的事情,现在通过轻移动端就可以完成,以iPad为首的平板电脑开始流行,自2010年开始,它们不断在压缩PC机的市场。

而大部分平板电脑使用的是基于RISC的芯片,和英特尔没什么关系,更具体地讲是用的ARM控股公司( ARM Holdings)的产品。ARM控股公司的商业模式是将CPU设计授权给各个半导体公司,由后者集成到它们的芯片中。这些芯片都称为基于ARM的( ARM Based)。

到2005年,全球98%以上的智能手机处理器芯片都是基于ARM设计的。这些基于ARM的处理器在手机和平板电脑等领域近乎垄断的占有率,大大缩减了英特尔的发展空间。

而对于云计算服务器领域,虽然现在的服务器大多采用英特尔的x86处理器,但是在很多应用中,浮点运算速度更快的图形处理器GPU,或者针对大量并发处理比如社交网络的运算)的低功耗定点处理器,其单位能耗的计算能力要远比英特尔的通用处理器来得有效。

因此,在云计算加移动互联网时代,英特尔即使是在服务器端的优势,也不如个人电脑时代来得明显了。

而最近一两年,英特尔在人工智能和移动计算上受到英伟达和高通的两面夹击,日子不太好过。

这几年人工智能太过火热,造成GPU也大火,而GPU的主要供应商就是英伟达。这把火直接就把英伟达的市值烧到了1309亿美元,直逼英特尔的2094亿美元。

今年1月份,英特尔的芯片被爆出来有重大设计漏洞,这个设计缺陷能够引起“Meltdown”和“幽灵Spectre”两种网络攻击。导致黑客可以直接调取其他应用程序和系统资源。

而在今年CES展上的表现也很一般

演讲中对其虚拟现实应用True VR所需要的5G几乎只字未提,而且3D虚拟世界生成所需的算法和计算能力,英特尔也没有讲到为什么比别家强。

明明高通推出的骁龙845芯片的移动计算能力更加强大,英特尔的演讲者却当作竞争对手根本不存在,甚至连一点数据都懒得引用。

而其推宣布推出的49个量子比特的量子计算芯片,也因证据不足,跳跃太快而显得真实性有待质疑。

个人电脑市场的萎缩、移动设备的普及、人工智能和移动计算的兴起导致这几年英特尔一直处于很被动的状态,如果英特尔迟迟不能找到新的适合自己的成长点,那么英特尔进入老年期也是一件必然的事情了。

不过这些依旧不能否定英特尔的贡献,其工程师的不断努力让摩尔定律一直颠覆着产业发展,而且不断推出廉价的处理器直接推动了个人电脑的普及。

今天我们每个人都得感谢这家公司所做出的成就。

只不过没有什么是永恒的,之后的企业会代替它继续给社会创造更大的价值,这也就是企业的命运吧。

注:文章资料来源于《谷歌方法论》《全球创新260讲》《浪潮之巅》以及网络。

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