【產業動態】AI勢不可擋，X86、ARM、RISC-V三大CPU架構誰將成為市場主流？

圖/Shutterstock

什麼是CPU架構?

中央處理單元（CPU）的核心組件包括算術邏輯單元（ALU）、控制單元（CU）和暫存器。ALU 負責執行所有算術和邏輯運算；CU 管理和協調 CPU 內部和外部指令和數據流；而寄存器則提供一個快速存取的位置，用於暫時存儲計算和指令執行過程中的數據，從而實現高效的數據處理速度。

CPU 架構則涵蓋 CPU 的設計和功能結構，它涉及到的內部組件配置、數據處理方法、支持的指令集合，以及如何執行這些指令。架構的設計直接關係到 CPU 的性能指標、能源效率和系統兼容性。架構的選擇對於達到特定的計算目標、成本效益和軟體生態系統支持至關重要。隨著技術的發展和計算需求的多樣化，CPU 架構持續演進以適應市場的變化和需求。

兩大常見的 CPU 架構理念 — 複雜 vs 精簡誰才是王道

從 CPU 發明到現在，有非常多種架構，從我們熟悉的 X86、ARM，到不太熟悉的 MIPS、IA64，它們之間的差距都非常大。但是如果從最基本的邏輯角度來分類的話，它們可以被分為兩大類，即所謂的「複雜指令集」與「精簡指令集」系統，也就是經常看到的「CISC」與「RISC」

精簡指令集計算（RISC）和複雜指令集計算（CISC）是兩種主要的中央處理單元（CPU）架構理念。RISC 架構強調使用一組更小、更簡單的指令來達到硬體的簡化和提高指令的執行速度。這種方法通常能夠提升性能並降低功耗，使其成為移動設備和嵌入式系統的理想選擇。RISC 的主要特點包括快速的指令執行、簡化的硬體設計以及高能效比。ARM 架構是最著名的 RISC 架構之一。

相對於 RISC，CISC 架構著重於通過一套較為複雜的指令集直接支援高級計算操作，從而減少高級語言（包含C和C++）與機器語言之間的轉換需求。這一策略旨在簡化軟體和編譯器的開發過程，儘管這可能會導致更複雜的硬體設計和較高的功耗。CISC 的特色在於其功能強大的指令集和撰寫程式上的便捷性，但這同時伴隨著硬體的複雜性及增加的能耗。而CISC 的典型代表是 X86 架構的處理器。

三大CPU架構代表超級比一比

X86是PC市場的霸主，也是CPU架構的元老

X86 架構最初是由多個製造商生產，但隨著 Wintel（Windows和Intel的結合）的崛起，市場逐漸被英特爾主導，僅剩 AMD 和威盛等少數製造商。其以複雜指令集計算（CISC）著稱，也因此正如上一段所提及的 CISC 的優缺點分析，特色在於簡化工程師的開發過程，且其指令集的功能較強大，在單核心性能方面往往優於 ARM 處理器，然卻會導致更複雜的硬體設計和較高的功耗。目前主要在桌上型和伺服器市場表現突出，被廣泛應用於桌上型電腦、筆記型電腦、伺服器以及高性能計算機中。

由於 X86 會先用解碼器將複雜指令變成類似於 RISC 的指令，再給核心執行，其仍存在整體執行工作效率較差，處理資料速度較慢的缺點，然英特爾於 2023 年推出的精進版的純 64 位元 X86 架構，也就是 X86s，廢除昔日 16 位元和 32 位元模式，從一開機初始化就進入「純 64 位元模式」，不再從 16 位元或 32 位元切換至 64 位元，並且對於執行現有的 32 位元應用程式會以 64 位元下的相容模式去執行，也因此在效率上已有所改進。

ARM在移動設備上有卓越的優勢，並將進攻PC市場

ARM 架構則是由 ARM Holdings（現為軟銀集團的一部分）設計並授權給其他公司生產，蘋果、高通、聯發科等公司都設計了基於 ARM 架構的手機晶片，展現了 ARM 架構在省電和低功耗方面的優勢。由於 ARM 架構屬於精簡指令集計算（RISC）系統，最大特點是高能效比和低功耗，這使得它非常適合於電池供電的移動設備，如手機和平板電腦。

與 CISC 架構如 X86 相比， ARM 的 RISC 架構由於不需要複雜的晶片設計，可以在相同條件下提供更快的執行速度，大約是 CISC 的 2 到 4 倍。此外，RISC 架構使得晶片可以更小、功耗更低、成本更低，同時提高效能。這一特點在當前進入先進製程的半導體產業中尤為重要，使 ARM 架構成為開發新一代 PC 處理器的有力候選。

開源架構RISC-V提供了客製指令的擴充空間，且獲取成本較低

與前面兩者不同，RISC-V 架構是由加州大學柏克萊分校的研究人員發起，基於精簡指令集計算（RISC）理念，同時突出了其開源、模塊化和高度可擴展的特點。這種架構允許設計者根據特定應用的需求添加自定義指令，從而進行優化，並提供了與 ARM 架構相似的高能效比和低功耗特性。RISC-V 的指令集設計更為精簡，這不僅降低了硬體的面積和功耗，而且提高了運算速度和效率。其一致的指令格式簡化了電路設計，減少了資料處理時間，並提升了運算能力。

RISC-V 的開源性質使其在從微控制器到高性能計算等廣泛領域得到應用，包括嵌入式系統、物聯網（IoT）裝置、汽車電子、伺服器和專用加速器等。作為一個開源指令集，RISC-V 易於獲取資源，不受特定公司知識產權的限制，因此降低了成本。它的彈性顯著高於 X86 和 ARM 架構，因為它提供了客製指令的擴充空間，使得根據不同需求的特定設計成為可能，而這一點在 X86 和 ARM 處理器中較難實現。

受惠於AI發展與手機市場復甦，ARM架構滲透率有望進一步提升

ARM 公司整體營收可以劃分成兩個區塊，分別是權利金 License 和版稅 Royalty，前者為客戶於設計初期向 ARM 繳納的 IP 架構使用費，一般授權約 3 年，占 FY24Q3 總體營收 43%；後者則為客戶產品正式銷售後的分潤費用，從 Licenses 合約開始到貢獻 Royalty 約需到 4 年，占 FY24Q3 總體營收 57%。相較於 License，Royalty 較持續時間較長，也因此被視為 ARM 長期營收的主要推動因素。

License 的成長動能主要來自 ATA (ARM Total Access, 全部IP訂閱用戶)、AFA(ARM Flexible Access, 初期架構授權用戶) 客戶持續成長。FY24Q3 ATA 客戶增加5間至27間，AFA 客戶則增加6間至218間，可見需求仍十分強勁。而 Royalty 營收成長則主要由手機需求復甦和 Data Center 相關營收帶動，前面有提到過，ARM 的主要應用是在移動設備上，FY24Q3 15% Royalty 營收由 ARMv9 架構貢獻，目前主要搭載於主流高階手機及PC應用，v9架構授權金較v8提升一倍，考量現階段仍處於滲透初期，未來成長動能可期。 

Nvidia 和 AMD 有望採用ARM架構，其市占版圖將進一步擴大？

據消息指出，Nvidia 有望於 2025 年推出以 ARM 架構為設計基礎的 CPU 產品，以搭載執行微軟 Windows 系統的 PC，背後原因是微軟幫助晶片商為 Windows PC 建構 ARM 架構處理器。自從為 Mac 電腦推出採用 ARM 架構的自研晶片 M 系列以來，蘋果效能顯著成長，帶動 PC 市占率在過去三年攀高，這使得除 Nvidia 以外，原採用 X86 架構的 AMD 也計劃使用 ARM 技術生產 CPU。若成功開發，在 Nvidia 與 AMD 的助力下， ARM 架構在市場上的應用比例將進一步提高，尤其是在 X86 統治的 PC 領域，ARM 的市占版圖有望進一步擴大。

ARM架構強勢進攻，Intel還撐得住嗎？

ARM 架構在市場上的應用逐年增廣，尤其近年在 AI PC 的強勢推動下，開始進攻 PC 領域的版圖，侵略 X86 賴以維生的老本行，這會使得 X86 架構在市場上的地位逐漸流失，最後淡出嗎？CMoney 研究團隊認為，ARM 架構要危害到 X86 架構的市場地位，仍有很長一段路要走，其原因有二：第一，更改架構須解決相容問題。X86 架構在 PC 市場已稱霸多年，因此對於設計者而言，繼續採用 X86 架構所能獲得的資源也最多。若要進行更改，則設計難度將大幅提高，且因為採用非 X86 架構，設計者必須克服許多軟體功能無法相容的問題。

其二，X86有其不易被替代的優勢。低功耗本來就不是英特爾擅長的市場，且X86 架構在電競市場已建立穩定基礎與地位，ARM 短期內恐難超越。此外，ARM 架構處理器主打簡單、省電兩大特色，這雖對於筆電市場是一大優勢，但對於以桌上型電腦為主，且訴求強大圖形運算功能的電競市場來說，現階段X86 架構處理器仍將會是主要選擇。

RISC-V架構在雙雄夾擊下，具備競爭力嗎？

在分析 RISC-V 的競爭優勢時，我們先來探討他對比 X86 架構以及 ARM 架構的優缺點。其優點正如先前所提及的，RISC-V 因指令精簡而更省電節能，而其開源的特性，也使得在中美科技戰爭的背景下，中國開始將重心逐漸轉移到訴求開源、開放的 RISC-V 架構上，因而成為RISC-V 架構的重要市場。根據 RISC-V 基金會資料指出，採用 RISC-V 架構的晶片中已有一半來自中國，RISC-V 基金會也有超過一半的高級會員來自中國。

然而，缺點的部分亦十分顯著。由於 RISC-V 發展時間較晚，PC 跟行動裝置市場基本已被其他兩大架構獨佔，因此在軟體相容性方面較差。另外，由於運行在 CPU 的軟體都是第三方業者進行開發，因此開發 CPU 軟體的業者必須要與設計 CPU 硬體的業者進行合作，否則軟體將無法運行在硬體上。如果有其他競爭者想切入 ARM 的市場開發自己的 CPU 指令集，競爭者必須先說服 CPU 業者學習使用 ARM 架構以外的進行軟體的開發，也因此其一直難以擴大市場。

儘管RISC-V架構目前在市場上的應用仍不足以構成強大生態系，但在AI推動下成長動能仍舊可觀

目前 RISC-V 的應用領域有別於 ARM 架構與 X86 架構，更多運用在物聯網與車用產業，然在其他市場亦逐漸推出相關產品，浮現在大眾視野。舉例來說，高通與 Google 展開合作開發「RISC-V Snapdragon Wear」晶片，是有史以來第一個宣布大眾市場的 RISC-V Android 晶片。此外，Meta 的 AI 推論晶片 MTIA，處理核心便是採用晶心科的 RISC-V 架構來打造，可用於提升推薦系統（如廣告、貼文、影片的排序）的運行效率。而 Google 則在自有 AI 處理器 TPU 旁加裝美國 RISC-V 新創 SiFive 開發的處理器，以加速機器學習的運作。然儘管在市場上已初露頭角，對比 X86 與 ARM 的版圖，RISC-V 的應用仍未能建立強大生態系。

不過在 AI 2023 年蓬勃發展的勢頭下，RISC-V 架構再次成為大眾關注的目標。可調整性高是RISC-V 架構成為 AI 應用明日之星的一大原因，AI 晶片運算需要訂製指令才能提高運算效率，雖然 ARM 架構有授權給 IC 設計業者使用，但是所有指令和功能基本上都已經由 ARM 定義好，對使用者來說可更改的空間很小。相比之下，IC 設計業者可以在 RISC-V 架構下，根據自身需求進行客製化設計，同時業界也有像是晶心科、SiFive 等擁有自主 RISC-V IP 的公司，可配合客戶做彈性調整，使得研發 AI 晶片的企業大幅提高導入 RISC-V 架構的意願。

根據領先的貿易分析師和業務開發公司 SHD Group 發布 2024 年 RISC-V 市場研究報告，其中提及到 2030 年 RISC-V SoC (單晶片系統) 出貨量預計將激增至 162 億顆，複合年增長率 (CAGR) 為 44%，而收入將達到 920 億美元，複合年增長率 (CAGR) 為 47%。而 RISC-V IP 收入亦有望同步增長，預計到 2030 年複合年增長率為 39%。展望AI位處發展初期，RISC-V 的自由度或可成為勝過另兩大巨頭的一大利器。

長期看好RISC-V架構的應用版圖，而AI PC之爭ARM恐難勝出

綜觀目前 CPU 架構市場局勢，要說三足鼎立的天下還尚不至於，目前大市場仍以 X86 與ARM 為主，然基於 RISC-V 對一般使用者來說，可塑性更強，因此對於一些尚不成熟、正在興起的產業來說，像是 AI PC 與車用等等，反而是更方便應用與開發的。CMoney 研究團隊認為，在中國市場積極開發與 AI 的雙重加乘下，RISC-V 長期具備良好的成長動能，且若能夠在中國建立起穩健生態系，則其未來發展性十分可觀。

而 ARM 與 X86 的邊緣 AI 架構戰爭，則主要是聚焦在 AI PC 的議題上，手機市場近兩年來未有突出表現，尤其 ARM 的大客戶蘋果目前正面臨中國市場的銷售危機，單單只仰賴行動裝置領域太過於危險，也因此 ARM 積極搶占 PC 領域的策略亦是十分合理。要進入該領域就必須挑戰該領域的大佬，英特爾的 X86 架構在 PC 領域仍存在先進者優勢，軟體相容性仍是 ARM在 Windows 應用上難以跨過的坎，且 AI PC 涉及更強大的晶片運算能力，ARM 架構是否能與 X86 架構的效能匹敵亦是一大難題。基於以上，CMoney 研究團隊認為，ARM 要在 AI PC領域挑戰 X86 恐難佔上風。

原始文章

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