CPU架构与帝国往事

作者 | 张慧敏

出品 | 汽车电子与软件

智能座舱的系统架构师，在设计智能座舱方案之初，首要的考量便是如何选择座舱SOC。作为整个系统的“大脑”，SOC几乎承载着座舱内所有的计算任务。无论是中控台大屏的图像渲染，还是座舱内各类传感器的数据处理，都离不开SOC提供的强大计算能力。因此，要奠定智能座舱的架构基础，明确其性能底线，选择合适的智能座舱SOC便成为了第一步。

在SOC芯片中，CPU，即中央处理单元，是最为关键的组件，可谓是计算机技术皇冠上的明珠。在CPU的发展历程中，众多杰出的技术和产品层出不穷。本文就从CPU的选择入手，深入探讨其在智能座舱设计中的重要性。

本文目录：

CPU架构与生态

微软+英特尔

苹果

谷歌+安谋

特斯拉与造车新势力

本文小结

*注：本文作者张慧敏的新书《智能座舱：架构、原理与车规级芯片》近日出版，该书系统地剖析了智能座舱的多个子系统、基础软件及应用/服务的原理与架构，以及底层技术SoC的原理与实践。

#01、CPU架构与生态  

生态，正是战略之道。

在IT行业中，生态被称为ecoSystem，它代表的是IT产品的开发者、生产者、消费者及其他相关方之间所形成的一种既相互依赖又相互竞争的关系网络。这个网络以一个或几个领军企业为中心，汇聚了产业链上的众多参与者，共同构建了一个错综复杂且充满活力的圈子，旨在实现共同生长与发展。通过生态的构建，各参与者能够共享资源、互通有无，从而在激烈的市场竞争中脱颖而出，实现共赢。

在计算机工业的生态圈中，CPU厂商如同草原上的狮王，处于核心地位，吸引着众多软硬件配套厂商围绕其形成一个庞大的生态系统。这个生态系统与非洲大草原上的狮群社会有着异曲同工之妙：狮王统领着整个狮群，而CPU厂商则引领着计算机工业的发展。正如狮群中的每一只狮子都有其角色和任务，计算机生态圈中的每一个成员也都发挥着不可或缺的作用。

IBM（国际商用机器公司）、DEC（数字设备公司）、摩托罗拉等历史上的计算机巨头，都曾像狮王一样统治过他们的时代，聚拢了众多软硬件厂商，推动了计算机技术的飞速发展。然而，随着技术的更迭和市场的变化，这些曾经的王者也逐渐谢幕，让位于新一代的领导者。这与大草原上狮王更替的生死循环如出一辙，展现了计算机工业生态圈生生不息的动态与生机。    

这样的生态循环不仅推动了技术的不断创新，还促进了整个计算机工业的蓬勃发展。每一个新的王者都代表着一种新的技术趋势和市场方向，引领着生态圈中的每一个成员共同前进。

在Intel（英特尔公司）崛起之前，CPU架构领域主要是CISC（复杂指令集计算机）与RISC（精简指令集计算机）两种架构的竞技场。它们在设计理念和性能特点上存在显著差异，因此引发了业界的激烈辩论。

CISC架构源自计算机技术的早期阶段，其特色是指令集种类繁多，包含大量复杂且特定的指令。这些指令的设计初衷是通过单一指令实现复杂功能，从而提升处理特定任务的效率。但随着指令集的日益庞大，处理器的设计也变得愈发复杂。

相比之下，RISC架构是在审视CISC架构的复杂性和效率问题后被提出的。RISC的设计理念在于精简指令集，仅保留最常用、最高效的指令，以提升处理器的整体性能。因此，RISC架构的处理器通常具有更短的指令周期和更高的执行效率。

在20世纪80年代和90年代，CISC和RISC之间的争夺尤为激烈。最终，以Intel为代表的CISC架构在PC（个人计算机）市场上占据主导地位，而RISC架构则在高性能计算和服务器领域取得了一定的成功。

然而，随着智能手机时代的来临，情况发生了新的变化。曾经在PC市场风光无限的CISC架构（Intel开创的x86架构属于CISC的一种），因其庞大的指令集和“前向兼容”的负担，导致功耗和发热量较大，在手持设备上难以抵御RISC阵营中ARM（Advanced RISC Machines Ltd. 安谋公司）处理器的强劲冲击。

如今，随着智能汽车领域的兴起，CISC阵营的x86架构与RISC阵营的ARM架构之间的处理器竞争仍将继续。这场技术领域的龙争虎斗，在波澜壮阔的时代大背景下，格外引人瞩目，让人心潮澎湃。  

回望历史，我们试图从中寻找商业竞争的奥秘，并把控技术发展的脉络。

2、微软+英特尔

在IT界，统治时间最长的生态帝国，被称为WINTEL帝国。

2.1 WINTEL帝国 

WINTEL是Windows和Intel的合成词，它是指使用x86处理器并运行Windows系统（视窗操作系统）的计算机系统。在WINTEL这个词汇中，Windows代表Microsoft（微软公司），Intel代表英特尔。当它们组合起来时，正如武侠小说中所说的双剑合璧，在它们所涉及的应用领域中，打遍天下无敌手，创建了令所有对手望而生畏的时代，一个只属于这两个公司的时代。这就是二十世纪最后一个十年中最为辉煌耀眼的PC时代。

帝国的核心，是当之无愧的帝国双壁。

Intel是CPU处理器最重要的供货商，而微软，则通过操作系统占据了所有个人计算机用户的入口。在帝国的外围，各种OEM（Original Equipment Manufacture，初始设备制造商）厂商，ODM（Original Design Manufacture，初始设计商）厂商，应用软件厂商等，共同为个人电脑用户提供可用的硬件和软件。这其中，各种公司来了又去，包括知名的OEM厂商，如IBM、HP（惠普）、Dell（戴尔）、Acer（宏碁）、Lenovo（联想）；也包括如今已销声匿迹的应用软件厂商，如提供字处理软件的莲花公司，提供编程软件的Boland公司，提供网络浏览器的网景公司，等等。在帝国的序列中，外围企业只能遵循核心企业设定的规则行事，小心翼翼地赚取微薄的利润。一旦有企业试图越界或挑战核心企业的地位，便会遭到毫不留情的打击，哪怕因此卷入无数的反垄断官司，WINTEL帝国也在所不惜。   

2.2 摩尔定律 

为什么WINTEL能如此辉煌？只因为它们最早领悟到计算机工业的核心规律，正因为掌握了“道”，也就掌握了财富的密码。

计算机工业的第一条重要规律被称为摩尔定律。该定律由英特尔公司的共同创始人及第二任CEO戈登·摩尔首次观察和预测。他提出：随着半导体工业的进步，每隔18个月，计算机等IT产品的性能就会翻倍，换言之，在保持性能不变的情况下，IT产品的价格会在18个月后降至原来的一半。

英特尔公司紧密遵循这一规律，从而引领了IT行业的发展。摩尔定律的残酷性在于，它迫使所有半导体厂商在工艺升级上不断努力，不能有丝毫懈怠。首先，受到18个月周期的限制，半导体公司必须在这个时间框架内将工艺升级到下一代产品。其次，由于这个18个月周期的魔咒，半导体公司需要精心规划出切实有效的产品发展路线图，确保当前的研发工作能够满足未来市场的需求。

为了遵循摩尔定律，英特尔的第四任掌门人贝瑞特制定了名为“Tick-Tock”的计划。这个计划的核心理念是，英特尔CPU的发展将遵循“半导体工艺—CPU系统架构”交替提升的策略。具体来说，“Tick”代表半导体工艺的提升，如65nm, 45nm, 32nm, 22nm, 16nm, 11nm等，相邻两个数字之间的比例大约是1.414倍。而“Tock”则代表CPU内核系统架构的进步。

在英特尔的早期阶段，其设计的CPU与当时业界的佼佼者DEC设计的小型机VAX相比，确实存在不小的差距。然而，与Windows的结盟以及IBM PC机的巨大成功为英特尔提供了宝贵的机遇。在不断吸收和融合先进CPU设计理念的过程中，英特尔最终在Pentium Pro处理器上实现了技术的重大突破，从而确立了行业领先地位。表1展示了英特尔“Tick-Tock”计划的路线图。   

计划体系结构变化工艺发布时间

TockCore 微架构（Microarchitecture）65nm2006-07-27TickPenryn内核45nm2007-11-11TockNehalem微架构2008-11-17TickWestmere内核32nm2010-01-04TockSandy Bridge微架构预期2010年发布TickIvy Bridge内核22nm预期2011年发布TockHaswell微架构可能在2012年TickRockwell内核16nm预期2013年发布TockNew 微架构可能在2014年TickShrink/Derivative11nm可能在2015年TockNew 微架构可能在2016年

表1所列示的Tick-Tock路线图，是Intel于2010年发布的。当时，Intel的计划已推进至Westmere处理器，且Sandy Bridge微架构的更新也已顺利完成。 

然而，随着制程技术进步难度的增加，Intel的发展步伐逐渐放缓。2015年，Intel发布了采用14nm工艺的第5代酷睿（Broadwell）处理器，但其后的10nm和7nm工艺却迟迟未能达到成熟的量产状态。

面对从14nm向10nm制程过渡中的挑战，Intel宣布将原有的Tick-Tock模式转变为“制程-架构-优化”(PAO)的三步走战略。这表明Intel不再坚持每两年更新制程或架构的做法，而是将更多精力放在现有制程的优化和提升上。与此同时，其竞争对手AMD凭借Zen架构和台积电的先进工艺不断发展壮大，使Intel逐渐失去了曾经的市场领导者地位。这也被许多人视为“摩尔定律失效”的一个例证。

如今，Intel打算重拾“Tick-Tock”战略，并计划在13代酷睿Raptor Lake上采用10nm工艺，在14代酷睿Meter Lake上采用7nm工艺。然而，Intel能否重返昔日的辉煌，以及它是否能保持其行业领先地位，仍有待观察。

2.3 安迪-比尔定律 

计算机工业界的第二条规律是安迪-比尔定律[2]。

安迪·格罗夫（Andy Grove）作为英特尔公司的第三任CEO，与微软公司的创始人比尔·盖茨（Bill Gates）之间存在着一种有趣的动态关系，这被形象地描述为“安迪所给予的，比尔将它拿走”（What Andy gives, Bill takes away）。实际上，这一规律为科技产业带来了巨大的推动力。

试想，按照摩尔定律的进展，每过18个月，相同性能的计算机，价格就下降一半，那么消费者为什么不能等到18个月后再购买呢新的计算机呢？这样的事情没有发生，其原因在于微软的操作系统不断升级，它吃掉了硬件升级所增长的性能。   

这种“安迪给予，比尔拿走”的现象，实际上形成了一种良性循环：英特尔不断提供更强大的硬件性能，而微软则通过其操作系统和软件来充分利用这些新增的性能。这样一来，消费者在购买新计算机时，能够体验到更快的运行速度、更丰富的功能和更好的用户体验。这也正是为什么尽管摩尔定律预示着计算机价格的下降，但消费者仍然愿意及时购买更新、性能更强的计算机的原因之一。

从微软产品的发展来看，操作系统从DOS升级到Windows 95，Win98， WinXP，Win7, Win10......每次操作系统的升级都会把CPU升级所带来的性能提升全部耗光。但是，普通个人用户使用的计算机系统体验越来越好，而产业链上各种大大小小的硬件供应商和软件供应商也都因此而增加了销售量。这是一个正向的闭环，也是大家喜闻乐见的场景，生态链上所有的参与者都得到了好处，也因此，整个帝国显得欣欣向荣。

可怕的是，当这个规律失去作用时，帝国则面临着瓦解的危险。当PC时代逐渐过渡到智能手机时代后，人们的兴趣和需求也发生了显著变化。安迪-比尔定律逐渐失去动力，没有人能在PC上打败WINTEL。帝国的黄昏到来，是因为世界发生了改变。

2.4 反摩尔定律 

在这个改变的世界中，隐藏着又一条秘密，也正是计算机行业第三条定律：反摩尔定律。

Google公司的前CEO 埃里克.施密特(Eric Schmidt) 在一次采访中指出：反过来看摩尔定律，一个IT公司，如果今天卖掉的产品与18个月前一样多，它的营业额就要降一半。

这条定律对于半导体公司和其他IT公司来说是残酷而可怕的。它意味着，企业不能停滞不前，必须不断进行技术创新和产品升级，以维持甚至提高其市场地位和盈利能力。如果一个公司在技术上没有创新，它付出了同样的成本，却只能得到以前一半的收入，这显然是不可持续的。

因此，这条定律实际上为整个行业注入了强大的创新动力。它促使所有IT公司都必须拼命投入研发，不断探索新技术、新产品和新市场。同时，这也为创新型公司提供了生存和发展的可能，因为它们可以通过技术创新来打破现有市场格局，获取更大的市场份额和利润。   

一般来说，科技的进步，分为量变和质变两种。量变通常指的是在现有技术或产品基础上进行的持续改进和创新，这种创新往往发生在已经确立的技术或市场赛道上。以英特尔的Tick-Tock计划为例，它通过不断的工艺提升和CPU微系统架构的改进，在PC赛道上实现了技术的量变进步。这种进步方式对于大公司而言具有显著的优势，因为它们拥有丰富的技术资源和市场资源，能够更容易地投入研发并进行持续改进。

在这个过程中，新的小公司是无法与老的大公司竞争的。大公司凭借其庞大的规模和资源，可以更容易地获取市场信息、进行技术研发和市场推广。一旦小公司展现出有潜力的新技术，大公司往往会通过收购、模仿或加大研发投入等方式来应对，从而可能将小公司扼杀在摇篮之中。

举一个例子，当互联网开始兴起之后，微软感受到了危机。因为微软的成功，是靠掌握了操作系统而牢牢把握住用户进入数字世界的入口。当人们开始习惯上网冲浪之后，网络浏览器就成为了新的入口。

微软凭借其敏锐的市场洞察力和强大的执行力，意识到了网络浏览器作为新入口的重要性。为了维护其在操作系统领域的市场地位，并防止用户通过其他公司的浏览器进入数字世界，微软迅速采取了应对措施。

通过在Windows操作系统上捆绑免费的IE浏览器，微软不仅成功地阻止了网景公司NetScape的进一步扩张，还通过免费的策略吸引了大量用户，从而巩固了其市场地位。

与此同时，网景公司的NetScape作为当时网络浏览器的最大供应商，面对微软的免费策略，陷入了两难的境地。如果NetScape也采取免费策略，由于其较小的规模和有限的资源，可能无法维持运营；而如果坚持收费，则可能失去大量用户。最终，收费的NetScape败给了免费的IE。

网景公司错失了一个能够改变世界的机会，而这样的机遇，注定会降临给那些在技术和商业领域都能进行颠覆性创新的公司。这种创新是实现科技质的飞跃的关键因素，正如苹果公司通过重新发明智能手机所展示的那样。   

03、苹  果

在二十世纪九十年代的PC产业和二十一世纪第二个十年的智能手机产业之间，实际上还夹着一个互联网时代。在这个互联网时代，人们上网冲浪时主要使用的硬件设备仍然是PC机。在智能手机时代来临之前，WINTEL帝国一直稳居消费类电子产品的核心地位，但有一个例外，那就是苹果。

3.1 乔布斯 

在提及微软时，人们总会自然而然地想到苹果。这是因为在微软推出革命性的图形化操作系统Windows 95之前，苹果公司的麦金托什电脑实际上是这一领域的先驱和引领者。与Wintel支持的PC兼容机产业不同，苹果的麦金托什选择了一条软硬件封闭的发展道路。它不允许其他厂商制造兼容机，而是坚持自己独立生产和制造计算机硬件以及操作系统。

尽管苹果的产品设计独特、技术上领先微软，但在PC产业中，仅凭一己之力难以与众多竞争对手抗衡。在众多行业竞争者的围攻下，苹果电脑只能维持其小众而精致的产品定位。虽然深受粉丝喜爱，但从价格角度来看，苹果产品的确昂贵。

相比之下，PC市场则呈现出多样化的格局。既有IBM等知名品牌电脑，也有Dell等提供定制化服务的大众电脑，更有遍布电脑城的组装机市场，为用户提供经济实惠的PC产品选择。因此，在市场份额方面，微软占据了压倒性优势，远超苹果。

有些时候，一个杰出的领导者对企业而言，其作用就如同出埃及的摩西一般不可或缺。譬如盖茨之于微软，譬如乔布斯之于苹果。当苹果失去乔布斯的时候，它看上去是一个逐渐淹没于历史长河中的过气小清新公司；然而，当乔布斯王者归来，苹果则光芒万丈。  

 3.2 智能手机时代开启    

与互联网时代并行的，还有一个功能手机时代。在这个时期，人与人之间沟通的需求显得尤为重要和迫切。随着有线电话、小灵通、2G手机和3G手机的发展，人们的通信需求逐渐从远距离沟通交流转变为随时随地社交的需求。正是在这样的背景下，功能手机向智能手机的演进，完美契合了通信与个人数字助理相结合的发展趋势。这正是消费类电子行业发展的历史规律！而苹果和乔布斯，则再次成为智能手机行业的开创者和引领者。

最早的智能手机通常被认为是搭载BlackBerry OS的黑莓手机、搭载Symbian操作系统的诺基亚手机，或是搭载微软WINCE操作系统的多普达（HTC子品牌）手机。然而，这些手机在人机交互方面仍然依赖于键盘。即便是多普达的WINCE手机，也需要使用触摸笔点击屏幕进行输入。

苹果的iPhone则是一款颠覆性的产品。它首次采用了电容屏技术，使得用户可以直接用手指在屏幕上滑动，从而实现更快更便捷的输入。此外，iPhone完全摒弃了实体键盘，采用大屏幕设计，APP以图标形式展示，这种人机交互方式在当时完全超越了所有其他智能手机。因此，现在普遍认为智能手机时代始于苹果的iPhone。

功能手机时代的佼佼者非诺基亚莫属。在那个时期，诺基亚几乎成为了手机时尚与优雅的代名词。凭借其产品开发的迅速与灵活性，诺基亚手机的推出速度之快令人瞩目，甚至可以通过更换外壳来发布新款手机。诺基亚成功地将手机市场的竞争焦点从信号处理技术转移到了产品功能、便捷性和外观设计上。例如，诺基亚曾同时推出备受欢迎的8210和8250两款手机。在通信技术上，这两款手机并无显著差异，但8250仅凭其蓝色晶屏和中文输入法，售价就高出了1000元。   

然而，随着苹果iPhone的横空出世，以及谷歌Android系统的紧随其后，短短几年间，诺基亚在智能手机市场的地位便岌岌可危。即使我们暂且不论商业模式和战略选择上的差异，单从手机的人机交互模式来看，传统的电阻式触摸屏与新型的电容式触摸屏在用户体验上有着天壤之别。许多人至今仍能回忆起，当年在iPhone手机和Android手机上沉迷于水果忍者、愤怒的小鸟等游戏的情景。

苹果是一家天生具备创新、时尚和艺术气质的公司，其产品完美融合了技术与艺术。从麦金托什电脑到iPhone，乔布斯为苹果带来了一代又一代的革命性产品，然而，苹果的商业模式却始终保持着封闭和独立。苹果在产业链上实现了全方位的覆盖，无论是硬件还是操作系统，都是其独家享有。但在与微软或谷歌等公司的竞争中，其产品始终未能占据最大的市场份额。现在，让我们迎接智能手机时代真正的霸主登场。

04、谷歌+安谋

智能手机已成为继PC之后的又一全球消费电子万亿级市场的璀璨明星，它已深刻渗透到我们生活的方方面面。在世界许多国家，没有手机几乎无法出行。智能手机是个人电脑与功能手机的完美结合，不仅满足了人们随时随地沟通交流的需求，更成为人们获取信息、知识，进行社交活动，以及获取生活便利的重要工具。

4.1 3G与智能手机 

在2000年前后，美国和欧洲在争夺3G通信标准的主导权。与此同时，中国也开始谨慎地涉足这一领域，试探性地在3GPP上提出了TD-SCDMA的标准。在制定3G通信协议和产品设计的过程中，通信行业的所有参与者都在思考一个问题：什么才是3G的杀手级应用？曾几何时，人们把希望寄托在视频电话上，认为它将是推动3G协议商业化的关键。然而，智能手机的出现改变了这一切。人们发现，智能手机与3G协议之间存在着相辅相成的共生关系。3G的高速上网能力为智能手机的诞生提供了强大的技术支持；反过来，智能手机则成为了3G通信的杀手级应用，有力地推动了3G网络的落地和普及。   

智能手机相较于功能手机，其显著优势在于具备可升级和可下载的能力。通过APP应用商店，智能手机能够随时从网络下载新的程序和应用，从而使一台设备具备多样化的使用功能。这为APP开发者提供了新的盈利机会，他们可以通过用户的付费下载或付费服务获得收入。由此，APP开发者、各种应用程序公司、智能手机制造商、手机芯片提供商以及操作系统提供商共同构建了一个新的生态系统。在这个生态系统中，安迪-比尔定律再次启动，整个生态圈形成一个强大的盈利机器，激发出无穷的创造力。

在这样的大潮中，类似WINTEL的CPU+操作系统的双轮驱动格局再次出现。这一次，取代微软Windows地位的，是谷歌开发的Android系统。代替Intel的，是在手机芯片领域具有重大影响的ARM。

4.2 智能手机操作系统 

众所周知，目前在智能手机领域主要有两个主流的操作系统。其中，苹果的iOS系统专为其iPhone手机所设计，而其他大小手机厂商则普遍采用原生的Android系统，或是基于Android进行改进、仅在用户界面（UI）和应用层有所区别的手机操作系统。谷歌会按照既定的路线图，如Android 13、Android 14等，逐年推出新的系统版本。这些新版本的系统不仅增添了新功能，还不断适配各种新设备，包括平板电脑、电视、手表、汽车等。

手机芯片厂商通常会在新系统正式发布前半年就获得新版本的操作系统，从而有足够的时间进行适配工作，确保软硬件的完美结合。他们会提供一个经过精心调试的新一代Android手机参考系统给各手机厂商。随后，手机厂商会基于芯片厂商的公版设计进行差异化设计，搭配不同的屏幕、摄像头模组以及各种创新的“黑科技”。当谷歌正式发布新的Android版本时，这些手机厂商也会同步宣布其新产品的量产。此外，通过OTA功能，已售出的手机也可以升级到最新的操作系统，确保用户能够享受到最新的系统功能和安全更新。   

在这个移动互联网的生态链条中，谷歌稳坐核心地位，它控制了人们通往移动互联网的大门。围绕谷歌的，首先是SOC芯片厂商，它们形成了外围的第一层圈子。这些厂商凭借自主设计和委托代工生产的芯片，为整个生态系统提供了坚实的硬件基础。再往外一层，是手机厂商，它们通过卓越的工业设计和差异化创新，直接面对消费者，创造了一个又一个市场传奇。而最外层的圈子，则是由APP应用开发者构成，他们开发的应用是推动人们使用移动互联网的关键动力。

在这个生态系统中，唯一的王者是谷歌，只有Android的地位从未被动摇。所有成员都必须遵循Android的规则和标准。如果有人试图推出一个新的操作系统，即使其技术再先进，也难以在手机行业中立足。因为Android生态圈所带来的巨大经济利益，会自动排斥任何新的竞争者。正如之前我们所看到的一样，在PC产业中，没有人能打败微软。

在这样的背景下，唯一可能打破现有格局的不确定因素，便是在中美竞争大环境下诞生的鸿蒙系统。这已然超出了常规的商业逻辑范畴。在国家意志的推动下，尽管美国可以阻止华为使用新一代的Android系统，但华为始终秉持居安思危的理念，强调自主可控的重要性。因此，华为有能力将所有华为手机全面升级到自家研发的鸿蒙系统（Harmony OS）。

然而，我们也需要清楚地看到，目前的鸿蒙系统仍然依赖于Android的生态。所有能在Android上运行的APP，都可以顺利地转移到鸿蒙系统上运行。因此，在鸿蒙系统尚未培育出自己的APP应用开发社区之前，它暂时还是依附于Android生态圈的。这种情况也展示了鸿蒙系统在当前环境下的灵活性和策略性。

4.3 智能手机CPU 

智能手机帝国的另一大支柱是手机SOC芯片。然而，与PC帝国的Intel相比，即便是占据高端市场份额的高通也尚未达到相同的地位。这是因为手机厂商在选择芯片供应商时仍有一定的灵活性。出于供应链安全的考虑，手机厂商会将部分份额分配给联发科、紫光展锐等其他芯片厂商。同时，为了提升竞争力，一些手机厂商还在尝试自主研发芯片。

不过，值得注意的是，无论这些芯片厂商如何设计和创新，它们都难以摆脱ARM架构的影响。ARM架构在移动设备领域具有广泛的应用，其低功耗、高效能的特点使其成为手机芯片设计的首选。因此，即使是高通这样的顶级芯片厂商，其产品设计也离不开ARM架构的支持。

ARM，其名称最初来自Acorn RISC Machine，后来更名为Advanced RISC Machine，但仍简称为ARM（安谋）。与Intel的x86指令集架构不同，ARM设计的CPU指令集架构是基于RISC体系的。相比于CISC，RISC指令集的复杂程度更低，指令数目更少，但每条指令的执行效率更高。CISC指令集的特点是指令集庞大而复杂，指令长度不固定，且可以无限制地访问内存，因此能实现更加复杂、灵活、全面的计算和控制功能。而RISC架构的CPU更适合移动设备、嵌入式系统等对功耗要求高的领域。

ARM所采用的商业模式与Intel截然不同。ARM本身并不生产芯片，而是专注于设计核心的CPU、GPU、系统总线以及多核心管理系统单元（DSU）等。这些核心设计被称作IP（知识产权）核，ARM会将这些IP设计方案出售给其他芯片公司，如高通等。高通会购买ARM的CPU内核，并结合自家的GPU核、其他xPU组件以及核心的通信系统，整合为SOC设计，随后通过芯片代工厂进行生产。在这一产业链中，原本由Intel一家公司承担的功能被分解为至少三个不同的环节：CPU核设计、SOC设计以及芯片工厂生产。这样的分工模式带来的好处是可以分别采纳最出色的设计，避免因某个环节的不足而拖累整个系统。例如，高通曾选择某半导体代工厂为其代工生产旗舰芯片骁龙888，但随后发现由于半导体工艺的问题，该芯片的发热量异常高。因此，在高通生产下一代芯片时，便选择了台积电作为代工厂。这种灵活的生产模式对于Intel而言是难以实现的。

在ARM的商业模式中，由于其不生产实际的芯片，因此可以将IP核销售给几乎所有的芯片厂商。由于Android操作系统从一开始就选择了基于ARM架构的CPU来运行，它与ARM架构的芯片具有极高的适配性，同时在功耗和性能方面达到了出色的平衡。因此，几乎所有涉足智能手机行业的芯片厂商都选择购买ARM的CPU核作为其SOC的核心组成部分，这也使得ARM在智能手机CPU架构领域占据了主导话语权。

Intel曾寄希望于x86架构的Atom处理器，试图与Android搭配，进军智能手机市场。然而，这一尝试并未成功。由于Android生态链中的部分应用，在Atom内核上总是出现问题。很快，在智能手机芯片中就看不到x86架构的CPU了。

05、特斯拉与造车新势力

在二十一世纪第二个十年的开端，新能源汽车逐渐在汽车市场中占据了举足轻重的地位。随着新能源汽车的蓬勃发展，智能化已成为衡量汽车核心竞争力的重要标准之一。智能化主要涉及自动辅助驾驶系统、智能座舱系统以及智能车控系统三大关键领域。

5.1 特斯拉 

特斯拉作为在智能化方面最早发力的汽车制造商之一，同时也是汽车电子电气架构变革的引领者和先驱。事实上，特斯拉在汽车界的地位与苹果在科技界的地位颇为相似。特斯拉同样采取了自研自动驾驶芯片、自研操作系统以及自建生态的全方位发展策略，从而在软硬件方面都具备了强大的实力。   

在电子电气架构领域，特斯拉深入地贯彻了“中央集成-区域控制”的理念。具体体现在其2017年上市的Model 3车型上，特斯拉的区域控制器从以往的功能划分转变为位置划分，这是一个创新性的改变。

整车被划分为前车身、左车身、右车身三个区域控制器（zone），每个区域控制器主要负责对应区域的车身控制和配电功能。这样的设计不仅使器件实现了高集成度，进而更有效地降低了成本，还因为集成度的提升，减少了车载ECU（电子控制单元）的使用数量，同时也大幅减少了车内电缆的连接。据估算，特斯拉Model 3车型的电缆长度成功从3公里缩短到了1.5公里，这一改进在简化车辆结构、减轻重量以及提升效率方面都取得了显著成效。

在智能座舱领域，特斯拉已经迭代了3代智能座舱域的SOC选型。图1总结了特斯拉的座舱SOC演进历程。

图 1 特斯拉座舱SOC演进历程

如图1所示，从2012年到2021年，特斯拉的座舱域控制器中，所选择的SOC经历了MCU1到MCU3的变迁。

第一代座舱域MCU1.0使用的是基于ARM体系的CPU，具体选用了英伟达的Tegra 3芯片，该芯片内置ARM Cortex-A9内核。这一选择表明了当时特斯拉对于芯片性能的需求以及ARM架构在能效和集成度方面的优势。

随着技术的演进和市场需求的变化，特斯拉在第二代座舱域MCU2.0中转向了x86架构，选用了Intel的Atom处理器A3950。这款处理器采用4核4线程微架构设计，并集成了Intel HD 505 GPU，提供了更高的浮点运算能力，达到187G FLOPS。这一升级显著提升了座舱系统的处理能力和图形渲染性能。

到了第三代座舱域MCU3.0，特斯拉再次进行了重大升级。2021年发布的这一版本应用于Model S和Model Y性能版车型中。特斯拉选择了x86架构的AMD处理器，其中CPU是Ryzen系列，拥有4核心8线程，而GPU则选用了AMD的独立显卡Radeon，其算力高达10TFLOPS。这样的配置使得特斯拉的座舱系统在性能上达到了新的高度，能够提供更流畅、更逼真的图形界面和更强大的信息处理能力。

从上述演进路径来看，特斯拉在座舱SOC芯片的选择上已经转向了x86架构，并且选用了AMD的Ryzen系列芯片。这一选择不仅体现了特斯拉对于高性能芯片的追求，也反映了其将座舱视为类似于PC的设备，而非手机。

AMD的Ryzen系列芯片因其强大的性能而被广泛应用于各种高性能计算设备中，包括主流游戏机如索尼的Play Station 5和微软的Xbox Series X。这些游戏机需要处理复杂的图形渲染和高速运算任务，与特斯拉座舱系统的需求相似。

配置项特斯拉 MCU3索尼PlayStation 5微软Xbox Series X微软Xbox Series S

CPU12nm的AMD Zen+7nm AMD Zen27nm AMD Zen27nm AMD Zen2CPU配置4核心8线程8核心16线程8核心16线程8核心16线程CPU主频最高3.8GHz最高3.5GHz最高3.8GHz最高3.6GHzGPUAMD RDNA2 Navi 23AMD RDNA2AMD RDNA2AMD RDNA2GPU配置28 CUs36 CUs52 CUs20 CUsGPU主频2.79GHz2.23GHz1.83GHz1.57GHzGPU算力~10 TFLOPS10.28 TFLOPS12.15 TFLOPS4 TFLOPS显存8GB G616GB G616GB G610GB G6最大带宽224 GB/s448 GB/s560 GB/s224 GB/s性能目标高达200mph4K分辨率,120帧/秒4K分辨率，120帧/秒1440分辨率，120帧/秒价格$122.99$399~$499$499$299发布时间2021年6月2020年11月2020年11月2020年11月

从表2可以看出，特斯拉 MCU3.0架构所选用的SOC为AMD的Zen+，而其他游戏机则全部选用了新一代的AMD Zen2 SOC。从CPU、GPU、显存、带宽等各项指标上，MCU3.0均有所不如。估计是因为车载使用时需要满足车规的原因，导致特斯拉不能直接采用最新的消费级电子芯片来作为座舱SOC使用。  

如果选择x86架构的主芯片作为座舱SOC，按传统的认知理解，其操作系统就几乎无法选用Android。尽管英特尔和AMD都声称它们的SOC同样可以支持Android操作系统，但目前尚未有x86芯片+Android系统得以量产的经验。以座舱平台为例，特斯拉利用开源且免费的Linux操作系统，研发出专属的车机操作系统。然而，由于Linux操作系统的生态相较于Android生态不够丰富，特斯拉不得不自行开发或适配一部分主流应用软件。

由于特斯拉在座舱域控制器上采用了AMD的高性能x86芯片和Linux系统，因此它已经支持在车内玩大型游戏。例如，在2021年6月新款特斯拉Model S的交付仪式上，特斯拉工作人员现场展示了使用手柄在车机上玩《赛博朋克2077》的场景。此外，特斯拉官网上展示的汽车内部渲染图中，车机屏幕上显示的是《巫师3》。这两个案例充分说明了MCU3.0能够支持3A级别（高成本、高体量、高质量）游戏，其使用体验在一定程度上已经可以媲美PC或游戏主机。

5.2 造车新势力 

国内其他新兴的造车新势力厂商，例如“蔚小理”等代表性企业，普遍选择了高通的8155/8295芯片，并基于Android系统开发了自己的座舱操作系统。在支持3A级游戏方面，由于ARM架构多用于移动端，其性能相较于x86架构的CPU可能稍显不足。但在生态多样性上，Android系统显著优于Linux系统。像哔哩哔哩这样的手机常用应用，在特斯拉车机上或许只能通过网页版访问，这在一定程度上限制了车机功能的拓展，并影响了新应用的推广速度。

从特斯拉与国内造车新势力在智能座舱生态的选择上来看，目前座舱的生态发展尚未形成像PC和智能手机那样的垄断性局面。这一领域仍在不断演进中，未来走向尚不明朗，也许还会有不少厂商会根据自己的发展需求切换技术路线。ARM+Android 与 x86+Linux，在汽车智能座舱的推广和使用中，还没有到分出胜负的时候。

06、本文小结 

在设计智能座舱架构之前，核心决策之一是选择座舱的系统级芯片（SOC），而其中最关键的因素便是CPU。CPU架构的选择不仅关乎技术性能，更决定了智能座舱未来的发展方向和生态系统。

让我们回顾计算机工业的发展历程，其中关于CPU架构的竞争可谓激烈而复杂。从英特尔和微软的强大联盟开始，我们可以看到计算机工业的三大定律——摩尔定律、安迪-比尔定律和反摩尔定律，在推动技术不断进步和架构持续优化方面起到了关键作用。

接下来，我们以叙事的方式，探讨苹果、谷歌、安谋（ARM）、特斯拉以及新兴的汽车制造商等在不同历史阶段下如何做出CPU选择，以及他们如何通过技术创新引领行业变革。

CPU架构的选择，不仅决定了智能座舱的性能和功能，更影响着整个生态系统的发展。在未来的竞争中，哪种架构能够脱颖而出，还需要市场的进一步检验。但无论结果如何，我们都将见证一个更加智能、更加互联的汽车时代的到来。 

参考：  

[1] 参见Intel Tick-Tock. http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_Tick-Tock

[2] 吴军博士在《浪潮之巅》一书中对三条定律有着精彩的描述

[3] 参见中信证券研究部研报

作者介绍：

张慧敏，蔚来汽车数字架构部智能座舱架构设计师、西安交通大学硕士。深耕嵌入式软件与智能手机芯片架构设计多年，已获专利授权15项。曾任紫光展锐芯片架构设计师，主导5G手机芯片及新能源汽车智能座舱系统架构设计，拥有丰富的实战经验。同时，他积极分享专业知识，于知乎平台开设“智能座舱架构与芯片”专栏，撰写多篇科技文章，广受业界好评。