RISC(精簡指令集電腦)型CPU的愛恨情愁
作者:股滿意足
撰寫日期:2026/8/19
ARM架構的CPU (Central Processing Unit)在行動裝置如手機的CPU市場擁有高達 99% 的市佔率,在雲端與資料中心伺服器市場的 CPU 營收佔比也超過 50%,且個人電腦(Personal Computer, PC)市佔率,在輝達(nVIDIA)聯合台灣的聯發科(MEDIATEK)推出RTX Spark攻上AI PC (人工智慧個人電腦),正快速向PC領域擴張。ARM架構就是RISC(Reduced Instruction Set Computer, 精簡指令集電腦)型CPU的最成功的代表,所以本文就來談談RISC的愛恨情仇。
第一次接觸RISC,是在1985年,在指導教授楊濬中教授的研究生meeting上,當時筆者在唸成功大學電機系博士班二年級,有回聽了楊濬中教授在成大的演講,想走容錯設計(Fault tolerant computing)的研究,所以就找了楊教授當校外的指導教授。當時加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)電腦系的大衛·帕特森(David Patterson)教授主持的RISC I計畫於1981年6月設計完成它的Gold chip,實作與測試在1980至1982年,在1980時,帕特森教授曝光了他的RISC情況[1],並在1981年報告了更多RISC架構和設計[2],所以開起了CPU的另一種設計理念。帕特森教授是怎麼想到RISC的設計概念?他是有一天看到他太太的衣櫃,衣櫃裡擠滿了衣服,可是看他太太常穿的衣服就那幾件,其他的幾乎不穿或沒穿過!所以在電腦系教書的他就很好奇,像Intel 8086的組合語言指令,雖然核心指令只有81個,但是加上變體和同義指令,則有110多個指令,他就在想會不會大部分的指令就像他太太的衣櫃裡的衣服一樣,是極少用或根本沒用,所以他就讓他的研究生調查統計,常用的應用軟體和一些系統軟體,翻譯成組合語言後,各種指令被使用的機率,統計的結果證明了他的想法,大部分的軟體只會用到20%組合語言指令,極少的軟體會用到其它80%組合語言指令。於是他就很高興提出RISC I計畫,做出來的晶片效能也很好,將指令縮減為39個指令,而且指令長度都固定為32位元(bit),所以在晶片內用來做指令解碼的電路可大大縮小,省下來的空間則用來增加暫存器的數目,因為有上百個暫存器,在計算中的臨時結果就可以存在暫存器裡,不用存在晶片外面的記憶體,這讓計算速度提升很多。可能大家會好奇如果被減少的指令要被用到,怎麼辦?帕特森教授的解法就是用現成的指令寫成軟體函式(function),如果要用就呼叫函式即可。在帕特森教授啓動他的RISC I計畫前,IBM研究員約翰·庫克(John Cocke)在1970年代中期至1980年代初在IBM的華生研究中心(Watson Research Center)的801號大樓啓動IBM 801計畫,催生了全球最早的精簡指令集電腦(RISC)架構,透過精簡指令、強化編譯器協同設計,實現每個時脈週期執行一個指令的高效率目標,在IBM 801計畫的基礎上,IBM聯合了另外大咖級廠商們開發PowerPC晶片,試圖打敗Intel x86架構CPU。