RISC与CISC：标签已难描述硬件实现

你手机里的Arm芯片是RISC，电脑里的x86是CISC，这个分类你大概听过一百遍。但要说Arm省电是因为RISC架构，这话经不起推敲。指令集本身解释不了最大的差异。

更反常识的是：原文指出，30多年来高性能x86核一直在使用与RISC相关的技术，而大核Arm现在也在使用与CISC相关的技术。RISC和CISC标签仍能说明软件看到的指令集，但已远不能描述实际运行它们的硬件。

一、CISC芯片当年是围着微码转的

1978年的Intel 8086，大量x86指令靠微码控制执行。这些例程存在片上ROM里，指挥完成一条指令所需的更简单步骤。Ken Shirriff的反向工程发现，它的控制存储包含512条微指令，每条21位宽，支撑约75种指令类型。

微码是当年实现复杂指令集的常见手段，大型机把它玩得更狠。斯坦福的John Hennessy和伯克利的David Patterson在图灵奖演讲里提到，VAX有20%的指令占了60%的微码，却只贡献0.2%的执行时间。RISC就是他们对这个问题的回应。

RISC的思路很直白：给软件更简单的指令，让硬件不用微码序列就能执行，把芯片资源更多花在寄存器和指令缓存上。1980年代初，斯坦福的MIPS和伯克利的RISC-I验证了这条路。两人后来描述过DEC的一次历史对比：CISC每条程序需要的指令更少，但每条指令要更多周期，同等工艺下RISC大约快四倍。

Patterson在DEC帮忙修VAX微码时亲眼见过这种复杂度。他提出过芯片出货后修复微码的办法，论文被IEEE Computer拒了，审稿人反对把处理器设计得复杂到需要这种修补。按Patterson的说法，结论很直接：这么设计电脑是蠢办法，加内存、加成本、还要打补丁，简直疯了。

讽刺的是，Intel和AMD现在 routinely 给用户手里的芯片推微码更新。

二、x86一颗芯片一颗芯片地把RISC技术搬了进来

到1980年代末，不少研究者认为x86要输了。后来当上Intel Pentium Pro高级架构师的Bob Colwell回忆，Intel内部有人劝管理层放弃CISC，公司选了另一条路：不改指令集，改执行方式。

1989年的486展示了不改x86能变多少：五级流水线，条件有利时每个时钟维持一条简单指令。复杂指令还是要更久，一条更新内存的add光在执行阶段就要三个周期。

更大的变化在1990年代中期，但Intel不是第一个。NexGen的Nx586在1994年把x86指令翻译成更简单的操作交给内部核心，这是x86世界第一次RISC式改造。AMD的K5随后跟进，还占了便宜——首席架构师Mike Johnson此前设计过AMD Am29000，据报道K5核心大量借鉴了超标量29000的设计，解码器把x86指令转成一到四个内部操作。

Intel在1995年11月用Pentium Pro跟上，解码器把x86指令翻译成更简单的内部操作，叫micro-ops或uops。当时被描述为遵循RISC式的load/store模型：一条对内存值做加法的x86指令，可以拆成load、add、store三步，而传统RISC程序会把这三步写成独立指令。

用微操作的好处是方便套用高性能RISC设计的手法。核心可以乱序执行就绪的操作，再按程序顺序提交结果，软件看到的行为不变。微码也没消失，硬件解码器处理常见指令，复杂情况走更长的微码序列。Colwell举过一个例子：通过门调用的远调用可能需要200个微操作。区别在于，普通代码不再每条指令都依赖那条慢路径。

三、大核Arm现在干起了x86的活

现代Arm核同样把指令拆成微操作，有时甚至几十个。日本富岳超算用的富士通A64FX上，SVE指令FADDA会展开成63个微操作，执行有序浮点归约并把向量元素累加进标量累加器；LDADD展开成四个，把内存读、加法、写合并进一条指令。RISC指令不一定对应简单的硬件操作。

Arm还从x86地盘借了另一样东西：缓存。Arm核会缓存已解码的操作，避免重复解码同一条指令。2019年的Cortex-A77加了1.5K条目的宏操作缓存，术语和x86的微操作缓存不同，目的类似——复用解码成果，提升吞吐，减少取指和解码活动。

这不代表AArch64变成了CISC架构，它仍然是定宽32位指令，普通算术一般和内存访问分开。但一条指令照样可以描述一大摊工作，向量和原子操作尤其如此。核心越宽越激进，内部机制就越长得像，哪怕指令集依然不同。

四、不是所有人都认“x86里有RISC核”

包括设计它的人。把x86的微操作叫“类RISC”，是有前提的，Pentium Pro的架构师Colwell本人就不同意。他反对混淆软件看到的指令集和实现它的硬件。他的辩护很简单：指令集是对软件的承诺，微架构是某颗芯片兑现承诺的方式。设计者可以改流水线、改解码器、改执行机制，只要程序行为不变，Pentium Pro就是这么干的，它底下再不一样，仍然是x86处理器。

内部微操作不是软件能瞄准的指令，Pentium Pro的118位格式携带的是给处理器自己用的信息。拿它的宽度和32位RISC指令比，说明不了两种设计的复杂度。后来的Intel核还用微操作融合，让一条x86指令里的load和算术操作在核心部分环节共用一个条目。

混乱来自“RISC”这个词被同时用于指令集哲学和早期RISC处理器的实现技术。x86保住了指令集，同时吸收了大量实现手法。说实现的一部分“类RISC”没问题，但你的软件看到的只有x86指令。

五、指令集确实让x86付出代价，但没你想的那么大

x86的变长指令让解码更复杂，可要准确说出代价有多高反而更难。2016年一项针对Intel Haswell Core i7-4770的研究，用Intel自己的能耗报告加统计模型估算解码功耗，在两个选定的微基准里，解码约占封装功耗的3%和10%，研究者称换成别的指令集“只会省下少量功耗”，因为指令解码无法避免。注意这只是单颗Haswell核心，不是x86对Arm的全面评估。

现代x86核用微操作缓存减少重复解码。AMD Zen 5有6K条目的缓存，Chips and Cheese测试发现关掉它，SPEC CPU2017整数性能下降20.3%。复用解码指令收益不小，但不普适：同一轮测试里，《赛博朋克2077》和《GTA V》几乎没差别。收益完全看负载。

Arm的Cortex-A715走了另一条路。2022年推出的它砍掉AArch32支持，简化解码器，还去掉了前代的解码操作缓存，说明更简单的解码会改变核心的取舍。x86的遗留运行模式是另一笔兼容性负担，去掉它们也不会让剩下的指令变成定宽。

还有证据反对把任一类指令集当成天生更高效。2013年另一项研究在其考察的处理器和负载中，没发现两类指令集有根本的能效优势。这不说明今天x86的开销如何，但支撑一个更大的点：芯片的设计目标、制造工艺、缓存、分支预测器、电源管理都算数。一台设备省不省电，远不是CISC和RISC两个词能概括的。