ARM vs x86：英特爾的筆記本處理器護(hù)城墻將被打破
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2020-11-16 18:01
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在我們以前的認(rèn)知中，似乎x86架構(gòu)只是為PC準(zhǔn)備，而ARM只能用在智能手機(jī)或其它移動(dòng)設(shè)備上。然而，隨著電腦與智能手機(jī)界限的越來(lái)越模糊，ARM架構(gòu)已經(jīng)不滿足只為移動(dòng)設(shè)備服務(wù)，早在幾年前就有推出過(guò) on ARM的設(shè)備，而谷歌也聯(lián)合OEM發(fā)布了幾款基于ARM架構(gòu)的，但它們都沒(méi)有翻起多大浪花。直到最近蘋(píng)果發(fā)布了基于ARM架構(gòu)的M1處理器，并應(yīng)用到最新的Mac系列產(chǎn)品中才轟動(dòng)了業(yè)界，這一舉動(dòng)也被不少人看作要改變?nèi)蛐酒母窬?，?duì)英特爾的x86架構(gòu)發(fā)起了新一輪的挑戰(zhàn)。
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那么，為什么是ARM呢？首先我們從最基礎(chǔ)的說(shuō)起。中央處理器（CPU）是設(shè)備的大腦，但它并不完全智能，因?yàn)樗枰玫椒浅＞唧w的指令才能工作，這些指令集會(huì)告訴處理器在寄存器和內(nèi)存之間移動(dòng)數(shù)據(jù)或使用特定的執(zhí)行單元進(jìn)行計(jì)算。獨(dú)特的CPU硬件需要不同的指令，這些指令往往會(huì)隨著更復(fù)雜和更強(qiáng)大的CPU而擴(kuò)展，所需的指令也可以為硬件設(shè)計(jì)提供信息。
需要注意的是我們智能手機(jī)上的應(yīng)用程序并不是用CPU指令編寫(xiě)的，因?yàn)榻裉齑笮涂缙脚_(tái)應(yīng)用程序需要運(yùn)行在各種芯片上，而使用更高級(jí)的編程語(yǔ)言（如Java或C++）編寫(xiě)的應(yīng)用程序會(huì)被編譯成特定的指令集，從而可以在ARM或x86架構(gòu)的處理器上正確運(yùn)行。這些指令在CPU內(nèi)被進(jìn)一步解碼成微代碼，而這一過(guò)程會(huì)消耗功率。所以如果你想要CPU功耗更低，則要保持簡(jiǎn)單的指令集。而更復(fù)雜的指令可以獲得更高的性能，但要以犧牲功耗為代價(jià)。這也是ARM和英特爾x86在設(shè)計(jì)上的根本區(qū)別。
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ARM是基于RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)），而英特爾x86則基于CISC（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）。ARM的CUP指令是相當(dāng)原子化的，指令數(shù)量與微處理之間的關(guān)系非常密切。相比之下，CISC提供了更多的指令，其中許多指令執(zhí)行多種操作，這也造就了更好的性能，但解碼這些復(fù)雜指令也帶來(lái)了更大的功耗。
指令和處理器硬件設(shè)計(jì)之間的這種聯(lián)系就是CPU架構(gòu)，如此一來(lái)，CPU架構(gòu)可以為不同目的而設(shè)計(jì)。這也是ARM與x86在CPU方面的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別，因?yàn)榍罢呤腔谳^低的功率、精簡(jiǎn)的指令集和更小的硬件設(shè)計(jì)。
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今天，64位架構(gòu)是整個(gè)智能手機(jī)和PC的主流。然而，智能手機(jī)直到2012年才進(jìn)行轉(zhuǎn)換，比PC晚了十年左右。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，64位架構(gòu)的好處是可以利用足夠大的寄存器和內(nèi)存地址，提高性能并且64位寄存器還提高了3D渲染精度、加密速度以及簡(jiǎn)化了超過(guò)4GB內(nèi)存的尋址。而要發(fā)揮64位的優(yōu)勢(shì)，除了兼容的硬件和指令外，還需要一個(gè)支持64位的操作系統(tǒng)。
值得一提的是，雖然PC向64位發(fā)展的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于智能手機(jī)，但并不是英特爾創(chuàng)造了x86-64位架構(gòu)，而是AMD，它在1999年宣布改造了英特爾當(dāng)時(shí)的x86架構(gòu)，而英特爾本身的IA64 架構(gòu)則被棄之不用。
ARM在2011年推出了其ARMv8 64位架構(gòu)，其包含兩種執(zhí)行狀態(tài)：和。執(zhí)行狀態(tài)針對(duì)64位處理技術(shù)，引入了一個(gè)全新指令集A64；而執(zhí)行狀態(tài)將支持現(xiàn)有的ARM指令集。ARM設(shè)計(jì)的好處是處理器在正常執(zhí)行過(guò)程中可以從一種模式無(wú)縫切換到另一種模式。這意味著64位指令的解碼器是一種新的設(shè)計(jì)，不需要保持與32位的兼容性，但處理器整體上仍然可以向后兼容。
以上主要介紹了ARM與x86架構(gòu)的差異。ARM的低功耗方式完全適合移動(dòng)設(shè)備的3.5W散熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）要求，但性能也能擴(kuò)展到與英特爾的筆記本相匹配。同時(shí)，英特爾100W TDP的典型酷睿i7在服務(wù)器和高性能臺(tái)式機(jī)上具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但很難擴(kuò)展到5W以下。
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當(dāng)然，過(guò)去十年硅制造工藝在大幅提高了電源效率。廣義上講，更小的CPU晶體管消耗的功率更小。英特爾一直試圖超越2014年自主14納米工藝，而在這段時(shí)間里，智能手機(jī)的芯片組從20納米到14、10，再到現(xiàn)在的7納米甚至部分已經(jīng)到了5納米。所以從根本上，ARM有著很大的功耗優(yōu)勢(shì)。另外，ARM的異構(gòu)計(jì)算對(duì)保持移動(dòng)應(yīng)用的低TDP也有很大作用。它的原理很簡(jiǎn)單，就是構(gòu)建一個(gè)架構(gòu)，讓不同的CPU核心一起工作，以提高效率，比如大核來(lái)處理比較繁重的任務(wù)，而小核則處理后臺(tái)任務(wù)，于是我們可以看到現(xiàn)在很多旗艦處理器大多采用“1+3+4”的三叢集架構(gòu)。
而英特爾直到2020年才研發(fā)出了一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的芯片設(shè)計(jì)——10納米的，它將高性能的Sunny Cove核心與四個(gè)高能效的核心以及圖形和連接功能結(jié)合在一起。但這套方案仍是針對(duì)筆記本電腦設(shè)計(jì)，TDP為7W，這對(duì)于智能手機(jī)來(lái)說(shuō)還是太高了。
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ARM和英特爾x86的另一個(gè)重要區(qū)別是，后者從頭到尾控制著自己的整個(gè)流程，并直接銷(xiāo)售其芯片。而ARM則向其它廠商授權(quán)。英特爾將其架構(gòu)、CPU設(shè)計(jì)arm微處理器體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)易，甚至制造完全掌控在自己手中。相比之下，ARM則向蘋(píng)果、三星、高通等合作伙伴提供各種產(chǎn)品。這些產(chǎn)品包括像-A78這樣的現(xiàn)成CPU內(nèi)核設(shè)計(jì)，以及允許蘋(píng)果和三星等公司打造定制化CPU內(nèi)核，甚至對(duì)指令集進(jìn)行調(diào)整的定制架構(gòu)授權(quán)。
也因此，蘋(píng)果打算用自己基于ARM的芯片逐步取代Mac產(chǎn)品內(nèi)的英特爾CPU。Apple M1是這一趨勢(shì)下的第一款芯片，為最新的 Air、Pro和Mac Mini提供動(dòng)力。M1擁有一些令人印象深刻的性能改進(jìn)，表明高性能ARM核心能夠在更苛刻的計(jì)算場(chǎng)景中與x86對(duì)抗。但是，蘋(píng)果目前針對(duì)的是筆記本級(jí)CPUarm微處理器體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)易，而不是臺(tái)式機(jī)。
在消費(fèi)類(lèi)硬件領(lǐng)域，英特爾的架構(gòu)在原始性能方面依然遙遙領(lǐng)先。但ARM現(xiàn)在在高性能和能效在關(guān)鍵產(chǎn)品領(lǐng)域非常有競(jìng)爭(zhēng)力，其中包括服務(wù)器市場(chǎng)。最近，世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)有史以來(lái)第一次運(yùn)行在ARM的CPU內(nèi)核上。其A64FX SoC是富士通設(shè)計(jì)的，也是第一個(gè)運(yùn)行ARMv8-A SVE架構(gòu)的產(chǎn)品。
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在過(guò)去十年ARM與x86的競(jìng)爭(zhēng)中，ARM在智能手機(jī)等低功耗設(shè)備上已經(jīng)勝出?，F(xiàn)在，該架構(gòu)也正大步邁進(jìn)筆記本電腦和其他對(duì)提高能效有需求的設(shè)備領(lǐng)域。盡管在手機(jī)上失利，但英特爾的低功耗努力也在這些年得到了改善，現(xiàn)在與手機(jī)中的傳統(tǒng)ARM處理器有更多的共同點(diǎn)。
盡管如此，從工程的角度來(lái)看，ARM和x86仍然有明顯的不同，它們?nèi)匀挥懈髯缘膬?yōu)勢(shì)和弱點(diǎn)。然而，隨著生態(tài)系統(tǒng)越來(lái)越多地支持這兩種架構(gòu)，兩者之間的界限正變得模糊不清。雖然ARM在一些地方還比不上x(chóng)86，但在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，ARM肯定還是智能手機(jī)行業(yè)的首選架構(gòu)，并且該架構(gòu)在筆記本級(jí)計(jì)算和效率方面也顯示出了重大的前景。