应用场景和商业目的决定了各自产品的特点:ARM面向移动设备,从来只是设计低功耗处理器;Intel面向桌面和服务器,向来关注点在超高性能。
商业目的和芯片的架构设计决定了ARM比X86的处理器,在能耗处理上更优
ARM和x86,通常都是指CPU的架构。
CPU(Central Processing Unit,缩写:CPU),即中央处理器,是计算机(手机也可以理解为计算机)的核心部件,功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。1970年以前,中央处理器由多个独立单元构成,后来发展成为由集成电路制造的中央处理器,这些高度收缩的组件就是所谓的微处理器,主要由运算器、控制器、寄存器三部分组成。
CPU的主要运作原理,不论采用什么架构,都遵循冯·诺伊曼结构设计。程序以一系列数字储存在计算机存储器中,CPU的运作原理可分为四个阶段:提取、解码、执行和写回。
由于CPU发展经历了太多的阶段,太多的架构(ARM、X86、MIPS、PowerPC等),彼此差距都非常的大,但是从逻辑的角度可以分为两大类:复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)。
说起ARM有两个含义:ARM公司和arm架构处理器,ARM公司是一家英国的公司(已被软银收购),是全球领先的半导体知识产权(IP)提供商——只卖IP,不卖芯片。所以ARM(Advanced RISC Machine)架构处理器是ARM公司设计的处理器及附带的相关技术及软件。
ARM通常是用于为移动设备构建CPU的体系结构,所以它的特点是性价比高、耗能低。基于ARM(32位)的处理器采用RISC体系结构。大多数指令都很简单,并在一个时钟周期内执行。
业务的发展对CPU的处理能力提出了挑战,为了提升性能,CPU的地址空间从32扩展到了64位,这样可以提升性能,用以保存和处理更多的信息。ARM64只是对支持64位处理的ARM体系结构的扩展或发展。
ARMv8-A于2011年10月发布,代表了ARM体系结构的根本变化。它增加了可选的64位体系结构,苹果公司是第一个在消费类产品(iPhone 5S)中发布ARMv8-A兼容内核(Apple A7)的公司。
1978年6月8日,Intel发布了史诗级的CPU处理器8086,由此X86架构传奇正式拉开帷幕。X86架构使用的是CISC复杂指令集。同时8086处理器的大获成功也直接让Intel成为了CPU巨头。使用x86架构制造的处理器通常用于台式机和笔记本电脑。即使是AMD,英特尔的竞争对手,也使用Intel的x86和x64(x86体系结构的64位版本)体系结构来创建其CPU。x86处理器上的指令大多很复杂。因此,它们占用多个CPU周期来执行每个指令。
虽然处理器的功耗还取决于许多其他因素,例如缓存,总线宽度等,但是ARM处理器总体占优。Intel i7处理器平均发热率为45瓦。基于ARM的片上系统的发热率最大瞬间峰值大约是3瓦,约为Intel i7处理器的1/15。
以下设计功能使ARM处理器具有比x86处理器更高的性能优势:它们更慢,更小,花费更多的时间在睡眠中,并且没有很多遗留的支持。
(1)它们的速度较慢:由于低功率操作通常比性能更重要,因此可以使用低速晶体管,从而改善漏电流并降低最低电压。尽管使用的制造技术落后于现代x86一代或两代,但结果是功耗明显降低。
(2)它们更小:使用的晶体管更少,部分原因是ARM是精简指令集计算(RISC)架构。这意味着大型操作将以小的,简单的块进行处理,但要付出更多的机器代码。这意味着ARM具有较少的一次性部件,这些部件在不使用时会消耗功率,并且体积更小/成本更低。
(3)低功耗睡眠模式:ARM处理器采用无时钟的内核设计。处理器通过停止内核直到收到执行某项操作的指令来节省功耗。目前,X86仅支持降低核心频率以在较低电压下运行,并关闭处理器的外围部件。
(4)最小的遗留物:指令集简单,通用,最小限度,并且可能会保持这种状态;扩展指令集是通过与类似内存进行交互的协处理器完成的。
(5)采用了更多的寄存器:ARM拥有更多的寄存器,还具有加载指令,该指令可以一次将多个值加载到多个寄存器中。同时因为ARM在一条指令中比传统的RISC指令集执行的功能要多得多,从而提供了良好的指令高速缓存命中率,并在提取指令时节省了功率。
(6)大小核架构:从前的X86传统CPU,如果是四核或者是双核,内部的四个、两个核心都是一模一样的,这样的话,由于一旦软件只能调度一个核心,处于高频工作,但由于架构限制,其余核心也要保持同样的高频率和高电压状态,这样就浪费了大量的能量在做无用功。后来才发展出了异步多核,允许不同核心工作在不同频率上,以此换来更低功耗。
由于移动设备更加在意功耗,所以ARM采用了更加激进的做法,八个核里面允许有不同Cortex-A架构核心,那就是著名的ARM big LITTLE。这样的大小核设计目的很明确,就是在有限的电池容量中,兼顾性能、续航的需求,因此SoC内部的CPU是采用异构计算,既有高性能大核心,也有低功耗小核心。
最后ARM和X86架构孰优孰劣,一直以来纷争不断,X86无法做到ARM的功耗,而ARM也无法做到X86的性能。公平地说,过去英特尔的不断努力,通过推动制造低功率晶体管的新技术的开发以及采用类似RISC的内核设计,已经实现了巨大的效率提升,下一代x86和ARM处理器的功耗差异将越来越小。
处理器的选择取决于应用程序要求和预期的性能水平。虽然英特尔已经失去了移动市场,但是未来5G的物联网市场呢?我们拭目以待吧。