ARM vs x86:英特尔的笔记本处理器护城墙将被打破

ARM vs x86:英特尔的笔记本处理器护城墙将被打破
2020年11月16日 17:59 专门网

在我们以前的认知中,似乎x86架构只是为PC准备,而ARM只能用在智能手机或其它移动设备上。然而,随着电脑与智能手机界限的越来越模糊,ARM架构已经不满足只为移动设备服务,早在几年前就有推出过Windows on ARM的设备,而谷歌也联合OEM发布了几款基于ARM架构的Chromebook,但它们都没有翻起多大浪花。直到最近苹果发布了基于ARM架构的M1处理器,并应用到最新的Mac系列产品中才轰动了业界,这一举动也被不少人看作要改变全球芯片的格局,对英特尔的x86架构发起了新一轮的挑战。

那么,为什么是ARM呢?首先我们从最基础的说起。中央处理器(CPU)是设备的大脑,但它并不完全智能,因为它需要得到非常具体的指令才能工作,这些指令集会告诉处理器在寄存器和内存之间移动数据或使用特定的执行单元进行计算。独特的CPU硬件需要不同的指令,这些指令往往会随着更复杂和更强大的CPU而扩展,所需的指令也可以为硬件设计提供信息。

需要注意的是我们智能手机上的应用程序并不是用CPU指令编写的,因为今天大型跨平台应用程序需要运行在各种芯片上,而使用更高级的编程语言(如Java或C++)编写的应用程序会被编译成特定的指令集,从而可以在ARM或x86架构的处理器上正确运行。这些指令在CPU内被进一步解码成微代码,而这一过程会消耗功率。所以如果你想要CPU功耗更低,则要保持简单的指令集。而更复杂的指令可以获得更高的性能,但要以牺牲功耗为代价。这也是ARM和英特尔x86在设计上的根本区别。

ARM是基于RISC(精简指令集计算机),而英特尔x86则基于CISC(复杂指令集计算机)。ARM的CUP指令是相当原子化的,指令数量与微处理之间的关系非常密切。相比之下,CISC提供了更多的指令,其中许多指令执行多种操作,这也造就了更好的性能,但解码这些复杂指令也带来了更大的功耗。

指令和处理器硬件设计之间的这种联系就是CPU架构,如此一来,CPU架构可以为不同目的而设计。这也是ARM与x86在CPU方面的一个关键区别,因为前者是基于较低的功率、精简的指令集和更小的硬件设计。

今天,64位架构是整个智能手机和PC的主流。然而,智能手机直到2012年才进行转换,比PC晚了十年左右。简单来说,64位架构的好处是可以利用足够大的寄存器和内存地址,提高性能并且64位寄存器还提高了3D渲染精度、加密速度以及简化了超过4GB内存的寻址。而要发挥64位的优势,除了兼容的硬件和指令外,还需要一个支持64位的操作系统。

值得一提的是,虽然PC向64位发展的时间远远早于智能手机,但并不是英特尔创造了x86-64位架构,而是AMD,它在1999年宣布改造了英特尔当时的x86架构,而英特尔本身的IA64 Itanium架构则被弃之不用。

ARM在2011年推出了其ARMv8 64位架构,其包含两种执行状态:AArch32和AArch64。AArch64执行状态针对64位处理技术,引入了一个全新指令集A64;而AArch32执行状态将支持现有的ARM指令集。ARM设计的好处是处理器在正常执行过程中可以从一种模式无缝切换到另一种模式。这意味着64位指令的解码器是一种新的设计,不需要保持与32位的兼容性,但处理器整体上仍然可以向后兼容。

以上主要介绍了ARM与x86架构的差异。ARM的低功耗方式完全适合移动设备的3.5W散热设计功耗(TDP)要求,但性能也能扩展到与英特尔的笔记本相匹配。同时,英特尔100W TDP的典型酷睿i7在服务器和高性能台式机上具有无可比拟的优势,但很难扩展到5W以下。

当然,过去十年硅制造工艺在大幅提高了电源效率。广义上讲,更小的CPU晶体管消耗的功率更小。英特尔一直试图超越2014年自主14纳米工艺,而在这段时间里,智能手机的芯片组从20纳米到14、10,再到现在的7纳米甚至部分已经到了5纳米。所以从根本上,ARM有着很大的功耗优势。另外,ARM的异构计算对保持移动应用的低TDP也有很大作用。它的原理很简单,就是构建一个架构,让不同的CPU核心一起工作,以提高效率,比如大核来处理比较繁重的任务,而小核则处理后台任务,于是我们可以看到现在很多旗舰处理器大多采用“1+3+4”的三丛集架构。

而英特尔直到2020年才研发出了一个具有竞争力的芯片设计——10纳米的Lakefield,它将高性能的Sunny Cove核心与四个高能效的Tremont核心以及图形和连接功能结合在一起。但这套方案仍是针对笔记本电脑设计,TDP为7W,这对于智能手机来说还是太高了。

ARM和英特尔x86的另一个重要区别是,后者从头到尾控制着自己的整个流程,并直接销售其芯片。而ARM则向其它厂商授权。英特尔将其架构、CPU设计,甚至制造完全掌控在自己手中。相比之下,ARM则向苹果、三星、高通等合作伙伴提供各种产品。这些产品包括像Cortex-A78这样的现成CPU内核设计,以及允许苹果和三星等公司打造定制化CPU内核,甚至对指令集进行调整的定制架构授权。

也因此,苹果打算用自己基于ARM的芯片逐步取代Mac产品内的英特尔CPU。Apple M1是这一趋势下的第一款芯片,为最新的MacBook Air、Pro和Mac Mini提供动力。M1拥有一些令人印象深刻的性能改进,表明高性能ARM核心能够在更苛刻的计算场景中与x86对抗。但是,苹果目前针对的是笔记本级CPU,而不是台式机。

在消费类硬件领域,英特尔的架构在原始性能方面依然遥遥领先。但ARM现在在高性能和能效在关键产品领域非常有竞争力,其中包括服务器市场。最近,世界上最强大的超级计算机有史以来第一次运行在ARM的CPU内核上。其A64FX SoC是富士通设计的,也是第一个运行ARMv8-A SVE架构的产品。

在过去十年ARM与x86的竞争中,ARM在智能手机等低功耗设备上已经胜出。现在,该架构也正大步迈进笔记本电脑和其他对提高能效有需求的设备领域。尽管在手机上失利,但英特尔的低功耗努力也在这些年得到了改善,Lakefield现在与手机中的传统ARM处理器有更多的共同点。

尽管如此,从工程的角度来看,ARM和x86仍然有明显的不同,它们仍然有各自的优势和弱点。然而,随着生态系统越来越多地支持这两种架构,两者之间的界限正变得模糊不清。虽然ARM在一些地方还比不上x86,但在可预见的未来,ARM肯定还是智能手机行业的首选架构,并且该架构在笔记本级计算和效率方面也显示出了重大的前景。

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