超能課堂：X86、ARM有何不同？

一台伺服器、一台電腦、一台手機最重要的電子零部件是什麼？沒錯，就是CPU處理器。它主要負責數據計算、控制功能，是最核心的部分。不過你又知道有多少種CPU架構嗎？主流的X86、ARM到底有什麼區別？

下面就給大家介紹一下幾種常見的CPU架構：

X86

1978年6月8日，Intel發布了史詩級的CPU處理器8086，由此X86架構傳奇正式拉開帷幕。首次為8086引入X86作為計算機語言的指令集，定義了一些基本使用規則，X86架構使用的是CISC複雜指令集。同時8086處理器的大獲成功也直接讓Intel成為了CPU巨頭，如果你對8086不是那麼熟悉，那麼一定聽過奔騰處理器吧？況且為了紀念8086K誕生40周年，今年Intel發布了一顆紀念限量版的處理器Core i7-8086K，這你都聽說過吧？

圖片來自Intel官網

IA64（Intel Architecture 64，英特爾架構64）

哇，IA64聽起來好陌生，是的，雖然同出Intel之手。但這可以說是失敗品。當年X86過渡到64位指令集時，一個不小心被AMD彎道超車，最後只能聯合惠普推出了屬於自己的IA64指令集，但這也僅限於伺服器上，也是Itanium安騰處理器的來歷（現在已經涼了）。

圖片來自x86-guide

至於IA64究竟是RISC還是CISC指令集的延續，這個真的很難說清楚，但單純以IA64基於HP的EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精確並行指令計算機）來看，似乎更偏向於RISC體系。

MIPS（Microprocessor without interlockedpipedstages，無內部互鎖流水級的微處理器）

在上世紀80年代由美國斯坦福大學Hennessy教授的研究小組研發，它採用精簡指令系統計算結構(RISC)來設計晶元。和Intel採用的複雜指令系統計算結構(CISC)相比，RISC具有設計更簡單、設計周期更短等優點，並可以應用更多先進的技術，開發更快的下一代處理器。MIPS是出現最早的商業RISC架構晶元之一，新的架構集成了所有原來MIPS指令集，並增加了許多更強大的功能。MIPS自己只進行CPU的設計，之後把設計方案授權給客戶，使得客戶能夠製造出高性能的CPU。

讓MIPS出名的，可能是在2007年，中科院計算機研究所的龍芯處理器獲得了MIPS的全部專利、指令集授權，中國開始走上了一MIPS為基礎的CPU研發道路。

圖片來自龍芯官網

PowerPC

PowerPC是有藍色巨人IBM聯合蘋果、摩托羅拉公司研發的一種基於RISC精簡指令集的CPU，PowerPC架構最大優點是靈活性非常好，核心數目靈活可變，因此在嵌入式設備上具有很高效益，可以針對伺服器市場做超多核，針對掌機做雙核，因此它具有優異的性能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。

圖片來自wikimedia

ARM（Advanced RISC Machine，進階精簡指令集機器）

ARM可以說是一個異軍突起的CPU架構，採用了RISC精簡指令集，而且ARM發展到今天，架構上非常靈活，可以根據面嚮應用場景不同使用不同設計的內核，因此可以廣泛用於嵌入式系統中，同時它高度節能的特性，目前各種移動設備中全都是它的身影。據統計，使用ARM架構的晶元年出貨量高達200億片，隨著物聯網時代降臨，對於低功耗性ARM晶元需求量會發生爆炸性增長。

圖片來自iFixit

CISC、RISC之爭

從上面得知，歷史的長河裡面，有過許許多多的CPU架構，它們之間的差異性非常大，經過時間、用戶的檢驗，我們平常所接觸到CPU架構也就剩X86和ARM兩者，按照最核心的不同可以被分為兩大類，即「複雜指令集」與「精簡指令集」系統，也就是經常看到的「CISC」與「RISC」。

要了解X86和ARM CPU架構，就得先了解CISC複雜指令集和RISC精簡指令集 ，因為它們第一個區別就是X86使用了複雜指令集（CISC），而後者使用精簡指令集（RISC）。造成他們使用不同該指令集的原因在於，面向的設備、對象、性能要求是不一樣。手機SoC普遍都是採用ARM提供的核心作為基礎，依據自身需求改變SoC的核心架構，而ARM正正是RISC精簡指令集的代表人物。CPU巨頭Intel、AMD所採用的X86架構已經沿用了數十年，是CISC複雜指令集的典型代表。

CISC複雜指令系統就是為了增強原有指令的功能，設置更為複雜的新指令實現部分大量重複的軟體功能的硬體化。由於早期的電腦主頻低、運行速度慢，為了提高運算速度，不得已將更多的複雜指令加入到指令系統中來提高電腦的處理效率，慢慢形成以桌面電腦為首的複雜指令系統計算機。其指令集也是在不斷更新增加當中，如Intel為X299平台上的處理器增加了AVX 512指令集，目的就是為了提高某一方面的性能。

雖然CISC可以實現高性能CPU設計，但是設計起來就相當麻煩了，要保持龐大硬體設計正確是一件不容易的事情，還要確保性能有所提升，不能開倒車，因此桌面CPU研發時間也慢慢地變長。這時候，以ARM為首的一些RISC精簡指令系統計算機開始嶄露頭角了。

RISC可以說是從CISC中取其精華去其糟粕，簡化指令功能，讓指令的平均執行周期減少，達到提升計算機工作主頻的目的，同時引入大量通用寄存器減少不必要的讀寫過程，提高子程序執行速度，這樣一來程序運行時間縮短並且減少了定址，提高了編譯效率，最終達到高性能目的。

這兩種指令集一直都在求同存異當中，都在追求在體系架構、操作運行、軟硬體、編譯時間以及運行時間等等諸多因素中做出某種平衡，以此達到當初所設計的高效運轉目的。

圖片來自新浪博客

功耗上的限制

從CISC、RISC設計思路來看，大家不難發現，他們走的路根本不一樣，前者專註於高性能方向，但帶來高功耗，而後者專註於做低功耗的嵌入式，對於性能的最強不是太過強勁。因此我們也看到Intel、AMD他們擅長於設計性能超高的X86處理器，而高通、蘋果依靠ARM IP授權設計出注重效能的SoC晶元。

就像我們以前所舉的例子，Core i7-8086K可以輕易跑出95W功耗，但像高通驍龍845這種最頂級的SoC也不過是5W，只有其1/19，主要是手機尺寸越來越小，電池容量、能量密度發展跟不上，手機所用ARM內核只能是低功耗。

一般來說，處理器的功耗可以隨著製造工藝的進步而降低，但近些年來，移動設備所採用的的SoC往往率先使用更小的納米工藝製程，比方說驍龍845的10nm，雖然裡面有取巧成分，但推進速度遠遠快於Intel的10nm工藝，加之SoC還會有對應的低功耗版本工藝，所以無論是設計上、還是工藝上的差別，都導致了ARM、X86功耗差異非常大。

大小核架構

從前的X86傳統CPU，如果是四核或者是雙核，內部的四個、兩個個核心都是一模一樣的，這樣的話，由於一旦軟體只能調度一個核心，處於高頻工作，但由於架構限制，其餘核心也要保持同樣的高頻率和高電壓狀態，這樣就浪費了大量的能量在做無用功。後來就發展出了非同步多核，允許不同核心工作在不同頻率上，以此換來更低功耗。

由於移動設備更加在意功耗，所以ARM採用了更加激進的做法，八個核裡面允許有不同Cortex-A架構核心，那就是著名的ARM bigLITTLE。這樣的大小核設計目的很明確，就是在有限的電池容量中，兼顧性能、續航的需求，因此SoC內部的CPU是採用異構計算，既有高性能大核心，也有低功耗小核心。

bigLITTLE架構框架，圖片來自ARM官網

晶元設計廠商可以根據自己的需求，設計出有針對性的產品，比方說目前高通驍龍845、華為的麒麟970、聯發科Helio X30都是bigLITTLE架構，這樣的話如果你只是刷刷微博、朋友圈，那麼只需要動用小核心就能完成任務，玩《絕地求生》吃雞遊戲就可能大小核全開，從而保證性能、續航的平衡。

因此ARM的bigLITTLE非同步多核架構非常值得參考，甚至傳聞稱英特爾將在第10代酷睿處理器Lakefield上使用這種技術，高性能大核是Ice lake（下一代Core），低功耗小核心則是Tremont（下一代Atom），因此在整體功耗上控制在35W以內，用於二合一筆記本上。

ARM、X86也能相互融合

之前我們在另一篇超能課堂《手機SoC與電腦的CPU性能究竟差多少？》就總結過，RISC、CISC各有各的優勢，目前兩者界限開始逐漸變得模糊，現代的CPU往往採用了CISC的外圍，而內部則加入了部分RISC的特性，這個也是Intel處理器的開始擁有RISC的典型例子。也就是說其實未來CPU發展方向之一就是融合CISC以及RISC，從軟體、硬體上取長補短，進一步提高處理器的並行性以及工藝水平。

X86、ARM在性能、功耗上各佔優勢，儘管ARM一直想進入高性能伺服器市場上，但一直都是雷聲大雨點小，前不久想要挑戰intel伺服器地位的高通，ARM伺服器部門直接裁員50%，技術副總裁也不玩了；ARM處理器也期望能獲得X86處理器的高性能，以便能用在移動筆記本上，就像剛剛推出的高通驍龍835 Windows筆記本一樣，但評價、反映都是平平；Intel利用X86架構Atom做手機SoC，結果還是敗給了ARM，虧掉數十億美元，最終直接砍掉了這個項目，老老實實做X86處理器。

所以說ARM、X86都在各自領域站穩了腳跟，由於設計之初的理念不同，已經很難滲入對方的領域，只能說不斷嘗試，兩者之間的差異在將來可能會縮小，不斷借鑒改進。

圖片來自esa-automation

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