问题

未来是属于 ARM 为代表的精简指令集还是 x86 为代表的复杂指令集?

回答
未来是属于ARM还是x86?这就像在问,是偏向实用主义的极简主义,还是根植传统的精雕细琢?其实,这个问题没有一个非黑即白的答案,更像是两种哲学在不同战场上的较量,而且这场较量,远未尘埃落定。

故事的起点:精简指令集 (RISC) vs. 复杂指令集 (CISC)

我们先得回到它们各自的“出生证明”。

x86:复杂指令集 (CISC) 的拥趸。 它的前身是Intel在80年代推出的8086处理器。CISC的设计理念是,一条指令可以完成很多复杂的操作,比如从内存中读取数据、进行算术运算,然后再把结果写回内存,这一系列动作可能只用一条x86指令就能搞定。这样做的好处是,在早期,软件开发相对困难,编译器能力也有限,直接用更“聪明”的指令码,可以减少程序所需的指令数量,从而节省内存和带宽。想象一下,你手里拿着一把瑞士军刀,一把刀就能搞定开罐头、拧螺丝、切东西,非常方便。

ARM:精简指令集 (RISC) 的信徒。 ARM公司(最初是Acorn Computers)在80年代也推出了自己的处理器架构。RISC的设计理念则完全不同,它追求的是指令集的“精简”和“高效”。每一条指令都只做一件简单的事情,比如加载数据到寄存器、在寄存器之间进行运算、将数据存储回内存。这些简单的操作虽然需要多条指令组合起来才能完成一个复杂任务,但它的好处是:
指令译码和执行简单高效: 每个指令都很短小,CPU更容易快速地理解和执行它们,降低了设计的复杂度。
流水线效率高: 因为指令简单,CPU可以更容易地实现高效的指令流水线,同时处理多条指令,提高整体吞吐量。
功耗更低: 精简的指令集意味着更少的晶体管开关,更少的能量消耗,这对于电池供电的设备来说至关重要。
编译器优化空间大: 编译器可以更灵活地安排指令顺序,最大限度地发挥CPU的性能潜力。

可以把RISC比作一套模块化的工具箱,每种工具都只做一种事,但你可以根据需要组合它们来完成复杂的任务。

为什么ARM能够崛起,挑战x86的霸主地位?

最初,x86在PC和服务器领域是无可争议的王者。它的软件生态系统庞大而成熟,开发者习惯于在x86架构上编程。而ARM最初主要是在嵌入式设备、手机、平板等低功耗领域发光发热。然而,随着移动互联网的爆炸式增长,以及人们对设备续航和轻薄化的需求日益强烈,ARM凭借其在功耗上的巨大优势,迅速占领了移动市场的制高点。

但事情并没有止步于此。最近几年,ARM的野心越来越大,它开始向PC、服务器甚至超级计算领域发起冲击。而真正让ARM“出圈”的关键性一步,是苹果公司在2020年宣布将Mac电脑从Intel的x86处理器转向自家设计的基于ARM架构的Apple Silicon(M系列芯片)。

苹果的这一举动,可以说是给整个行业投下了一颗重磅炸弹。他们的M系列芯片在性能上不仅不输给同代的x86处理器,甚至在很多场景下超越了它们,同时还保持了惊人的低功耗和发热量。这证明了ARM架构在高性能计算领域也拥有巨大的潜力,并且可以通过优秀的设计和工艺来克服过去人们认为的“指令简单就意味着性能不行”的固有观念。

那么,未来究竟属于谁?

我认为,未来不是非此即彼的战争,更像是一场优势互补和演进融合。

ARM的优势和未来展望:

1. 无与伦比的功耗效率: 这是ARM最核心的竞争力。在任何需要长续航、低发热的场景下,ARM都有天然的优势。无论是笔记本电脑、平板电脑、智能手机、物联网设备,还是未来需要大量部署的边缘计算节点,ARM都将是首选。
2. 灵活的授权模式: ARM本身并不制造芯片,而是授权其架构给其他公司设计和制造芯片。这种模式使得ARM能够与全球众多芯片设计公司合作,快速响应市场需求,推动技术创新。苹果、高通、联发科、三星,甚至亚马逊和Nvidia都在基于ARM架构开发自己的处理器。
3. 在服务器和数据中心领域的崛起: 许多云服务提供商和企业开始尝试使用ARM架构的服务器芯片,因为它们可以提供更高的能效比,降低运营成本。Amazon Graviton系列处理器就是其中一个非常成功的例子。
4. AI和专用硬件的潜力: ARM架构的灵活性使其非常适合与各种AI加速器、GPU等协同工作,或者直接集成这些功能,为特定应用场景提供高度定制化的解决方案。

x86的坚守与演进:

1. 深厚的生态系统和软件兼容性: 这是x86最强大的护城河。绝大多数桌面和服务器应用软件都是为x86架构开发的,拥有海量的现有软件资产和开发者基础。要让这些软件完全迁移到ARM,需要时间和巨大的投入。
2. 持续的性能迭代: Intel和AMD并没有坐以待毙。他们也在不断改进x86架构,通过更先进的制程工艺、更复杂的微架构设计、更多的核心数量,以及一些在内部将CISC指令转化为RISC操作的技术(比如Intel的Microoperations),来提升性能和能效比。
3. 在高性能计算和特定专业领域的优势: 在一些对极致单核性能、复杂指令支持或者特定的应用加速有要求的领域,比如高端游戏、某些科学计算、以及一些历史悠久的专业软件,x86仍然拥有不可替代的地位。

未来图景的猜想:

ARM将继续蚕食x86的市场份额: 尤其是在笔记本电脑、服务器和数据中心领域,ARM的增长势头会非常迅猛。Apple Silicon的成功,以及其他厂商的跟进,将加速这一趋势。
x86不会消失,但可能变得更加“专精”: x86可能会在它最擅长的领域(比如高性能台式机、游戏PC、部分专业工作站)继续保持领先,或者专注于提供最高级别的原始计算能力。
混合架构和异构计算将成为常态: 未来我们可能会看到更多的系统采用混合架构,比如一个高性能的x86核心搭配多个高能效的ARM核心,或者将ARM核心作为AI协处理器集成到x86平台中。
指令集之争将逐渐模糊化: 随着现代处理器的复杂化,传统的RISC和CISC界限变得越来越模糊。x86内部也在使用RISC的实现方式,而ARM也在不断增加更复杂的指令集来提升效率。最终,用户关心的不再是“是ARM还是x86”,而是“这款处理器在我的应用场景下表现如何”。

打个比方:

想象一下,x86就像一家拥有几十年历史的老牌德国汽车制造商,它的车子坚固、可靠、性能强大,尤其是在跑高速和载重方面表现出色,而且保养维修体系非常成熟。而ARM就像一家新兴的科技公司,它制造的电动汽车,从设计之初就考虑到了极致的效率和环保,续航里程长,智能化程度高,而且可以通过软件更新不断提升性能和功能。

现在,这家电动汽车公司(ARM)不仅在城市代步(手机、平板)领域做得风生水起,还开始挑战老牌汽车制造商的高速公路霸权(笔记本、服务器),并且表现出了令人惊叹的实力。老牌制造商(x86)也必须加速自己的电动化转型,并不断优化传统燃油车的性能,以应对竞争。

最终,市场上的汽车类型会更加多样化,你可能既会选择适合长途跋涉的电动SUV(高性能ARM服务器),也会选择灵活便捷的城市电动小车(低功耗ARM设备),甚至还会有那些追求极致驾驶体验的经典燃油跑车(高性能x86工作站)依然占据一席之地。

所以,未来不是谁“赢”了的问题,而是它们如何共存、竞争和演进,以满足不同领域和不同用户多样化的需求。ARM的崛起,无疑为整个计算领域注入了新的活力,并迫使x86不断创新,最终受益的还是我们这些使用者。这场博弈,才刚刚进入最精彩的篇章。

网友意见

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ARM vs. x86 不是一个技术问题,而是一个商业问题。为什么这么说呢?且听我细细分解:

首先,「x86 比 ARM 功耗高」这一点,在事实上已经不再成立了,具体的数据和分析可以参考 [1]。文章比较长,数据也很多,如果没空看也没关系,看看最后一页的这张表就行了:

这里比较的是两个平板设备:采用 NVIDIA Tegra 3 (40nm ARM 处理器) 的 Microsoft Surface RT 平板电脑和采用 Intel Clover Trail Atom (32nm x86 处理器) 的 Acer W510 平板电脑。可以看到,每一个测试项目中 Atom 的功耗都比 Tegra 3 低不少。这还不是最要命的,更要命的是 Atom 的性能比 Tegra 3 高,也就是说 Atom 可以在更短的时间内完成同样的任务然后进入低功耗休眠状态以节省电力,而且在休眠状态下 Atom 的功耗也只有 Tegra 3 的差不多一半。

当然,Atom 并不能完全代表 x86 处理器,Tegra 3 也只是诸多 ARM 处理器中比较费电的一款,但这个例子的教育意义在于它打破了传统上认为「ARM 比 x86 省电」的迷思:没错,在对性能要求不高的情况下,ARM 的确比 x86 省电,因为 ARM 天生就是为低功耗这一目标打造的;但随着应用的不断深入,人们对移动设备的性能要求越来越高,目前在高端平板【或者说普通笔记本替代品】这个尺度的应用上以 Atom 为代表的 x86 处理器已经具有相当的功耗优势。假以时日,在给定性能基础上 x86 做到比 ARM 功耗更低并不存在太大技术上的障碍。

其次,处理器功耗只是整个设备功耗的一部分,甚至不是最主要的部分,特别是在触屏移动设备上还有屏幕、无线通讯模块这样的耗能大户。比如从上面那张表可以看出,处理器的功耗占总功耗的比例,在绝大多数情况下都不超过 20%,实际使用场合下的功耗占比更是会低于 10%【处理器大部分时候在休眠】。技术的进步可以相对快速的降低处理器的功耗,但由于物理规律的限制【比如屏幕始终需要维持足够的亮度、无线通讯始终是需要发射足够强的电磁波】,设备上的其他耗能大户功耗降低的幅度要小得多。这就意味着单纯削减处理器功耗以延长续航时间的边际效用会越来越小,到一定程度后对整个设备的续航时间的影响变得微乎其微、花大成本提高处理器功耗的回报太低以至于不经济。Intel 的下一代平台 Haswell 之所以要强调全平台的低功耗也部分是出于这个原因。当然目前我们还没有到那个时候,现在还不用操心这个,但要记住这一点。

————我是技术/商业分割线————

好了,如果现在你和我一样相信 Intel 有能力在功耗和性能上都战胜 ARM,为什么现在绝大部分移动设备采用的是 ARM 而不是 x86 处理器呢?或者说为什么 Intel 会在移动市场上如此「失败」呢?

因为 ARM 代表的产业模式对于 Intel 而言是一场商业灾难。

Intel 这么多年习惯的模式是生产制造几十、几百美元的处理器,在这个价位上的生产制造毛利率高得吓人。而正是丰厚的毛利率使得 Intel 敢于付出高昂的代价研发下一代处理器技术和生产线制程,从而保持领先竞争对手至少一个代际的技术优势。比如现在 Intel 的主流 Core 系列的制程是 22nm,同时期的 ARM 还处于 40nm 到 32nm 或者 32nm 到 28nm 的过渡阶段,而 Intel 已经在新建 14nm 的生产线了。

反观一片 ARM 处理器才卖几美元,利润率微薄,即便出货量大不少【不要忘了出货量和生产线投入之间的准线性关系】,却也不能满足 Intel 这样的巨鳄【巨饿?XD】的胃口,更不能让它保持目前的「高研发/高毛利相互驱动」的商业模式。不玩自家的游戏规则,Intel 沦为二三流厂商那是分分钟可能发生的危险。Intel 管理层不希望看到这个未来,Intel 的股东们更不希望。

另外,移动 SoC 市场中公司之间的合作模式也不适合 Intel。为了节省制造成本和降低功耗,移动 SoC 经常需要集成多家厂商的 IP 块于一片上,那么两个问题就随之而来了:1) Intel 会不会授权自己的 IP 块给其他厂商,比如苹果?这可不是 Intel 擅长的,因为授权设计的收入比销售最终产品的收入要低得多;2) 最终生产的时候用谁的生产线?Intel 可不会白白的让出自己投入巨资研发制造的最新制程的生产线给别人用;就算 Intel 愿意,别人也不见得用得起,毕竟有低毛利率的限制。而 ARM 则没有这些顾虑:ARM 设计和生产是分离的,设计的 IP 块可以单独授权给各家厂商自行定制整合,而制造采用的是比较成熟的生产线,成本低、可选厂家也多。

这就是为什么 Intel 在移动领域涉足很晚也很勉强、为什么功耗低、单价更低的 Atom 处理器始终比最先进的 Core 处理器落后一两代的原因。非不能也,乃不为也;因何不为?利益使然尔!

然而市场现实是台式机、笔记本的出货量稳步下降,Intel 寄予厚望的 Ultrabook 不成气候也没能让笔记本市场死灰复燃;与此同时,移动设备份额稳步飙升,ARM 处理器的性能在多数场合都能满足需求【good enough】,甚至有威胁 Intel 在服务器市场的潜能。这一切都迫使 Intel 不得不面对 ARM 这个难题;而这个难题的主要症结不在于技术,而在于 Intel 能不能否定自我、推倒重来。

[1]:

AnandTech - The x86 Power Myth Busted: In-Depth Clover Trail Power Analysis

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