ARM與x86的較量 未來(lái)誰(shuí)更適合云計(jì)算時(shí)代？ - 全文

　　ARM和英特爾處理器架構(gòu)之爭(zhēng)不斷升溫。英特爾x86如今的地位確實(shí)難以動(dòng)搖，但是ARM具有顯著的功耗優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)更具吸引力。那么什么樣的CPU最能滿足未來(lái)的需求呢？

　　ARM于2011年發(fā)布了Cortex-A15處理器，它采用多核無(wú)序超標(biāo)量設(shè)計(jì)，主頻可高達(dá)2.5GHz。Cortex-A15具有重要意義，因?yàn)樗c前代的ARM設(shè)計(jì)背道而馳，前代ARM處理器以犧牲性能為代價(jià)實(shí)現(xiàn)最低能耗。相反，Cortex-A15以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的性能指標(biāo)為明確目標(biāo)，而把低能耗放在了次要位置。ARMHoldings從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一家向其他制造商發(fā)放自身設(shè)計(jì)許可的知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司，由制造商制造芯片，然后再將芯片應(yīng)用于其他制造商的系統(tǒng)產(chǎn)品之中。2012年底，市場(chǎng)上開(kāi)始出現(xiàn)采用Cortex-A15設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，預(yù)計(jì)2013年將會(huì)出現(xiàn)更多此類產(chǎn)品。

　　但是，想要贏得未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的處理器公司并不只ARM一家。幾周前，英特爾針對(duì)數(shù)據(jù)中心發(fā)布了基于自身凌動(dòng)架構(gòu)的全新低功耗CPU。凌動(dòng)S1200系列旨在提供x86在低功耗片上系統(tǒng)上的指令集兼容性，。凌動(dòng)S1200系列主要針對(duì)微服務(wù)器和其他以性能為導(dǎo)向、功耗較低的應(yīng)用。

　　以下是三星Exynos5250（對(duì)最近推出的Cortex-A15的授權(quán)實(shí)施）和英特爾凌動(dòng)S1260（S1200系列的高端產(chǎn)品）的簡(jiǎn)要對(duì)比情況。Exynos5系列應(yīng)用于最新的SamsungGoogleChromebook和Nexus10平板電腦中。需要特別說(shuō)明的是，三星Exynos5250與英特爾凌動(dòng)S1260這兩款處理器都僅是龐大的處理器家族中的，因此對(duì)某一市場(chǎng)所進(jìn)行的最佳優(yōu)化并不完全適合另一個(gè)市場(chǎng)。最典型的示例就是Exynos的4GB內(nèi)存限制，這對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)很正常，但是顯然并不適合云計(jì)算。但是，Cortex-A15架構(gòu)采用了一個(gè)40位的分頁(yè)內(nèi)存算法（“大物理地址擴(kuò)展”），可支持高達(dá)1TB的內(nèi)存。

　　注意：Exynos5250的功耗目前尚且未知，難以獲取。我尋遍所有三星文檔，也未能發(fā)現(xiàn)。我唯一的收獲是在StreamComputing找到了電壓預(yù)估。這一數(shù)值可能并不正確。此處的主要目的是說(shuō)明它的功耗相當(dāng)?shù)停赡艿陀诹鑴?dòng)1260。

　　現(xiàn)在的問(wèn)題是ARM和英特爾x86哪款CPU更好？然而這將引發(fā)另外一個(gè)問(wèn)題：在哪方面更好？Leverhawk主要感興趣的兩個(gè)市場(chǎng)是移動(dòng)計(jì)算和云計(jì)算，因此，此后的分析也將更側(cè)重于這兩方面的內(nèi)容。

　　將要進(jìn)行對(duì)比的主要因素包括：

　　功耗

　　性能

　　應(yīng)用兼容性

　　數(shù)據(jù)中心特性

　　移動(dòng)計(jì)算

　　在移動(dòng)世界，如果其他條件都相同，那么功耗則是取得成功重要的決定性因素。雖然晶體管數(shù)量、內(nèi)存大小和磁盤容量都在不斷增加，但是電池性能并未隨之增強(qiáng)。ARM架構(gòu)具有相當(dāng)出色的能效，因此，目前它廣泛應(yīng)用于包括智能手機(jī)和平板電腦在內(nèi)的各種移動(dòng)設(shè)備中。但是除了智能手機(jī)和平板電腦外，移動(dòng)市場(chǎng)還包括筆記本電腦和上網(wǎng)本。

　　談到智能手機(jī)和平板電腦時(shí)，用戶通常會(huì)有這樣的想法，“我希望設(shè)備能夠隨身攜帶，而且至少能夠運(yùn)行一整天不用充電。設(shè)備不能太重，所以不能使用巨大的電池;設(shè)備必須具有出色的能效。但是除了電池需要能夠保持一整天外，我還需要設(shè)備保持較快的速度，因?yàn)槲蚁Ｍ恢痹谠O(shè)備上運(yùn)行各種應(yīng)用。我無(wú)需在手機(jī)或平板電腦上運(yùn)行與臺(tái)式機(jī)相同的系統(tǒng);我希望購(gòu)買新軟件，以適合新的使用模式。我不需要TB級(jí)的內(nèi)存或者像ECC那樣卓越的數(shù)據(jù)中心特性?！?/p>

　　只要摒棄對(duì)現(xiàn)有操作系統(tǒng)和應(yīng)用的依賴并假定會(huì)出現(xiàn)新的應(yīng)用環(huán)境（比如iOS和Android），那么ARM將是絕對(duì)的贏家，因?yàn)樗哂懈錾哪苄?，同時(shí)還能提供良好的性能。

　　而筆記本電腦和上網(wǎng)本市場(chǎng)考慮的則會(huì)稍有不同?？赡軙?huì)是這樣，“我希望電池能使用3到6個(gè)小時(shí)而無(wú)需充電。設(shè)備可以大一點(diǎn)、重一點(diǎn)，因此可以使用容量更大的電池。希望它能夠像臺(tái)式機(jī)設(shè)備那樣，只不過(guò)是移動(dòng)的。所以，我希望設(shè)備能夠運(yùn)行臺(tái)式機(jī)的應(yīng)用。使用電池時(shí)我可以在性能上做出一些犧牲，而插上電源后則可以獲得出色的性能。我需要幾GB的RAM，但是無(wú)需卓越的數(shù)據(jù)中心特性?！?/p>

　　在這種情況下，操作系統(tǒng)和應(yīng)用的兼容性是需要考慮的主要特性，因此高能效的x86設(shè)計(jì)將是更好的選擇。

　　現(xiàn)在，這一切都顯而易見(jiàn)，因?yàn)槭袌?chǎng)已經(jīng)在按照這個(gè)趨勢(shì)發(fā)展。讓我們來(lái)看一下我們能否提取出一些要點(diǎn)：

　　ARM將繼續(xù)在移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域中表現(xiàn)出色，而移動(dòng)設(shè)備中出現(xiàn)新操作系統(tǒng)和應(yīng)用環(huán)境則是再正常不過(guò)的了。用戶無(wú)法運(yùn)行臺(tái)式機(jī)應(yīng)用，而且電池使用時(shí)間也非常重要。

　　但是，ARM短期內(nèi)在筆記本電腦或上網(wǎng)本領(lǐng)域難以取得重要斬獲。如果我需要一臺(tái)可移動(dòng)的臺(tái)式機(jī)，我希望能使用所有現(xiàn)有軟件。除非iOS或Android可以在具有傳統(tǒng)鍵盤的設(shè)備上運(yùn)行，并開(kāi)發(fā)一個(gè)足夠豐富的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)替代我的所有臺(tái)式機(jī)功能，否則這種現(xiàn)狀難以改變。

　　可能會(huì)有一種例外，那就是高度受限的筆記本電腦/上網(wǎng)本，比如GoogleChromebook。在這些設(shè)備上使用web瀏覽器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行應(yīng)用。這些設(shè)備并非適用于所有人，但是由于對(duì)全部軟件堆棧的嚴(yán)格控制以及使用的相關(guān)轉(zhuǎn)變，他們可以而且已經(jīng)使用了ARM。

　　英特爾在手機(jī)和平板電腦等較小設(shè)備上的表現(xiàn)并不盡如人意。雖然最新的凌動(dòng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的x86標(biāo)準(zhǔn)相比具有相當(dāng)出色的能效，但是它們的性能功耗比還是難以媲美最新的ARM設(shè)計(jì)。如果不需要與傳統(tǒng)的臺(tái)式機(jī)電腦軟件相兼容，那么x86則沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)。比如，我們看到微軟新的SurfaceRT平板電腦使用的是ARM，而新的SurfacePro因?yàn)樾枰峁﹤鹘y(tǒng)Windows臺(tái)式機(jī)的兼容性，則使用的是x86。不過(guò)，SurfacePro電池的使用時(shí)間只有SurfaceRT的一半。

　　這些要點(diǎn)最終顯示，對(duì)于傳統(tǒng)的Wintel生態(tài)系統(tǒng)巨人微軟和英特爾來(lái)說(shuō)，ARM是一個(gè)巨大的威脅。如果再考慮到智能手機(jī)和平板電腦正在成為許多移動(dòng)員工的主要設(shè)備、移動(dòng)是主要增長(zhǎng)市場(chǎng)等因素，那么這一威脅將無(wú)限放大。風(fēng)險(xiǎn)投資公司KleinerPerkinsCaulfieldandByers的合伙人MaryMeeker最近發(fā)布了一份報(bào)告，證明了這一觀點(diǎn)。目前，為iPad或Android平板電腦加裝鍵盤變得越來(lái)越普遍，而這將提高其與筆記本電腦和上網(wǎng)本的競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)ARM需求的增長(zhǎng)。

　　云計(jì)算

　　那么，云計(jì)算和服務(wù)器端應(yīng)用呢？在這種環(huán)境中，英特爾x86架構(gòu)適合在家庭中應(yīng)用。事實(shí)上，目前大多數(shù)數(shù)據(jù)中心使用的都是英特爾至強(qiáng)產(chǎn)品。但在未來(lái)，是否將發(fā)生改變？ARM在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的價(jià)值定位簡(jiǎn)單明了：ARM具有出色的能效，而數(shù)據(jù)中心則需要大量耗能。使用基于ARM的處理技術(shù)可以降低數(shù)據(jù)中心的整體功耗，從而降低運(yùn)行成本;同時(shí)更出色的散熱密度還有助于推動(dòng)小型數(shù)據(jù)中心的發(fā)展。

　　理論上聽(tīng)起來(lái)不錯(cuò)，但實(shí)際能否站得住腳呢？

　　為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要對(duì)將要運(yùn)行的預(yù)期工作負(fù)載有所了解。關(guān)鍵的幾個(gè)工作負(fù)載包括：

　　傳統(tǒng)的Windows和Linux實(shí)例

　　功能單一、控制嚴(yán)格的工作負(fù)載，如數(shù)據(jù)庫(kù)

　　云計(jì)算

　　大型web資產(chǎn)

　　讓我們依次來(lái)了解這些工作負(fù)載

　　傳統(tǒng)的Windows和Linux實(shí)例——這是如今我們所熟知的傳統(tǒng)的IT工作負(fù)載。用戶希望運(yùn)行各種隨機(jī)的Windows或Linux工作負(fù)載。在這一應(yīng)用中，應(yīng)用軟件的兼容性是關(guān)鍵所在。硬件必須能夠在各種應(yīng)用間提供出色的性能。x86在該情況下大放異彩。目前，微軟正在研究面向ARM的Windows端口。雖然這將幫助遷移部分工作負(fù)載，但是它不能幫助遷移已經(jīng)在x86上運(yùn)行的數(shù)十萬(wàn)企業(yè)應(yīng)用。

　　功能單一、控制嚴(yán)格的工作負(fù)載——如果您可以嚴(yán)格控制所運(yùn)行的應(yīng)用，那么您就可以優(yōu)化硬件，從而提供最出色的價(jià)格、性能和功耗。數(shù)據(jù)庫(kù)就是一個(gè)很好的例子，它非常重要，因此值得這么做。目前，Oracle等已經(jīng)意識(shí)到這一點(diǎn)，甚至提供了Exadata等優(yōu)化的硬件系統(tǒng)。ARM是否適合，都取決于您是否對(duì)功耗或性能進(jìn)行優(yōu)化。例如Oracle的Exadata優(yōu)化了性能并使用英特爾至強(qiáng)處理器，而沒(méi)有使用ARM，但是其他工作負(fù)載可能更適合使用ARM。

　　云計(jì)算——云計(jì)算在許多方面都與傳統(tǒng)的Windows和Linux實(shí)例類似。如果服務(wù)提供商不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)將要運(yùn)行的應(yīng)用，那么將默認(rèn)提供基于x86的廣泛兼容服務(wù)。此外，如果對(duì)云提供商的性價(jià)比指標(biāo)進(jìn)行判斷和對(duì)比，那么高端的至強(qiáng)處理器將是。

　　大型web資產(chǎn)——有時(shí)候在一句話中能看到ARM與Facebook等名稱同時(shí)出現(xiàn)。大型web資產(chǎn)是一項(xiàng)特殊資產(chǎn)。首先，它規(guī)模宏大，因此節(jié)能對(duì)于整體來(lái)說(shuō)非常重要。其次，工作負(fù)載受到相當(dāng)嚴(yán)格的控制，足夠穩(wěn)定。Facebook的數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行構(gòu)成Facebook應(yīng)用的所有個(gè)體工作負(fù)載，但是這些工作負(fù)載通常具有相對(duì)較高的穩(wěn)定性。如果公司可以隔離部分這樣的工作負(fù)載，那么就適當(dāng)優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施。例如，可能部分與IO捆綁的Facebook處理無(wú)需大量處理。這是向環(huán)境推出ARM的最好時(shí)機(jī)。Facebook嚴(yán)格控制在ARM處理器上運(yùn)行的應(yīng)用并可以移植它們所需的信息。大量Facebook應(yīng)用都是以PHP格式編寫(xiě)的，可以在HipHopJIT編譯引擎中執(zhí)行。如果Facebook將JIT擴(kuò)展至支持ARM，那么公司可以在此后快速遷移大量PHP代碼。其他web資產(chǎn)也可以采用類似戰(zhàn)略。但是Google和微軟都已經(jīng)就使用所謂的“wimpy核心”進(jìn)行處理進(jìn)行了撰文，而且得出了不同的結(jié)論：Google表示不會(huì)使用，但是微軟則持謹(jǐn)慎的樂(lè)觀態(tài)度。

　　由此，得出一個(gè)共同主旨：在應(yīng)用兼容性方面x86相對(duì)于ARM來(lái)說(shuō)具有明顯競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如果您運(yùn)行控制嚴(yán)格的應(yīng)用，那么使用ARM進(jìn)行功耗優(yōu)化則可能適合您;但是如果您希望處理各種工作負(fù)載和應(yīng)用，那么x86則是更好的選擇。

　　因此，英特爾最近推出的凌動(dòng)產(chǎn)品可能是最理想的選擇。雖然它沒(méi)有ARM那樣絕對(duì)的高能效，但是它大幅降低了功耗，而且還保持了x86的軟件兼容性，并能提供服務(wù)器級(jí)別的特性，如64位處理能力、虛擬化和內(nèi)存糾錯(cuò)。微軟發(fā)現(xiàn)，使用凌動(dòng)處理器處理Bing工作負(fù)載時(shí)，雖然為了滿足性能需求需要進(jìn)行悉心優(yōu)化，但可帶來(lái)大量?jī)?yōu)勢(shì)。

　　結(jié)論

　　軟件兼容性這一強(qiáng)大影響因素幫助英特爾x86家族攀上了現(xiàn)代CPU的頂峰。雖然在低功耗方面ARM較x86具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是ARM要求用戶放棄x86軟件的兼容性。在某些情況下，這是可以接受的，比如智能手機(jī)、平板電腦和高度受控的數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算工作負(fù)載。無(wú)論是用戶不需要或者不想運(yùn)行現(xiàn)有x86二進(jìn)制還是代碼庫(kù)太小，遷移至ARM都是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的任務(wù)。但是，除了這些使用情形外，ARM還面臨著一件棘手的事情。英特爾最近針對(duì)微服務(wù)器優(yōu)化的凌動(dòng)處理器不僅可實(shí)現(xiàn)低功耗，而且還保留了x86的兼容性。雖然面臨著這些挑戰(zhàn)，但是ARM在智能手機(jī)和平板電腦這些無(wú)需x86兼容性的市場(chǎng)還是實(shí)現(xiàn)了大幅增長(zhǎng)。最終，智能手機(jī)/平板電腦市場(chǎng)的擴(kuò)大將幫助創(chuàng)建一個(gè)基于ARM的大型生態(tài)系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)可在數(shù)據(jù)中心內(nèi)對(duì)x86發(fā)起挑戰(zhàn)，但是要想在專門應(yīng)用以外的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。

　　內(nèi)幕

　　雖然ARM架構(gòu)提供了令人不可思議的潛能，但是它仍然還處于起步階段而且面臨著許多巨大挑戰(zhàn)。首先，最新一代的ARM芯片尚未在第一時(shí)間為企業(yè)的數(shù)據(jù)中心做好準(zhǔn)備。到目前為止，ARM架構(gòu)僅支持32位指令集，這會(huì)導(dǎo)致在企業(yè)中出現(xiàn)問(wèn)題。大部分服務(wù)器操作軟件和企業(yè)級(jí)應(yīng)用都基于64位架構(gòu)，無(wú)法在當(dāng)前的ARM芯片和平臺(tái)上運(yùn)行。Calxeda、AppliedMicro和AMD都已經(jīng)意識(shí)到這一大問(wèn)題，因此都宣布將在2013年末或2014年初發(fā)布64位版本。

　　其次，即使64位ARM芯片可用，也需要針對(duì)ARM架構(gòu)對(duì)許多企業(yè)應(yīng)用進(jìn)行重新編寫(xiě)或重新編譯。微軟已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)面向ARM的64位版本，而Facebook、惠普、AMD、三星和其他廠商最近發(fā)起成立了LinaroEntepriseGroup，以加速基于ARM架構(gòu)的軟件開(kāi)發(fā)。目前尚無(wú)廠商使用ARM處理器構(gòu)建商用云。雖然去年7月，Rackspace、惠普、Canonical和其他OpenStack成員宣布了他們開(kāi)發(fā)基于ARM的云的意圖，但是目前唯一上市的產(chǎn)品僅是ARMsandbox上可通過(guò)TryStack使用的OpenStackEssex。

　　此外，尚存的疑慮還包括ARM服務(wù)器是否在數(shù)據(jù)中心內(nèi)支持特定工作負(fù)載，或者它們是否能夠真正取代x86架構(gòu)。ARM特別適合web擴(kuò)展應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析，但是更多常用企業(yè)工作負(fù)載和常見(jiàn)云服務(wù)的價(jià)值定位還有待觀察。

　　最后一個(gè)挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)中心采購(gòu)者本人的性格，這些人通常保守、善變、不希望有任何風(fēng)險(xiǎn)存在。他們不僅需要熟悉ARM技術(shù)和廠商，而且需要熟悉多個(gè)架構(gòu)的潛在需求，以便支持他們的數(shù)據(jù)中心。

　　2014年將是ARM、企業(yè)和云具有發(fā)展機(jī)遇的一年。雖然問(wèn)題和挑戰(zhàn)依然存在，但將值得期待。