CPU架構(gòu)有多少種？X86與ARM有哪些不同之處？看完這篇你就懂了

一臺服務(wù)器、一臺電腦、一臺手機(jī)最重要的電子零部件是什么？沒錯，就是CPU處理器。它主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)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(gòu)嗎？主流的X86、ARM到底有什么區(qū)別？

下面就給大家介紹一下幾種常見的CPU架構(gòu)：

X86

1978年6月8日，Intel發(fā)布了史詩級的CPU處理器8086，由此X86架構(gòu)傳奇正式拉開帷幕。首次為8086引入X86作為計算機(jī)語言的指令集，定義了一些基本使用規(guī)則，X86架構(gòu)使用的是CISC復(fù)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不是那么熟悉，那么一定聽過奔騰處理器吧？況且為了紀(jì)念8086K誕生40周年，今年Intel發(fā)布了一顆紀(jì)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(wǎng)

IA64（Intel Architecture 64，英特爾架構(gòu)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(dāng)年X86過渡到64位指令集時，一個不小心被AMD彎道超車，最后只能聯(lián)合惠普推出了屬于自己的IA64指令集，但這也僅限于服務(wù)器上，也是Itanium安騰處理器的來歷（現(xiàn)在已經(jīng)涼了）。

圖片來自x86-guide

至于IA64究竟是RISC還是CISC指令集的延續(xù)，這個真的很難說清楚，但單純以IA64基于HP的EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精確并行指令計算機(jī)）來看，似乎更偏向于RISC體系。

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

在上世紀(jì)80年代由美國斯坦福大學(xué)Hennessy教授的研究小組研發(fā)，它采用精簡指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)(RISC)來設(shè)計芯片。和Intel采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)(CISC)相比，RISC具有設(shè)計更簡單、設(shè)計周期更短等優(yōu)點，并可以應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)更快的下一代處理器。MIPS是出現(xiàn)最早的商業(yè)RISC架構(gòu)芯片之一，新的架構(gòu)集成了所有原來MIPS指令集，并增加了許多更強(qiáng)大的功能。

MIPS自己只進(jìn)行CPU的設(shè)計，之后把設(shè)計方案授權(quán)給客戶，使得客戶能夠制造出高性能的CPU。

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

圖片來自龍芯官網(wǎng)

PowerPC

PowerPC是有藍(lán)色巨人IBM聯(lián)合蘋果、摩托羅拉公司研發(fā)的一種基于RISC精簡指令集的CPU，PowerPC架構(gòu)最大優(yōu)點是靈活性非常好，核心數(shù)目靈活可變，因此在嵌入式設(shè)備上具有很高效益，可以針對服務(wù)器市場做超多核，針對掌機(jī)做雙核，因此它具有優(yōu)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(jìn)階精簡指令集機(jī)器）

ARM可以說是一個異軍突起的CPU架構(gòu)，采用了RISC精簡指令集，而且ARM發(fā)展到今天，架構(gòu)上非常靈活，可以根據(jù)面向應(yīng)用場景不同使用不同設(shè)計的內(nèi)核，因此可以廣泛用于嵌入式系統(tǒng)中，同時它高度節(jié)能的特性，目前各種移動設(shè)備中全都是它的身影。據(jù)統(tǒng)計，使用ARM架構(gòu)的芯片年出貨量高達(dá)200億片，隨著物聯(lián)網(wǎng)時代降臨，對于低功耗性ARM芯片需求量會發(fā)生爆炸性增長。

圖片來自iFixit

CISC、RISC之爭

從上面得知，歷史的長河里面，有過許許多多的CPU架構(gòu)，它們之間的差異性非常大，經(jīng)過時間、用戶的檢驗，我們平常所接觸到CPU架構(gòu)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“復(fù)雜指令集”與“精簡指令集”系統(tǒng)，也就是經(jīng)?？吹降摹癈ISC”與“RISC”。

要了解X86和ARM CPU架構(gòu)，就得先了解CISC復(fù)雜指令集和RISC精簡指令集 ，因為它們第一個區(qū)別就是X86使用了復(fù)雜指令集（CISC），而后者使用精簡指令集（RISC）。造成他們使用不同該指令集的原因在于，面向的設(shè)備、對象、性能要求是不一樣。手機(jī)SoC普遍都是采用ARM提供的核心作為基礎(chǔ)，依據(jù)自身需求改變SoC的核心架構(gòu)，而ARM正正是RISC精簡指令集的代表人物。CPU巨頭Intel、AMD所采用的X86架構(gòu)已經(jīng)沿用了數(shù)十年，是CISC復(fù)雜指令集的典型代表。

CISC復(fù)雜指令系統(tǒng)就是為了增強(qiáng)原有指令的功能，設(shè)置更為復(fù)雜的新指令實現(xiàn)部分大量重復(fù)的軟件功能的硬件化。由于早期的電腦主頻低、運(yùn)行速度慢，為了提高運(yùn)算速度，不得已將更多的復(fù)雜指令加入到指令系統(tǒng)中來提高電腦的處理效率，慢慢形成以桌面電腦為首的復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)。其指令集也是在不斷更新增加當(dāng)中，如Intel為X299平臺上的處理器增加了AVX512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(xiàn)高性能CPU設(shè)計，但是設(shè)計起來就相當(dāng)麻煩了，要保持龐大硬件設(shè)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(fā)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(tǒng)計算機(jī)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(zhí)行周期減少，達(dá)到提升計算機(jī)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(zhí)行速度，這樣一來程序運(yùn)行時間縮短并且減少了尋址，提高了編譯效率，最終達(dá)到高性能目的。

這兩種指令集一直都在求同存異當(dāng)中，都在追求在體系架構(gòu)、操作運(yùn)行、軟硬件、編譯時間以及運(yùn)行時間等等諸多因素中做出某種平衡，以此達(dá)到當(dāng)初所設(shè)計的高效運(yùn)轉(zhuǎn)目的。

圖片來自新浪博客

功耗上的限制

從CISC、RISC設(shè)計思路來看，大家不難發(fā)現(xiàn)，他們走的路根本不一樣，前者專注于高性能方向，但帶來高功耗，而后者專注于做低功耗的嵌入式，對于性能的最強(qiáng)不是太過強(qiáng)勁。因此我們也看到Intel、AMD他們擅長于設(shè)計性能超高的X86處理器，而高通、蘋果依靠ARM IP授權(quán)設(shè)計出注重效能的SoC芯片。

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(jī)尺寸越來越小，電池容量、能量密度發(fā)展跟不上，手機(jī)所用ARM內(nèi)核只能是低功耗。

一般來說，處理器的功耗可以隨著制造工藝的進(jìn)步而降低，但近些年來，移動設(shè)備所采用的的SoC往往率先使用更小的納米工藝制程，比方說驍龍845的10nm，雖然里面有取巧成分，但推進(jìn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于Intel的10nm工藝，加之SoC還會有對應(yīng)的低功耗版本工藝，所以無論是設(shè)計上、還是工藝上的差別，都導(dǎo)致了ARM、X86功耗差異非常大。

大小核架構(gòu)

從前的X86傳統(tǒng)CPU，如果是四核或者是雙核，內(nèi)部的四個、兩個個核心都是一模一樣的，這樣的話，由于一旦軟件只能調(diào)度一個核心，處于高頻工作，但由于架構(gòu)限制，其余核心也要保持同樣的高頻率和高電壓狀態(tài)，這樣就浪費(fèi)了大量的能量在做無用功。后來就發(fā)展出了異步多核，允許不同核心工作在不同頻率上，以此換來更低功耗。

由于移動設(shè)備更加在意功耗，所以ARM采用了更加激進(jìn)的做法，八個核里面允許有不同Cortex-A架構(gòu)核心，那就是著名的ARM bigLITTLE。這樣的大小核設(shè)計目的很明確，就是在有限的電池容量中，兼顧性能、續(xù)航的需求，因此SoC內(nèi)部的CPU是采用異構(gòu)計算，既有高性能大核心，也有低功耗小核心。

bigLITTLE架構(gòu)框架，圖片來自ARM官網(wǎng)

芯片設(shè)計廠商可以根據(jù)自己的需求，設(shè)計出有針對性的產(chǎn)品，比方說目前高通驍龍845、華為的麒麟970、聯(lián)發(fā)科Helio X30都是bigLITTLE架構(gòu)，這樣的話如果你只是刷刷微博、朋友圈，那么只需要動用小核心就能完成任務(wù)，玩《絕地求生》吃雞游戲就可能大小核全開，從而保證性能、續(xù)航的平衡。

因此ARM的bigLITTLE異步多核架構(gòu)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(shù)，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(nèi)，用于二合一筆記本上。

ARM、X86也能相互融合

之前我們在另一篇超能課堂《手機(jī)SoC與電腦的CPU性能究竟差多少？》就總結(jié)過，RISC、CISC各有各的優(yōu)勢，目前兩者界限開始逐漸變得模糊，現(xiàn)代的CPU往往采用了CISC的外圍，而內(nèi)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(fā)展方向之一就是融合CISC以及RISC，從軟件、硬件上取長補(bǔ)短，進(jìn)一步提高處理器的并行性以及工藝水平。

X86、ARM在性能、功耗上各占優(yōu)勢，盡管ARM一直想進(jìn)入高性能服務(wù)器市場上，但一直都是雷聲大雨點小，前不久想要挑戰(zhàn)intel服務(wù)器地位的高通，ARM服務(wù)器部門直接裁員50%，技術(shù)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(gòu)Atom做手機(jī)SoC，結(jié)果還是敗給了ARM，虧掉數(shù)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(lǐng)域站穩(wěn)了腳跟，由于設(shè)計之初的理念不同，已經(jīng)很難滲入對方的領(lǐng)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(jìn)。