CPU架構解析：ARM和x86大比拼
信不信，隨便逮住一個人問他知不知道CPU，我想他的答案一定會是肯定的，但是如果你再問他知道ARM和X86架構麼?這兩者的區別又是什麼?絕大多數的人肯定是一臉懵逼。今天小編就帶你深入瞭解CPU的這兩大架構：ARM和X86。以後出去裝X就靠它了!
信不信，隨便逮住一個人問他知不知道CPU，我想他的答案一定會是肯定的，但是如果你再問他知道ARM和X86架構麼?這兩者的區別又是什麼?絕大多數的人肯定是一臉懵逼。今天小編就帶你深入瞭解CPU的這兩大架構：ARM和X86。以後出去裝X就靠它了!
重溫下CPU是什麼鬼
中央處理單元(CPU)主要由運算器、控制器、寄存器三部分組成，從字面意思看運算器就是起着運算的作用，控制器就是負責發出CPU每條指令所需要的信息，寄存器就是保存運算或者指令的一些臨時文件，這樣可以保證更高的速度。
CPU有着處理指令、執行操作、控制時間、處理數據四大作用，打個比喻來說，CPU就像我們的大腦，幫我們完成各種各樣的生理活動。因此如果沒有 CPU，那麼電腦就是一堆廢物，無法工作。移動設備其實很複雜，這些CPU需要執行數以百萬計的指示，才能使它向我們期待的方向運行，而CPU的速度和功率效率是至關重要的。速度影響用戶體驗，而效率影響電池壽命。最完美的移動設備是高性能和低功耗相結合。
要了解X86和ARM，就得先了解複雜指令集(CISC)和精簡指令集(RISC) 從CPU發明到現在，有非常多種架構，從我們熟悉的X86、ARM，到不太熟悉的MIPS、IA64，它們之間的差距都非常大。但是如果從最基本的邏輯角度來分類的話，它們可以被分爲兩大類，即所謂的“複雜指令集”與“精簡指令集”系統，也就是經常看到的“CISC”與“RISC”。
Intel和ARM處理器的第一個區別是，前者使用複雜指令集(CISC)，而後者使用精簡指令集(RISC)。屬於這兩種類中的各種架構之間最大的區別，在於它們的設計者考慮問題方式的不同。下面小編分別來介紹：
x86：Intel一家獨大
提到芯片巨頭英特爾，每一個互聯網用戶應該都不會感到陌生，英特爾的CPU製造技術冠絕全球，但是你知道這家巨頭企業是如何發家的麼?
事情要從1978年6月8日說起，Intel發佈了一款新型的微處理器“8086”。而這款處理器在新出現時並沒有得到什麼關注，可是他卻創造了一個新的時代。8086意味着x86架構的誕生，而x86作爲特定微處理器執行計算機語言的指令集，定義了芯片的基本使用規則。8086也直接帶動了Intel成爲全球首屈一指的芯片巨頭。
而x86不僅僅使Intel平步青雲，也成爲了業界的一種標準。在過去的幾十年裏，無論是筆記本、服務器、超級計算機還是編寫設備，都可以看到x86的身影。而且，x86架構還在通過不同的方法進行改進，無論AMD、VIA都可以通過X86指令集的彈性來對付Intel，迫使x86進行改變。
通過幾十年的技術積累，x86服務器在服務器領域的地位幾乎是獨孤求敗。小巧靈活的x86服務器在市場上應用十分廣泛，互聯網以及局域網內的文件、打印、通訊、web、電子郵件、數據庫以及應用服務等多個領域都可以一展身手。
x86服務器最大的特色在於可以兼容Windows操作系統，全部都採用了Intel的CPU。而Intel的x86服務器也可以分爲兩代，最初採用的 80x86系列在發佈了產品80486後，Intel對該系列產品進行了重新命名並註冊，這也就是現在Intel的Pentium系列，當然，這個系列在中國還有個更響亮的名字，即奔騰系列。
目前奔騰系列的CPU包括：Pentium、Pentium MMX、Pentium Pro、PII、PII Xeon(至強)、PIII、PIII Xeon、P4 Xeon、Celeron2(賽揚)等。
x86：40多年一路堅持
x86老麼?從時間上來看，確實老了。x86從1978年至今已經將近40年。可經過各種風雲變幻之後，x86依然是服務器行業絕對的領導者，說這樣的一個服務器行業領袖已經老去，那無非便是在指摘支撐起整個互聯網的服務器行業已老。
而且，經歷了很多代的改進和變革，x86架構服務器依然是最快的架構之一。而且現在x86也是整個行業的標杆，從技術上來看x86從未落後過，只不過是和其他架構的服務器相比差距大小是否被拉近了。
從指令集架構來看，CISC確實是有些陳舊了。即便是Intel也已經承認，CISC架構確實限制了CPU的發展。在CISC微處理器程序的各條指令相互串聯執行，指令操作也需要串行執行，按照這種方式來進行任務執行，其控制當然十分簡單，但計算機的整體利用率卻被拖了後腿，執行速度相對偏慢。這也是CISC架構爲中低檔服務器所採用的原因之一。
複雜指令集是一種伴隨着計算機誕生便存在的一種指令集。其擁有較強的處理高級語言的能力，對於提高計算機性能有一定好處。而日趨複雜的指令系統不僅帶來的效率的低下，還致使系統結構的複雜性增加，這種複雜性也將導致了CISC的通用性不佳。
ARM：移動端異軍突起
在PC領域，Intel的CPU一枝獨秀。而在移動端呢?那就當屬ARM了。ARM全稱爲Advanced RISC Machine，也就是進階精簡指令集機器。ARM是RISC微處理器的代表作之一，其廣泛的在嵌入式系統設計中被使用。而且ARM處理器最大的特點在於節能，這也是其在移動通信領域無人能敵的原因之一。
打造ARM64位服務器
在過去，ARM專注於發展32位架構，在移動端稱霸多年，讓Intel眼饞不矣。而在PC和服務器領域，Intel的市場也讓ARM十分眼紅。ARM於 2011年底發佈的ARMv8爲其首款64位處理器，而戴爾在2013年發佈了其首款基於ARM64位構架的服務器，相應的服務器解決方案也被開發出來。
專家認爲，儘管Intel的x86處理器在服務器領域依然無敵，但64位的ARM構架應該可以找到自己的一席之地，ARM在內存和網絡接口同計算核心間的距離會被儘可能的拉近，並藉此承載起密度極高的大量計算進程，這種特性與Web服務器及其應用十分契合。
在服務器領域，Intel的芯片也有很多水土不服的領域，比如內存容量、I/O和處理性能不成比例時，ARM處理器的表現會更加合格。ARM處理器的 ISA複雜程度要低很多，開發成本也要低，相應的，ARM服務器廠商針對這些應用場景所開發的服務器也就擁有了打敗Intel的前提條件。而從這些應用環境所切入服務器市場的ARM架構服務器其針對客戶也正是x86的原有部分客戶。
而Intel是不會輕易放手的，在服務器領域，其工藝對ARM保持領先，其處理器性能也遠高於ARM處理器，可在功耗方面一直是Intel的一個心病。
此外，Intel也想進軍移動端，要打敗ARM，在低功耗的服務器領域發力便是一個好的選擇。採用了14nm工藝的Xeon-D，其包括的2個1.4G的Broadwell內核和GPU的功耗才僅僅爲6W，在性能功耗比方便比ARM要高出不少。
在2008年，Intel推出了Atom處理器，這款處理器是Intel史上體積最小，功耗最低的處理器，其開創出去便是之中彌補自己在移動計算領域先天不足的問題，而這一領域被ARM霸佔多年，在技術和經驗中Intel都不佔優勢，想要打敗ARM又談何容易?
既然雙方都對對方的領域虎視眈眈，那麼ARM和Intel的大戰絕對是不可避免的。那麼想要進入Intel的服務器領域，ARM就需要拿出來真本事了，以其64位元處理器作爲基礎的芯片設計，功耗低、成本低，具備構架彈性，以這些優勢去硬碰Intel又能有幾成勝算呢?
換個角度看，ARM芯片架構具備一定的靈活性，可以實現很多企業的特性需求，比如緩存一致性以及容錯和高可用性等，其軟件的生態環境成熟度卻不及Intel，即便是有了更多的企業關注也未必就能有把握擊敗Intel，那麼又是什麼支持這ARM來客場挑戰Intel呢?
ARM與X86大比拼
從幾個方面比較ARM與X86架構Intel和ARM的處理器，除了最本質的複雜指令集(CISC)和精簡指令集(RISC)的區別之外，下面我們再從以下幾個方面對比下ARM和X86架構。
1、製造工藝ARM和Intel處理器的一大區別是ARM從來只是設計低功耗處理器，Intel的強項是設計超高性能的臺式機和服務器處理器。
一直以來，Intel都是臺式機的服務器行業的老大。然而進入移動行業時，Intel依然使用和臺式機同樣的複雜指令集架構，試圖將其硬塞入給移動設備使用的體積較小的處理器中。但是Intel i7處理器平均發熱率爲45瓦。基於ARM的片上系統的發熱率最大瞬間峯值大約是3瓦，約爲Intel i7處理器的1/15。其最新的Atom系列處理器採用了跟ARM處理器類似的溫度控制設計，爲此Intel必須使用最新的22納米制造工藝。
2、64位計算對於64位計算，ARM和Intel也有一些顯著區別。Intel並沒有開發64位版本的x86 指令集。64位的指令集名爲x86-64(有時簡稱爲x64)，實際上是AMD設計開發的。Intel想做64位計算，它知道如果從自己的32位x86架構進化出64位架構，新架構效率會很低，於是它搞了一個新64位處理器項目名爲IA64。由此製造出了Itanium系列處理器。
而 ARM在看到移動設備對64位計算的需求後，於2011年發佈了ARMv8 64位架構，這是爲了下一代ARM指令集架構工作若干年後的結晶。爲了基於原有的原則和指令集，開發一個簡明的64位架構，ARMv8使用了兩種執行模式，AArch32和AArch64。顧名思義，一個運行32位代碼，一個運行64位代碼。ARM設計的巧妙之處，是處理器在運行中可以無縫地在兩種模式間切換。這意味着64位指令的解碼器是全新設計的，不用兼顧32位指令，而處理器依然可以向後兼容。
3、異構計算ARM的 big.LITTLE架構是一項Intel一時無法複製的創新。在big.LITTLE架構裏，處理器可以是不同類型的。傳統的雙核或者四核處理器中包含同樣的2個核或者4個核。一個雙核Atom處理器中有兩個一模一樣的核，提供一樣的性能，擁有相同的功耗。ARM通過big.LITTLE向移動設備推出了異構計算。這意味着處理器中的核可以有不同的性能和功耗。當設備正常運行時，使用低功耗核，而當你運行一款複雜的遊戲時，使用的是高性能的核。
這是什麼做到的呢?設計處理器的時候，要考慮大量的技術設計的採用與否，這些技術設計決定了處理器的性能以及功耗。在一條指令被解碼並準備執行時，Intel和ARM的處理器都使用流水線，就是說解碼的過程是並行的。
爲了更快地執行指令，這些流水線可以被設計成允許指令們不按照程序的順序被執行(亂序執行)。一些巧妙的邏輯結構可以判斷下一條指令是否依賴於當前的指令執行的結果。Intel和ARM都提供亂序執行邏輯結構，可想而知，這種結構十分的複雜，複雜意味着更多的功耗。
那爲什麼反而ARM的比X86耗電少得多呢。這就和另外一個因素相關了，那就是設計。
設計又分爲前端和後端設計，前端設計體現了處理器的構架，精簡指令集和複雜指令集的區別是通過前端設計體現的。後端設計處理電壓、時鐘等問題，是耗電的直接因素。當然，其中任何一項都會使得時鐘和電源所控制的模塊無法工作。他們的區別在於，門控時鐘的恢復時間較短，而電源控制的時間較長。此外，如果條單條指令使用多個模塊的功能，在恢復功能的時候，並不是最慢的那個模塊的時間，而可能是幾個模塊時間相加，因爲這牽涉到一個上電次序的問題，也就是恢復工作時候模塊間是有先後次序的，不遵照這個次序，就無法恢復。而遵照這個次序，就會使得總恢復時間很長。
所以在後端這塊，可以得到一個結論，爲了省電，可以關閉一些暫時不會用到的處理器模塊。但是也不能輕易的關閉，否則一旦需要，恢復的話會讓完成某個指令的時間會很長，總體性能顯然降低。此外，子模塊的門控時鐘和電源開關通常是設計電路時就決定的，對於操作系統是透明的，無法通過軟件來優化。
再來看前端。ARM的處理器有個特點，就是亂序執行能力不如X86。換句話說，就是用戶在使用電腦的時候，他的操作是隨機的，無法預測的，造成了指令也無法預測。X86爲了增強對這種情況下的處理能力，加強了亂序指令的執行。此外，X86還增強了單核的多線程能力。這樣做的缺點就是，無法很有效的關閉和恢復處理器子模塊，因爲一旦關閉，恢復起來就很慢，從而造成低性能。爲了保持高性能，就不得不讓大部分的模塊都保持開啓，並且時鐘也保持切換。這樣做的直接後果就是耗電高。而ARM的指令強在確定次序的執行，並且依靠多核而不是單核多線程來執行。這樣容易保持子模塊和時鐘信號的關閉，顯然就更省電。
ARM和X86現在發展如何?
關於X86架構和ARM架構這兩者誰將統一市場的爭執一直都有，但是也有人說這兩者根本不具備可比性，X86無法做到 ARM的功耗，而ARM也無法做到X86的性能。現在ARM架構已經具備了進入服務器芯片的能力，衆多芯片研發企業紛紛採用ARM架構研發服務器芯片無疑將促進其繁榮， 2015年一款採用ARM架構的Windows 10平板現身，這也是目前曝光的全球首款非X86架構、運行Windows系統的平板產品。
隨着移動網絡和互聯網融合互通日趨明顯，ARM發展後臺數據中心已經是大勢所趨，所以與其說ARM倒更像是背水一戰，無論是ARM還是Intel，雙方都沒有任何退路可言。