二、64位計(jì)算

　　對于64位計(jì)算，ARM和Intel也有一些顯著區(qū)別。Intel并沒有開發(fā)64位版本的x86指令集。64位的指令集名為x86-64（有時(shí)簡稱為x64），實(shí)際上是AMD設(shè)計(jì)開發(fā)的。Intel想做64位計(jì)算，它知道如果從自己的32位x86架構(gòu)進(jìn)化出64位架構(gòu)，新架構(gòu)效率會很低，于是它搞了一個(gè)新64位處理器項(xiàng)目名為IA64。由此制造出了Itanium系列處理器。

　　同時(shí)AMD知道自己造不出能與IA64兼容的處理器，于是它把x86擴(kuò)展一下，加入了64位尋址和64位寄存器。最終出來的架構(gòu)，就是 AMD64，成為了64位版本的x86處理器的標(biāo)準(zhǔn)。IA64項(xiàng)目并不算得上成功，現(xiàn)如今基本被放棄了。Intel最終采用了AMD64。Intel當(dāng)前給出的移動方案，是采用了AMD開發(fā)的64位指令集（有些許差別）的64位處理器。

　　而ARM在看到移動設(shè)備對64位計(jì)算的需求后，于2011年發(fā)布了ARMv8 64位架構(gòu)，這是為了下一代ARM指令集架構(gòu)工作若干年后的結(jié)晶。為了基于原有的原則和指令集，開發(fā)一個(gè)簡明的64位架構(gòu)，ARMv8使用了兩種執(zhí)行模式，AArch32和AArch64。顧名思義，一個(gè)運(yùn)行32位代碼，一個(gè)運(yùn)行64位代碼。ARM設(shè)計(jì)的巧妙之處，是處理器在運(yùn)行中可以無縫地在兩種模式間切換。這意味著64位指令的解碼器是全新設(shè)計(jì)的，不用兼顧32位指令，而處理器依然可以向后兼容。

　　三、異構(gòu)計(jì)算

　　ARM的big.LITTLE架構(gòu)是一項(xiàng)Intel一時(shí)無法復(fù)制的創(chuàng)新。在big.LITTLE架構(gòu)里，處理器可以是不同類型的。傳統(tǒng)的雙核或者四核處理器中包含同樣的2個(gè)核或者4個(gè)核。一個(gè)雙核Atom處理器中有兩個(gè)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(shè)備推出了異構(gòu)計(jì)算。這意味著處理器中的核可以有不同的性能和功耗。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，使用低功耗核，而當(dāng)你運(yùn)行一款復(fù)雜的游戲時(shí)，使用的是高性能的核。

　　這是什么做到的呢？設(shè)計(jì)處理器的時(shí)候，要考慮大量的技術(shù)設(shè)計(jì)的采用與否，這些技術(shù)設(shè)計(jì)決定了處理器的性能以及功耗。在一條指令被解碼并準(zhǔn)備執(zhí)行時(shí)，Intel和ARM的處理器都使用流水線，就是說解碼的過程是并行的。

　　為了更快地執(zhí)行指令，這些流水線可以被設(shè)計(jì)成允許指令們不按照程序的順序被執(zhí)行（亂序執(zhí)行）。一些巧妙的邏輯結(jié)構(gòu)可以判斷下一條指令是否依賴于當(dāng)前的指令執(zhí)行的結(jié)果。Intel和ARM都提供亂序執(zhí)行邏輯結(jié)構(gòu)，可想而知，這種結(jié)構(gòu)十分的復(fù)雜，復(fù)雜意味著更多的功耗。

　　Intel處理器由設(shè)計(jì)者們選擇是否加入亂序邏輯結(jié)構(gòu)。異構(gòu)計(jì)算則沒有這方便的問題。ARM Cortex-A53采用順序執(zhí)行，因此功耗低一些。而ARM Cortex-A57使用亂序執(zhí)行，所以更快但更耗電。采用big.LITTLE架構(gòu)的處理器可以同時(shí)擁有Cortex-A53和Cortex-A57核，根據(jù)具體的需要決定如何使用這些核。在后臺同步郵件的時(shí)候，不需要高速的亂序執(zhí)行，僅在玩復(fù)雜游戲的時(shí)候需要。在合適的時(shí)間使用合適的核。

　　此外，ARM具有其與X86架構(gòu)電腦不可對比的優(yōu)勢，該優(yōu)勢就是：功耗。

　　其實(shí)它們的功耗主要是由這幾點(diǎn)決定的。首先，功耗和工藝制程相關(guān)。ARM的處理器不管是哪家主要是靠臺積電等專業(yè)制造商生產(chǎn)的，而Intel是由自己的工廠制造的。一般來說后者比前者的工藝領(lǐng)先一代，也就是2-3年。如果同樣的設(shè)計(jì)，造出來的處理器應(yīng)該是Intel的更緊湊，比如一個(gè)是22納米，一個(gè)是28納米，同樣功能肯定是22納米的耗電更少。

　　那為什么反而ARM的比X86耗電少得多呢。這就和另外一個(gè)因素相關(guān)了，那就是設(shè)計(jì)。

　　設(shè)計(jì)又分為前端和后端設(shè)計(jì)，前端設(shè)計(jì)體現(xiàn)了處理器的構(gòu)架，精簡指令集和復(fù)雜指令集的區(qū)別是通過前端設(shè)計(jì)體現(xiàn)的。后端設(shè)計(jì)處理電壓，時(shí)鐘等問題，是耗電的直接因素。先說下后端怎么影響耗電的。我們都學(xué)過，晶體管耗電主要兩個(gè)原因，一個(gè)是動態(tài)功耗，一個(gè)是漏電功耗。動態(tài)功耗是指晶體管在輸入電壓切換的時(shí)候產(chǎn)生的耗電，而所有的邏輯功能的0/1切換，歸根結(jié)底都是時(shí)鐘信號的切換。如果時(shí)鐘信號保持不變，那么這部分的功耗就為0。這就是所謂的門控時(shí)鐘（Clock Gating）。而漏電功耗可以通過關(guān)掉某個(gè)模塊的電源來控制（Power Gating）。當(dāng)然，其中任何一項(xiàng)都會使得時(shí)鐘和電源所控制的模塊無法工作。他們的區(qū)別在于，門控時(shí)鐘的恢復(fù)時(shí)間較短，而電源控制的時(shí)間較長。此外，如果條單條指令使用多個(gè)模塊的功能，在恢復(fù)功能的時(shí)候，并不是最慢的那個(gè)模塊的時(shí)間，而可能是幾個(gè)模塊時(shí)間相加，因?yàn)檫@牽涉到一個(gè)上電次序（Power Sequence）的問題，也就是恢復(fù)工作時(shí)候模塊間是有先后次序的，不遵照這個(gè)次序，就無法恢復(fù)。而遵照這個(gè)次序，就會使得總恢復(fù)時(shí)間很長。所以在后端這塊，可以得到一個(gè)結(jié)論，為了省電，可以關(guān)閉一些暫時(shí)不會用到的處理器模塊。但是也不能輕易的關(guān)閉，否則一旦需要，恢復(fù)的話會讓完成某個(gè)指令的時(shí)間會很長，總體性能顯然降低。此外，子模塊的門控時(shí)鐘和電源開關(guān)通常是設(shè)計(jì)電路時(shí)就決定的，對于操作系統(tǒng)是透明的，無法通過軟件來優(yōu)化。

　　再來看前端。ARM的處理器有個(gè)特點(diǎn)，就是亂序執(zhí)行能力不如X86。換句話說，就是用戶在使用電腦的時(shí)候，他的操作是隨機(jī)的，無法預(yù)測的，造成了指令也無法預(yù)測。X86為了增強(qiáng)對這種情況下的處理能力，加強(qiáng)了亂序指令的執(zhí)行。此外，X86還增強(qiáng)了單核的多線程能力。這樣做的缺點(diǎn)就是，無法很有效的關(guān)閉和恢復(fù)處理器子模塊，因?yàn)橐坏╆P(guān)閉，恢復(fù)起來就很慢，從而造成低性能。為了保持高性能，就不得不讓大部分的模塊都保持開啟，并且時(shí)鐘也保持切換。這樣做的直接后果就是耗電高。而ARM的指令強(qiáng)在確定次序的執(zhí)行，并且依靠多核而不是單核多線程來執(zhí)行。這樣容易保持子模塊和時(shí)鐘信號的關(guān)閉，顯然就更省電。

　　此外，在操作系統(tǒng)這個(gè)級別，個(gè)人電腦上通常會開很多線程，而移動平臺通常會做優(yōu)化，只保持必要的線程。這樣使得耗電差距進(jìn)一步加大。當(dāng)然，如果X86用在移動平臺，肯定也會因?yàn)榫€程少而省電。凌動系列（ATOM）專門為這些特性做了優(yōu)化，在一定程度上降低亂序執(zhí)行和多線程的處理能力，從而達(dá)到省電。

　　現(xiàn)在移動處理器都是片上系統(tǒng)（SoC）架構(gòu)，也就是說，處理器之外，圖形，視頻，音頻，網(wǎng)絡(luò)等功能都在一個(gè)芯片里。這些模塊的打開與關(guān)閉就容易預(yù)測的多，并且可以通過軟件來控制。這樣，整體功耗就更加取決于軟件和制造工藝而不是處理機(jī)架構(gòu)。在這點(diǎn)上，X86的處理器占優(yōu)勢，因?yàn)镮ntel的工藝有很大優(yōu)勢，而軟件優(yōu)化只要去做肯定就可以做到。

　　ARM和X86現(xiàn)在發(fā)展如何？

　　關(guān)于X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)這兩者誰將統(tǒng)一市場的爭執(zhí)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(xiàn)在ARM架構(gòu)已經(jīng)具備了進(jìn)入服務(wù)器芯片的能力，眾多芯片研發(fā)企業(yè)紛紛采用ARM架構(gòu)研發(fā)服務(wù)器芯片無疑將促進(jìn)其繁榮， 2015年一款采用ARM架構(gòu)的Windows 10平板現(xiàn)身，這也是目前曝光的全球首款非X86架構(gòu)、運(yùn)行Windows系統(tǒng)的平板產(chǎn)品。

　　同時(shí)，經(jīng)過數(shù)年的努力，2016年AMD終于推出了首個(gè)基于ARM架構(gòu)的處理器——Opteron A1100。AMD希望能夠憑借這一處理器挑戰(zhàn)Intel在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場的霸主地位。

　　這樣看來，Intel在服務(wù)器芯片市場將會逐漸失去霸主地位，而且，Intel已然錯(cuò)過了移動 CPU 市場，現(xiàn)在它正試圖跳進(jìn)千萬億的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具體表現(xiàn)如何，看時(shí)間的考驗(yàn)吧。