前有AWS与华为，后有微软和苹果，ARM架构为何吃香
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2021-01-22 20:19
作者 | 中国软件网 陈杨
过去一年间，芯片产业正在经历巨变。
无论是在PC互联网时代，还是移动互联网时代，x86架构都曾是PC市场、数据中心领域不可撼动的垄断者。而现在“以英特尔为代表的x86架构厂商受到了‘背叛’。” 一位不愿意透露名字的业内人士这样向中国软件网形容到。
挑战者是芯片产业另一架构——ARM：“苹果发布了搭载ARM架构的M1芯片笔记本，微软也要用ARM架构自研芯片了。这以前可都是x86架构的大客户。”该业内人士说。
尽管在PC互联网时代，ARM架构非常小众化。但随着3G、4G网络兴起，移动互联网时代ARM架构显然迎来了发展，并成为移动互联网时代的新王者。
不仅如此，随着万物互联时代到来。能看到，在移动终端市场称霸的ARM，也正在向PC市场、数据中心领域试探……
01
RISC与CISC
在谈x86架构与ARM架构之前，我们不妨先来了解下RISC与CISC。这是因为，无论是x86架构还是ARM架构，由其组成的CPU均包含着大量实现各种功能的指令或者微指令。而RISC与CISC，便是这些指令的结合，即指令集。
其中，CISC全称Complex Instruction Set Computers，即复杂指令集计算机。“早期计算机运算速度慢，为了提升性能，开发者不断在指令系统中添加指令。虽然性能越来越高，但这也使其指令集越来越复杂。”业内人士说。
而在CISC指令集中，由其使用频率也产生了“二八定律”，即20%的简单的指令被反复使用，使用量约占整个程序代码的80%；剩下80%左右的指令很少使用，其使用量约占整个程序代码的20%。
正是这样，RISC诞生了。RISC全称Reduced Instruction Set Computers，即精简指令集计算机。其设计初衷便是通过精简指令系统减少硬件设计的复杂程度，提高指令执行速度。在RISC中，无论简单还是复杂的操作，均由简单指令的程序块完成。
目前，CISC的代表为x86架构，如英特尔、AMD；RISC的代表为ARM架构、IBM Power。
“基于CISC的CPU，包含着丰富的电路单元，因此其面积更大、性能更高，自然功耗也大。”业内人士介绍到，“基于RICS的CPU，其内部电路单元较少，面积也小，功耗自然也低。”
02
走向PC市场，更运用于云服务
RISC与CISC的不同，基于x86架构的CPU更强调性能，对功耗及续航并不太关注。因此，x86架构主要用于PC和数据中心领域。从互联网时代一直到今天的智能时代，这一架构在PC和数据中心领域都是绝对领导者。这也成就了英特尔、AMD两家芯片巨头。
而ARM架构，由于更注重功耗，对性能要求并不高。因此更多用于移动终端设备，如手机、平板。所以，ARM架构在PC互联网时代并未得到发展。这也解答了文章开头，为何ARM架构在3G、4G时代伴随着移动互联网时代迎来发展。
“你能看到，无论是高通骁龙、还是华为海思麒麟、三星猎户座，还是苹果的A系列处理器，目前市面上的智能手机处理器，都是基于ARM架构。ARM+Android的‘双A’阵营成为移动互联网时代的最大赢家。”业内人士总结到。
不仅如此，在“收割”了移动终端市场后，ARM架构正逐渐向PC和数据中心领域进军。如最广为人知的苹果新款MacBook便搭载了苹果自研的ARM架构处理器M1。苹果透露，搭载M1芯片的MacBook Air系统相比已上市的配备1.2GHz 4核英特尔酷睿i7处理器的MacBook Air系统，其CPU速度提升3.5倍；视频处理速度提升3.9倍；图形处理速度提升7.1倍。
更重要的是，得益于ARM架构在功耗方面的优势，搭载M1芯片的MacBook在提升性能的同时，进一步延长了电池的续航时间。据悉，搭载M1芯片的MacBook，无线上网时间可达17小时。其功耗比相比2012年的MacBook，提升3倍。
在2019年，华为也发布了搭载高通骁龙850处理器的MateBook E，该笔记本也搭载了ARM架构处理器。
除了在PC市场的应用，ARM架构更是运用到了服务器以及云服务中去。如AWS re:Invent 2018大会上，AWS基础设施副总裁Peter DeSantis便首次公开了基于ARM架构的AWS Graviton服务器处理器，并推出了基于Graviton的云实例EC2 A1。
“众所周知的是，云服务对性能的要求极高，能将ARM架构运用于云服务中，这本身便是对ARM架构的肯定。”业内人士认为。
的确，Peter DeSantis也表示，相比基于英特尔或AMD芯片的云服务，Graviton的运行成本降低45%，并公开提供租赁服务，即用户可以自行选择基于英特尔、AMD或者Graviton处理器提供的服务。
在AWS re:Invent 2019大会上，Graviton迎来了第二代。AWS表示，Graviton2相较x86架构同类产品，计算量提升4倍，性价比提升最高达40%。
华为也在2019年发布了基于ARM架构的鲲鹏920芯片，以及三款搭载鲲鹏920芯片的泰山（TaiShan）ARM服务器。
此外，微软2020年12月份也被爆出，正为自家Azure云服务以及Surface笔记本设备设计基于ARM架构的处理器。
03
万物互联，ARM架构发展的又一契机
“移动互联网时代，ARM架构几乎收获了市面上所有的移动设备提供商。如今，ARM架构又吸引了云服务商的关注。”业内人士这样总结ARM。
在该业内人士看来，之所以ARM架构逐渐被用于PC和数据中心领域。
一是因为得益于工艺制程、软件优化等原因，基于ARM架构的处理器性能已大幅提升。
二是因为功耗及成本。“随着数据中心的规模越来越大，其耗电量会愈发引起云服务商的关注，所以会更多尝试低功耗的ARM架构。同时，通过自研芯片替代英特尔或者AMD，云服务商的成本也会降低，进而降低云服务的单价，提升竞争力。”
ARM公开的数据显示，自1991到2017年的26年中，基于ARM架构的芯片出货量超过1000亿颗；从2017年到2020年2月，短短三年间，基于ARM架构的芯片出货量达到600多亿颗，即ARM 2017年到2020年3年的出货量达到此前26年出货量的60%，增速惊人。
这还并不是ARM架构的高峰。面对即将到来的智能时代，无论是业内人士还是中国软件网都认为，ARM架构还将继续扩大其市场。原因在于三方面：
首先是物联网带来的机遇。伴随着智能时代的到来，物联网将兴起，而移动终端以及嵌入式终端设备是物联网的重要组成部分，这恰是ARM架构最擅长的领域。物联网更多的终端接入量意味着更多基于ARM架构的芯片出货量。
其次是PC及数据中心领域带来的市场。未来，将会有更多的PC厂商及云服务商推出基于ARM架构的PC设备及云服务。
最后是英伟达+ARM的组合效应。2020年9月英伟达宣布以400亿美元收购ARM成为业界最大的事件。一个擅长GPU，一个擅长CPU。双方的组合将重塑数据中心市场。