ARM架構應用處理器與x86處理器

Chevelle Fu
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相較於AMD與Intel，ARM顯然對多數的消費者還是很陌生的名詞，而多數人也會好奇，ARM架構生產的應用處理器到底跟Intel、AMD又有什麼不同，又跟智慧手機與平板廠商提到的TI OMAP、Qualcomm Snapdragon、三星的蜂鳥（Hummingbird）、獵戶座（Orion）、飛思卡爾（Freescale）的i.MX，或是ST-Ericsson的應用處理器等有什麼關係。

先從ARM這家公司談起，ARM成立於1991年，是一家出售IP（技術知識產權）的公司，所謂的技術知識產權，就有點像是賣房屋的結構設計圖，至於要怎修改，哪邊開窗戶，以及要怎加蓋其他的花園，就看買了設計圖的廠商自己決定。

而ARM的架構是採用RISC架構，如同它的名稱一樣，Advanced RISC Machines，RISC架構在當初的PC架構爭霸戰雖然敗給Intel所主導的x86處理器架構，卻默默在另外的領域成長壯大；小從硬碟轉速控制、電信基地台的計算、汽車噴射引擎的控制、音響系統、相機引擎，大到電動機具的控制等等，都能夠看見採用ARM授權架構處理器的身影。

而有了設計圖，當然還要有把設計圖實現的廠商，而這些就是ARM架構的授權客戶群，包括上述幾家廠商以外，還有如Freescale、聯發科、Telechip、新岸線等數不清的大小控制晶片與應用處理器廠商，都是採用ARM架構的授權客戶。甚至多年前的Intel的XScale處理器，也是採用ARM的核心授權。


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ARM的架構相較於x86有哪些特點？相較於基於CISC的x86架構處理器，由於為了滿足電腦產業發展而不斷加入指令集，使得處理器日益龐大，但每個指令集用到的頻率也越差越大，許多指令到後來已經相當少用，甚至是可以被新的指令所取代。而ARM架構則大幅簡化架構，僅保留所需要的指令，可以讓整個處理器更為簡化，擁有小體積、高效能的特性。

另外，ARM的架構老早就已經作到高密度整合，由於ARM授權的彈性以及核心架構單純，ARM處理器架構可以很容易與其他專職的特殊核心，像是GPU、多媒體解碼核心、基頻數據機、I/O控制等架構整合，透過SoC（System On a Chip，系統單晶片）的方式，一顆小小的ARM架構應用處理器，完成近年x86架構處理器積極跨足的單晶片設計，並且透過各種不同的核心分工各司其職，ARM架構應用處理器的核心負擔相較傳統x86處理器低上許多，並且因為早前應用處理器的需求就是以低功耗為重點，即便如今效能不斷提昇，仍是以保有省電的特性為前提發展。

ARM架構的另一個優點，就是自由性，只要像ARM買下核心授權，就可以與其他IP公司的方案以及這家授權客戶本身的優勢技術整合，雖同為同一世代的ARM核心架構，即便時脈相同，結果也不同。不過這也使得ARM應用處理器光從基本規格是不一定能看出操作效能的，例如同樣隸屬高通Snapdragon，時脈1GHz的第一世代旗艦QSD8x50甚至不敵時脈僅800MHz的第二世代MSM7230。

以目前最火紅的幾顆手機與平板的雙核應用處理器選擇的GPU架構為例，Tegra 2圖形架構來自NVIDIA的GeForce ULP，TI OMAP 4430則是採用PowerVR SGX 540架構，Qualcomm MSM8660採用高通自家Adreno 220，三星Exynos 4210採用ARM的Mali 400 GPU架構，就已經足以產生這幾顆處理器在效能表現的差異，更不用說細節的記憶體控制管理、電源管理、儲存通道等架構產生的差異。

談到這些GPU架構，又是一段有趣的過去，GeForce ULP、Power SGX以及Adreno其實都在遊戲機史上交手過，Nvidia的圖形架構曾被用在微軟第一代XBox以及PS3採用過，而PowerVR則是接連在SEGA Saturn以及Dreamcast出現，Adreno源自ATi行動圖形部門，ATi的圖形方案也被XBox 360以及Wii採用，可說這幾家圖形方案供應商過去在遊戲機的戰火，又再次燒回手機以及平板上。


ARM的架構之所以在智慧手機以及平板能夠迅速竄紅，蘋果iOS裝置可說是大功臣，在蘋果之前，智慧手機在市場上一直載浮載沉，雖然有著號稱智慧手機平台市占率第一的Nokia Symbian，以及Windows Mobile、Palm OS、BlackBerry等系統，不過當時的環境在缺乏行動網路為後盾，線上商店的概念也還未發展成型；一直到蘋果以iPhone打響新世代智慧手機第一砲後，市場才真正體認到智慧手機原來可以是這麼容易使用。

iPhone的出現也間接帶起市場對於ARM架構應用處理器的需求，不過光是蘋果也無法帶起市場對於ARM處理器的需求，如WM（WP7)手機與Symbian也紛紛加入新一代智慧手機戰局，但是真正成為關鍵的，是Google Android宣佈參戰後，其他手機廠商取得一個相較過去成熟的通用智慧手機平台，而各廠商又為了進行產品差異化，開始針對ARM架構應用處理器的效能以及硬體支援要求，使得過去發展緩速的ARM架構一下子熱絡起來，也讓ARM架構一夕之間成為火熱話題。