ARM架構應用處理器與x86處理器

Chevelle Fu
Chevelle Fu
2011年05月25日, 晚上 06:00
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相較於AMDIntelARM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 OMAPQualcomm 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 MobilePalm OSBlackBerry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。
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