[转载]X86和ARM架构的处理器能效差异为什么会这么大?
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花果山妖 发表于3年前
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作者:李震

原链接:http://www.zhihu.com/question/20148756

说x86和ARM处理器“实际执行效果差不多”其实有所不妥。楼主也说了比较的几个设备主要是windows平板,ipad和智能手机。这些平台上的程序都是移动环境下的应用,大多逻辑简单功能单一,没什么“计算”可言。ARM处理器本身定位于嵌入式平台,应付轻量级、目的单一明确的程序,现在应用在移动设备上正是得心应手。x86定位于桌面和服务器,这些平台上很多应用是计算密集型的,比如多媒体编辑、科研计算、模拟等等。因此将x86和ARM在移动环境下做对比得出“差不多”是不好的。


由于定位的不同,ARM处理器基于精简指令集(RISC)架构。指令集数量少就可以简化硬件逻辑的设计,减少晶体管数量,也就意味着低功耗。而且由于移动平台应用通常简单,程序的控制流不复杂,执行效率没有必要很高,所以流水线、分支预测等硬件逻辑都比较简单。这些都降低了晶体管总量。同时因为移动设备有电池的能源限制,ARM的电源管理是作为重要部分特别设计了的。比如移动设备的处理器在待机时通常只以极低的主频在运行,甚至可以暂时关闭闲置的核心、协处理器来降低功耗。

x86就截然不同。x86是复杂指令集(CISC)架构,存在很多机器指令,只为了高效地完成一项专门任务(比如MMX, SSE中的指令)。这就使得硬件的逻辑很复杂,晶体管数量庞大。为了高效地进行运算,x86架构有较长的流水线以达到指令级并行(ILP)。长流水线带来的一个弊端,就是当遇到分支时,如果预载入分支指令不是未来真实的分支,那么要清空整个流水,代价较高。所以x86为此还必须有复杂的分支预测机构,确保流水线的效率。再加上多级cache,支持超线程、虚拟化等等,x86的复杂度其实相当高。

我工作单位的同事基本上都是开发科研计算或者模拟程序的,比如流体力学工具包,蛋白结构模拟之类的。这些软件一启动就是毫无意外地核心满载,通常都是放到带GPU加速的超算上运行。这些计算要是放到ipad上,怕是把ipad算爆了也得不到什么结果。。。
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花果山妖
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