《電子技術(shù)應(yīng)用》
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X86和ARM

2015-09-25
關(guān)鍵詞: X86 ARM

  前言:
  Intel基于X86的cpu x86體系下共同的主要型號(hào):8086,80286,80386,80486,80586。Intel的其他主要型號(hào):PentiumCeleronCore。
  AMD的其他主要型號(hào):K6AthlonPhenom
  VIA的其他主要型號(hào):Cyrix
  ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Intel的Xscale Intel的StrongARM ARM11系列 。
  一:性能
  X86結(jié)構(gòu)的電腦無論如何都比ARM結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在性能方面要快得多、強(qiáng)得多。X86的CPU隨便就是1G以上、雙核、四核大行其道,通常使用45nm(甚至更高級(jí))制程的工藝進(jìn)行生產(chǎn);而ARM方面:CPU通常是幾百兆,最近才出現(xiàn)1G左右的CPU,制程通常使用不到65nm制程的工藝,可以說在性能和生產(chǎn)工藝方面ARM根本不是X86結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的對(duì)手。
  但ARM的優(yōu)勢(shì)不在于性能強(qiáng)大而在于效率,ARM采用RISC流水線指令集,在完成綜合性工作方面根本就處于劣勢(shì),而在一些任務(wù)相對(duì)固定的應(yīng)用場(chǎng)合其優(yōu)勢(shì)就能發(fā)揮得淋漓盡致。

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  我們實(shí)際拿兩個(gè)處理器來對(duì)比
  1.Cortex-A9雙核2.0GHz,數(shù)據(jù)來源于ARM官方網(wǎng)站
  2. Intel Xeon E3-1220L,性能數(shù)據(jù)來源于spec.org,規(guī)格來自于Intel網(wǎng)站
  Cortex-A9雙核2.0Ghz,TSMC 40nm工藝(40G),功耗1.9w,芯片面積6.7mm2(只包含核心和L1)
  E3-1220L雙核2.2Ghz,Intel 32nm工藝,功耗20W,單核芯片面積18mm2(只包含核心/L1/256KB L2)雙核x2 36mm2
  Cortex-A9 1GHz單核性能specint2000 450左右,雙核2.0Ghz,滿打滿算1800
  E3-1220L specint2006_rate 66左右,E6850 specint2006_rate 36,而E6850單核的specint_2000是3000。簡(jiǎn)單折算的話,E3-1220L雙核specint_2000成績應(yīng)該是10800。
  而面積,6.7mm2的A9不包含L2,x86核心是包含256KB L2的。
  ARM Cortex-A9 性能、功耗和面積
  Cortex-A9 單核 軟宏試用實(shí)現(xiàn)Cortex-A9 雙核  硬宏實(shí)現(xiàn)
  工藝TSMC 65GTSMC 40G
  優(yōu)化方式性能優(yōu)化性能優(yōu)化功率優(yōu)化
  標(biāo)準(zhǔn)單元庫ARM SC12ARM SC12 + 高性能工具包ARM SC12 + 高性能工具包
  性能(DMIPS 總計(jì))2,075 DMIPS10,000 DMIPS4,000 DMIPS
  頻率830 MHz2000 MHz(標(biāo)準(zhǔn))800 MHz (wc/ss)
  能效 (DMIPS/mW)5.25.268.0
  目標(biāo)頻率下的總功率0.4 W1.9 W0.5 W
  芯片面積1.5 mm2(不包括高速緩存)6.7 mm2 (包括 L1 奇偶校驗(yàn) 和所有 DFT/DFM)4.6 mm2 (包括所有 DFT/DFM)

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  二:功耗,價(jià)格與體積
  X86電腦因考慮要適應(yīng)各種應(yīng)用的需求,其發(fā)展思路是:性能+速度。20多年來x86電腦的速度從原來8088的幾M發(fā)展到現(xiàn)在隨便就是幾G,而且還是幾核,其速度和性能已經(jīng)提升了千、萬倍,技術(shù)進(jìn)步使x86電腦成為大眾生活中不可缺少的一部分。但是x86電腦發(fā)展的方向和模式,使其功耗一直居高不下,一臺(tái)電腦隨便就是幾百瓦,即使是號(hào)稱低功耗節(jié)能的手提電腦或上網(wǎng)本,也有十幾、二十多瓦的功耗,這與ARM結(jié)構(gòu)的電腦就無法相比。
  ARM的設(shè)計(jì)及發(fā)展思路是:滿足某個(gè)特殊方面的應(yīng)用即可,在某一專項(xiàng)領(lǐng)域是最強(qiáng)的,(哪怕在其他方面一無是處),這樣Arm以其不是最強(qiáng)的技術(shù),同樣也不是很高級(jí)制程的制造工藝,生產(chǎn)出性能不是很強(qiáng)的電腦系統(tǒng),但在某個(gè)專業(yè)應(yīng)用方面則是最好的,特別是在眾多終端應(yīng)用,尤其在移動(dòng)終端應(yīng)用上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的統(tǒng)治地位,這個(gè)原因就是:功耗。
  ARM的優(yōu)勢(shì)是功耗低,其實(shí)低功耗還意味著:
  1)穩(wěn)定性高:因?yàn)楣脑礁唠娮釉骷姆€(wěn)定性和可靠性越差,對(duì)低功耗的產(chǎn)品只要選擇好外圍元件的品質(zhì),系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會(huì)有太大問題;
  2)散熱成本低和可以考慮更小的產(chǎn)品體積:對(duì)高功耗的產(chǎn)品不可避免要考慮散熱問題,而散熱設(shè)備(或器件)的存在,有制約了產(chǎn)品的體積,對(duì)某些場(chǎng)合的應(yīng)用構(gòu)成致命的制約。但ARM<1W,完全不用考慮散熱問題。
  3)功耗低對(duì)供電電源的要求低:幾乎所有電子產(chǎn)品,(在同等條件下)功耗越高對(duì)電源的要求越高,電源的成本就越高。
  4)功耗低電池的續(xù)航時(shí)間長,這不作詳盡解釋。
  5)功耗低對(duì)抗環(huán)境傷害的能力強(qiáng):低功耗產(chǎn)品因?yàn)椴挥每紤]散熱,可以將產(chǎn)品密封保護(hù)起來,但高功耗產(chǎn)品必須散熱,甚至需要風(fēng)扇幫助散熱,這樣必然使很多的元件和線路裸露在空氣中,被空氣中的塵埃、濕氣、酸堿物質(zhì)等腐蝕。

  高功耗導(dǎo)致了一系列X86系統(tǒng)無法解決的問題出現(xiàn):系統(tǒng)的續(xù)航能力弱、體積無法縮小、穩(wěn)定性差、對(duì)使用環(huán)境要求高等問題。從這里我們可以看到x86系統(tǒng)與ARM系統(tǒng)是在兩個(gè)完全不同領(lǐng)域方面的應(yīng)用,他們之間根本不存在替換性,在服務(wù)器、工作站以及其他高性能運(yùn)算等應(yīng)用方面,是可以不考慮功耗和使用環(huán)境等條件時(shí),X86系統(tǒng)占了優(yōu)絕對(duì)優(yōu)勢(shì);但受功耗、環(huán)境等條件制約且工作任務(wù)固定的情況下ARM就占有很大的優(yōu)勢(shì),在手持式移動(dòng)終端領(lǐng)域,X86的功耗更使他英雄毫無用武之地。
  因此使用ARM的設(shè)備通常在體積上要小于采用X86 cpu的設(shè)
  備。目前在智能手機(jī)上僅有聯(lián)想K800采用X86,于今年上市。而在平板電腦上微軟并沒有在新一代surface平板上沿襲WIntel同盟。而是改用的ARMcpu,從這一點(diǎn)上看來,為了顧慮設(shè)備的便攜性和體積,設(shè)備生產(chǎn)商大多會(huì)使用ARM cpu。
  同時(shí)Arm的操作系統(tǒng)很小(精簡(jiǎn))不可能帶很多工具,通?;贏rm的軟件大多用C或JAVA開發(fā),其成本會(huì)比基于X86系統(tǒng)的高。而且對(duì)大多數(shù)ARM而言,因其操作系統(tǒng)不一樣,軟件業(yè)不能在兩個(gè)系統(tǒng)中自由互換使用,但一般來說:用C或JAVA編寫的軟件只需在ARM平臺(tái)的操作系統(tǒng)中編譯一下就可以移植過去。
  但對(duì)Android系統(tǒng)開發(fā)的軟件,只要能在某臺(tái)Arm設(shè)備中運(yùn)行,就可以在另一臺(tái)基于同樣系統(tǒng)的設(shè)備中運(yùn)行。
  ARM實(shí)際上在CPU芯片中已經(jīng)整合了幾乎所有功能,幾乎所有線路按原理圖直接拉出就可以了,需要擴(kuò)展的部分一般不多,所以其開發(fā)成本會(huì)比較低,通常三五萬就可以了。
  但X86的外圍線路很多,需要相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的工程師,而且還有BIOS等設(shè)計(jì),所以X86主板的設(shè)計(jì)費(fèi)用會(huì)比較高,通常要二三十萬。
  無論Arm或X86主板其制造成本都是由元件和加工費(fèi)構(gòu)成,通常一片ARM的主板價(jià)格與一片X86主板的價(jià)格差不多,但ARM是一片可以獨(dú)立使用的產(chǎn)品,但x86主板通常還要加上:CPU、內(nèi)存、硬盤甚至還有顯卡。
  另外X86還要配上一個(gè)電源,這個(gè)電源比ARM得電源要貴很多。
  同時(shí)據(jù)國外媒體報(bào)道,市場(chǎng)研究公司Bernstein Research發(fā)表報(bào)告稱,配置ARM芯片的Windows筆記本的價(jià)格平均將比配置英特爾x86架構(gòu)芯片的筆記本低10%。Bernstein Research稱,配置ARM芯片的Windows PC將“極大地改變當(dāng)前Wintel生態(tài)系統(tǒng)的平衡。如果ARM能保持這樣的價(jià)格優(yōu)勢(shì),在500美元以下的家用PC市場(chǎng)上,其份額可以達(dá)到60%。”
  綜合以上分析,明顯X86在硬件方面的應(yīng)用成本比ARM高得多,在價(jià)格上ARM占據(jù)著不小的優(yōu)勢(shì)。
  三:發(fā)展趨勢(shì)
  在很多的應(yīng)用終端領(lǐng)域,現(xiàn)正成為兩大陣營爭(zhēng)奪的重點(diǎn),ARM陣營努力增加其性能和系統(tǒng)(特別是操作系統(tǒng))的通用性,蠶食x86系統(tǒng)的部分終端應(yīng)用市場(chǎng);X86陣營努力降低功耗保住其市場(chǎng),同時(shí)侵入手持移動(dòng)終端市場(chǎng)。
  從長遠(yuǎn)角度來看,如果ARM系統(tǒng)的性能能滿足應(yīng)用需求時(shí),建議盡可能可慮采用ARM結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,否則只能考慮X86的產(chǎn)品。同時(shí)如果您的應(yīng)用數(shù)量太少,您可能根本不值得獨(dú)立開發(fā)一套應(yīng)用系統(tǒng),但如果您的應(yīng)用數(shù)量達(dá)到幾百甚至過千時(shí),您是值得考慮自己開發(fā)一套新的系統(tǒng)的。因?yàn)椋篈rm的開發(fā)成本和制造成本相對(duì)比較低,如果有幾百個(gè)以上終端應(yīng)用,應(yīng)該可以分?jǐn)偟糸_發(fā)成本。如果選用X86結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),根本不應(yīng)該考慮單獨(dú)開發(fā)一套專用系統(tǒng)(因?yàn)殚_發(fā)成本太高,可能是ARM的10倍),而是在市場(chǎng)上篩選出最接近您需求的產(chǎn)品,以避免高昂的硬件開發(fā)成本和今后的制造成本(如果批次生產(chǎn)的數(shù)量不夠,排產(chǎn)成本也會(huì)很高)。
  ARM的操作系統(tǒng)通常是單獨(dú)建立一個(gè)自己的Linux系統(tǒng),且系統(tǒng)與系統(tǒng)間不能兼容,這嚴(yán)重制約了Arm的應(yīng)用擴(kuò)展,但Android出現(xiàn)后,系統(tǒng)兼容的屏障正逐步消失,促進(jìn)了系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件的兼容,大大擴(kuò)大了ARM應(yīng)用軟件的的數(shù)量同時(shí)擴(kuò)大了其應(yīng)用空間。
  總結(jié)上面對(duì)比,X86系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)應(yīng)該是兩個(gè)完全不同領(lǐng)域的應(yīng)用,如果功能單一又受到環(huán)境制約的應(yīng)用,如:POS、ATM、多媒體廣告機(jī)(現(xiàn)已經(jīng)有ARM+DSP的產(chǎn)品)、車載電腦終端等應(yīng)用,應(yīng)該首先考慮ARM方案,ARM方案與X86相比,其功耗和成本占有很大優(yōu)勢(shì)。

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