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ARM 向左，x86 向右
2013-02-04 朱科 《微型计算机》 2013年1月上
CISC 的 x86 和 RISC 的 ARM，分别是当今个人电脑市场和移动计算市场的绝对霸主。在过去的日子里，CISC 从逆境中发展壮大，对自己的性能和功耗问题做出了最大幅度的改善；RISC 则依靠极高的性能功耗比，在移动计算市场呼风唤雨。看起来 CISC 和 RISC 似乎河水不犯井水，各守其成，但在技术快速发展的今天，CISC 的 x86 和 RISC 的 ARM，会不会在未来发生技术碰撞？市场又将会发生怎样的变化？
一些观点认为，CISC 和 RISC 是你死我活的竞争关系。从发展的角度来看，CISC 和 RISC 其实并没有爆发大面积的战争。CISC 的代表 x86一开始就发力于个人电脑市场，RISC 的 ARM 则一直默默地在移动市场上耕耘图强。当然， CISC 和 RISC 的竞争总是存在的，比如在服务器领域，CISC 的 x86 逐渐蚕食了本来是 RISC 的市场，甚至高性能计算领域也开始由 CISC 占主角；而 RISC 也成功侵袭了 CISC 的超便携移动市场，上网本等设备的萎缩就是 ARM 的杰作。大规模战争没有爆发，不代表没有战争的阴云存在。CISC 和 RISC 的代表—— x86 和 ARM，这一次，可能真的会展开你死我活的争斗了。
x86 向左，ARM 向右IT 业界有一个很经典的现象，那就是无论技术有多先进，如果你没有规模、没有市场占有率、没有成功的生态圈，那么成功的可能性就不大。在英特尔研发x86 早期，技术上的确落后于 RISC 所代表的一系列高端服务器处理器厂商，但是英特尔有规模、有成熟的生态圈和利润链，最终依靠利润带来的强大研发能力，英特尔硬是让 x86 性能可以比肩 RISC 的高端处理器，完成了逆转过程。
ARM 也是这样，传统的 ARM 本身追求低功耗，追求性能功耗比，因此 ARM 的性能现在看起来和主流的桌面处理器相比要差不少。难道 ARM 在 x86 面前真的没有希望吗？ 请先看看在本页中上位置所罗列出来的数据在这些数据中， 有两个问题特别突出， 那就是规模和速度。
从规模的角度来看，ARM 由于采用授权方式，本身不生产芯片，因此有大量厂商生产 ARM 产品并运用在各个方面。这样较为自由的授权生产方式，是x86 阵营的英特尔和 AMD 两家完全无法比拟的。换句话来说，仅仅凭借英特尔和 AMD，是不可能和 ARM 如此众多的厂商拼销量的。说起速度，可能单纯看ARM 芯片本身的数据比较单调，那么就请看看在本页右上方所罗列出来的 ARM 设备销售数据。
整个 ARM 所引领的移动计算时代真正开始于苹果的 iPhone 发布。2007 年的 iPhone 发布以及随后 Google G1 手机的上市，真正为用户带来了移动计算大潮。当然移动计算市场并非现在才受到如此多的关注。英特尔和微软在几年前就尝试进入这个市场，并推出过类似的产品。比如运行定制版本 Windows XP 的 MID 和 UMPC，都是移动计算市场早期的产品。结果大家都看到了，微软和英特尔的计划并不成功。原因很复杂，但最重要的是，英特尔和微软的产品没有在性能功耗比、软件、内容提供等方面做得足够出色，简而言之是没有一个成熟的系统生态圈。在这种小尺寸设备上还运行目前桌面平台的大型软件，速度和使用感受都不能得到保证，因此失败是理所当然的。但 ARM 可不是这样。在苹果、安卓的辅助下，ARM 建立了一个成功的生态圈，从应用、内容、硬件到用户，整个市场在这个生态圈的辅助下高速增长。
iPhone的发布可谓打开了移动计算市场的大门，图为第一代iPhone。
ARM 现在的成长和发展已经逐渐变得不可阻挡了。另外一组数据是 PC 市场的萎缩。在刚刚结束的 2012 年第三季度，x86 处理器出货量下跌了 9%，在一个季度中下跌如此之多，除了经济危机的余波未平之外，ARM 的影响和 PC 市场的萎缩有多大关系？
比较中立的看法是：有影响，但是关系不大。从数据来看，ARM 的增长更多的来源于开拓了全新的市场，而不是 x86 的萎缩。x86 萎缩最重要的原因依旧是经济环境不佳，和 ARM 最为相关的部分则是低端市场比如 Atom 等处理器的份额被 ARM 抢走，另外少部分消费者会使用 ARM 平板电脑代替自己的 x86 PC 来工作或者娱乐，但这些情况对 x86 市场份额的影响可以说是微不足道。
总的来看，ARM 现在还没有和 x86 全面开战。但是 ARM 的规模和发展速度已经相当惊人了。如此大的规模和如此快的发展速度，如果说它没有用继续发展的野心来维持利润的想法，谁都不会相信。
应用决定一切评价一件事物对另一件事物产生威胁，那么新生事物必须有旧事物不可替代的优越性，同时还能够将旧事物的功能完美转移到新事物上。在这一点上，新一代基于 ARM 的智能手机在取代功能手机上就做得很完美。传统的功能手机，应用程序一般通过 java 来支持，文件系统比较简单，处理速度也很慢。新的智能手机不但拥有传统功能手机的所有功能，还在操作系统、软件娱乐以及使用感受上，相比传统的功能手机有太多的优势。
虽然目前 ARM 暂时无法染指大型 3D 游戏，但平板上的 3D 游戏画面已经非常令人满意了。图为《无尽之剑》，运行于 ARM 平台，画质堪比 PC 的 RPG 游戏。
那么 ARM 现在的发展态势，可以替代 x86 平台吗？关于这个问题，可以先将 x86 上的应用类型进行简单分类：
1 基础应用所谓基础应用，就是一般用户最常做的那些事请。比如登录 QQ、打开浏览器、浏览微博、欣赏电影、观赏照片、使用《美图秀秀》等简单的图像软件，用 Office 编辑文档收发邮件等，都属于基础类应用。这类应用耗费资源比较少，但和每个人都息息相关。
2 大型应用大型类的应用软件，例如 Adobe 旗下的专业编辑类软件如 Photoshop、Illustrator、InDesign，以及 3ds Max、Maya 等。这些专业类软件往往和生产力相关，本身需要比较强大的性能才能运行。
3 游戏应用游戏应用实际上比较复杂，因为游戏应用中绝大部分是轻游戏市场，所谓轻游戏，就是对性能要求不高，以可玩性和娱乐性取胜的游戏，比如《泡泡龙》、《割绳子》、《植物大战僵尸》等大家耳熟能详的小游戏，还有目前非常火热的网页游戏和部分 2D 网游。当然一些比较老的游戏如卡丁车类、《反恐精英》这种游戏，对性能要求非常低，也可以勉强归入轻游戏范围。另一类则是大型游戏，图形效果逼真，画质惊人，比如《暗黑破坏神Ⅲ》、《战地3》、《使命召唤》系列以及一些大型 3D 网络游戏，这些游戏对性能要求比较高。
分类完成后，就可以清楚地知道 ARM 将会给 x86 带来怎样的威胁了。从目前的 ARM 应用发展来看，整个基础类应用已经基本“沦陷”，包括Office 软件。如果你需求比较简单，一些基于 ARM 的 Office 软件完全可以满足你的需求，即使你需要专业的 Office，那么基于 ARM 的Windows RT 中的 Office 套件也足够使用了。此外，游戏应用类的轻游戏，也开始大量出现在 ARM 平台，ARM 平台现在的游戏发展速度已经远远超过了 PC 平台。
剩下的则是目前 ARM 平台设备无法驾驭的，那就是大型应用和大型游戏，ARM 无法提供足够的性能，因此 PC 市场很安全。不过别高兴太早，除了 PC外，还有主机市场。ARM 不会放过这个肥厚的利润大户。目前主机市场的微软 XBOX 系列采用了 PC 架构，索尼的 PS 系列采用了 IBM 定制的 CPU，基本属于 RISC 架构，任天堂的 Wii 也采用了类似 PC 的架构来完成。但在经过多年发展后，主机已经不再单纯以游戏机的面目出现，而是作为家庭媒体中心——就像目前出现的很多基于 ARM 技术、安装安卓系统的电视机，不但能上网，还能下载节目，你能说 ARM 未来的野心不会出现在主机市场吗？
ARM 的四个战场上文的分析一部分给了 ARM 目前的发展状态，另外一部分则分析了用户的应用情况。那么 ARM 在未来的发展中，将会给 PC 市场甚至主机市场带来怎样的变化呢？让我们继续来分析一些未来可能遇到的情况。
1 个人电脑市场分化，ARM 成为主流，x86 丢失份额。上文的分析已经清晰地表示出了， ARM 已经可以胜任基础 PC 应用，这还是基于目前的 ARM 处理器性能。在 2013 年，ARM 新一代的核心 Cortex A15 架构即将面世，新的架构性能更为出色，配置双核或者四核，搭配 Windows RT 或者新一代的 Android、iOS 操作系统，替代 PC 上的基础应用甚至一些稍微复杂的工作应该不算太困难。
新一代的移动设备分辨率都达到了高清级别，图中 Google 的 Nexus 10 平板，分辨率就达到了 2560×1600。
当然，完全基于 ARM 的个人电脑是否出现，主要问题可能并不在硬件。因为在硬件上比如显示屏(ARM 已经有多款分辨率超过 1080p，达到2560×1600 级别的产品出现)、CPU(Cortex A15 四核性能应该相当出色)、内存(双通道 32bit DDR3L 内存也将成为主流)、存储空间(ARM 支持 SATA 机械硬盘也基本没有技术瓶颈)、GPU(目前的移动 GPU 的发展速度已经相当惊人，下一代移动 GPU 已经开始支持抗锯齿技术)等组成 PC 的重要部件已经没有技术的瓶颈，问题依旧出现在软件上。
实话说，无论是 Android 还是 iOS 的使用依旧给人这样一种感觉：“这是平板电脑”或者“这是手机”，完全不同于以 Windows 为核心的PC。Windows 的界面设计以及复杂的存储系统，在使用习惯上让很多用户难以抛弃。因此，ARM 还需要在软件上进一步努力。Windows RT 或许是个很好的契机，它基本保留了大部分用户的使用习惯，不存在太多的应用障碍。只是目前 Windows RT 所支持的程序还太少，暂时难以和 iOS 以及 Android 相媲美。
Windows RT 提供给用户最接近 PC 的使用感受，但问题是现在 Windows RT 上软件数量还太少了。
最乐观的估计来看，在未来一段时间内，ARM 将会在中低端市场上和 x86 展开竞争。或许有一天，购买电脑的用户会在轻薄的 ARM 机器和比较传统的 x86 机器中二选一。
但是这并不意味着 x86 本身会大幅度衰退。预测一件事物的发展，最好不要基于现在的、静止的眼光来看问题。假如未来的 ARM 处理器可以在性能上匹敌目前的 Core i3，在功耗比和性能上表现得更好，是不是意味着 Core i3 就会消失？更有可能的一种结果是，英特尔在发现可能出现这样的情况后，会将四核心的 Core i5 降级为 Core i3，而给 Core i5 加入超线程技术(就像现在的 Core i7)，给未来的 Core i7 增加核心、二级缓存并提高频率，技术上的操作很容易维持性能等级差距。况且目前 ARM 和 x86 的性能差距鸿沟依旧存在，受到威胁的只是低端入门级x86 市场而已。
因此，x86 会丢失份额，在入门级市场上，x86 受到的影响会很大。如果将市场比喻为上中下三层金字塔，那么 ARM 可能和 x86 在最后一层区域抢夺市场，而中间和顶端依旧是 x86 处理器的领地。
2 ARM 架构难以在民用市场挑战高性能 x86 处理器。从目前的 ARM 架构发展图上来看，ARM 本身基本上只立足于移动计算和低功耗市场。低功耗限制了 ARM 架构性能的发挥，特别是主频的提升。另外，目前的 ARM 处理器最多只做到三发射的乱序执行，流水线级数也比较少，浮点单元和多媒体指令集也不够强大，最重要的是只支持 32bit。
观点认为，ARM 将仅具备在低端市场与 x86 处理器争抢市场份额的可能，中端及高端市场仍是 x86 处理器的天下。
架构上的缺陷让 ARM 在性能上难以挑战高性能 x86 处理器。不过也有厂商只购买了 ARM 的指令集授权，自行开发性能更为强大的 ARM CPU。NVIDIA 的丹佛计划就是其中之一。那么，这些厂商是否打算会推出强大的 ARM CPU 来正面挑战 x86 在 PC 市场上的强势地位呢？
答案是：很难。x86 的兼容性和历史积累是很难被轻易抛弃的，ARM 目前还缺少强大的软件环境来配合可能出现的高性能产品。简单举例，即使 ARM 处理器能够在性能上和 x86 相提并论，让用户使用 ARM 版本的 CAD 或者 Maya，用户如何去寻找与之匹配的 ARM 插件？Photoshop 用户可能丢失大部分的笔刷和镜头数据，基本就没法工作了。且不说整个指令集的更换，这种兼容性问题甚至会发生在 x86 平台中不同版本的应用程序中。在诸如游戏开发、3D 模型制造等专业性非常强的行业中，大家都使用同样的操作系统、大家都使用完全一样的硬件配置，仅仅由于软件的版本差异，就有可能让 A 用户的程序在 B 用户电脑上无法正确运行。因此如果你看到一个程序员或者 3D 处理人员的电脑中安装了各种版本的某软件，他并非懒，而是采用了最具有效率的做法而已。
民用高性能 x86 处理器性能远远超过目前最强大的 ARM 处理器。在相当长的一段时间内，ARM 处理器也难以达到如左图英特尔 Core i7 3960x 的水准。
x86 本身平台都有一大堆软件兼容性问题，那么从 x86 到 ARM，在这种令人望而却步的“巨大问题”面前，ARM 会有多少优势？因此，聪明的厂商会考虑应用高性能 ARM，但他们会首先从封闭的、新的产业圈切入，或者在一些利润丰厚的领域自己创造新的生态圈，否则就一定要等到 ARM 的软件足够强大、ARM 的产业链足够成熟，才能全面铺开 ARM 的高性能产品。当然，对普通用户来说，厂商可能会考虑推出这些软件的功能删减版本，满足用户的基础需求（比如用 Photoshop 简单处理照片，修补缺陷，处理皮肤等）即可，这方面 ARM 还是相当有发展空间的。一旦涉及到生产力，行业用户对兼容性的要求给 x86带来了很强的市场惯性，ARM 基本上没有太多希望。因此 ARM 进入主流高端 PC 市场，不但很难获得足够的利润，更难以得到消费者的认可。
3 游戏主机平台 ARM 化这一点可能性相当高，一个比较鲜明的例子就是索尼的 PlayStation Portable（简称 PSP）。PSP 使用了 RISC 系统的 MIPS 指令集处理器，GPU 部分则使用了索尼自己设计的拥有 3D 曲面计算和多边形引擎功能、支持纹理压缩的产品。PSP 本身使用的 MIPS 架构目前产品较少，只有龙芯等面向非民用的产品在使用。在被认为是 PSP 的接班人的 PS Vita 上，索尼放弃了 MIPS，采用了基于 ARM Cortex A9 的四核心处理器，GPU 部分则配置了和 iPad 的 GPU 同源但更为强大的 PowerVR SGx543MP4+，理论性能基本上和桌面的 GeForce 8600GT 相当。
PS Vita 采用 ARM 架构处理器，可谓游戏机厂商对 ARM 的一次试水。
PS Vita 的做法好处很明显，它可以在硬件上兼容目前基于 Android 或者 iOS 的游戏大作。软件上只要索尼愿意，也基本没什么问题。游戏机的生命在于内容，只要有好游戏，硬件可以白送给消费者，利润都能够在游戏中赚回来。索尼给出了一个很好的学习榜样，不管它是否成功，游戏机 ARM 化的前途还是相当光明的。目前的市场也是这样，无论是 iPad 还是 Android Pad，游戏内容越来越丰富，题材越来越广泛，早已经不再局限于休闲小游戏。类似《使命召唤》、《战地》系列等，都可以在平板或者手机上找到简化版本。从画质来看，一些大型的 3D 游戏画质已经可以和 PS2 主机游戏画质媲美。虽然还比不上目前 PC 上的划时代大作，但至少在快速的进步中。
这就给主机厂商一个提示，ARM 的发展越来越快，GPU 性能越来越强大，当前最新的移动 GPU 已经加入了对 DirectX 11 部分规格的支持，技术上已经没有太多的障碍。如果实在担心 ARM 的 GPU 性能满足不了游戏开发需求，主机厂商也完全可以考虑在 ARM 中使用独立的GPU 来加强图形性能。总之，随着 ARM 的发展，主机 ARM 化也将成为一个可以触及的未来。
业内的竞争从抢夺办公桌开始，到目前的抢夺客厅、抢夺卧室，千方百计地要将电子设备放在人们触手可及的地方。目前的 ARM 设备已经可以连接电视机输出画面，玩游戏可以当作一台游戏机，看电影可以当作高清播放器，那么还有什么理由不重视它呢？ARM 化的游戏机，有大量的游戏厂商开发资源，厂商也可以定制独家游戏，甚至连 Steam 都开始重视 iOS 和 Android 市场，准备开始贩卖相关平台的游戏，而早先进入的苹果已经靠游戏赚得盆满钵盈。主机 ARM化，利用 ARM 的强大软件生态系统占据你的客厅、卧室，已经不是什么梦话了。
4 ARM 进驻超级计算机前文曾经说过，ARM 的高性能处理器的确存在，但是并不面向民用，它的目标是超级计算机。目前的超级计算机除了英特尔 x86 架构外就是 IBM Power 所代表的高性能 RISC 架构，ARM 看起来似乎没有什么希望。不过，超级计算机的一个软肋就是性能功耗比，现代超级计算机功耗越来越高，比如日本的“京”，基本上由 CPU 组建完成，在达到每秒 1000 万亿次浮点计算水平时，耗电量为 9.98 兆瓦，每年电费是 988 万美元。如此高昂的电费让超级计算机的耗电成为业内关注的一个重点问题。
为了解决超级计算机的功耗问题，使用异构计算是一个解决方法，另外则是改用性能功耗比更高的 CPU。ARM 则是其中最为重要的备选对象。NVIDIA 正在进行的丹佛计划中可能包含针对超级计算机的 ARM 处理器的研发。目前的消息表明，使用 ARM 处理器搭配能执行通用计算的 GPU，可以在更低的功耗下，达到相当高的性能。目前支持这项计划的有美国*和欧洲的 Mont-Blanc project(勃朗峰计划)，前者在 ARM 和 GPU 联合应用方面应该有不少的技术开拓，而后者是基于 ARM 平台打造超级计算机的具体方案。
ARM 向左，x86 向右ARM 在未来对 x86 的威胁是比较明显的。从低端市场开始，ARM 已经在逐渐地侵蚀上网本等类似设备的市场份额，随着 ARM 性能的不断提升，需要ARM 的市场还有很多，比如小型服务器市场，面向特殊用户的多媒体设备、大型服务器甚至超级计算机，都是 ARM 即将或者已经开始“攻城掠地”的对象。ARM 目前表现出极高的性能功耗比和整个平台极为优秀的适用性是其获得用户青睐、取得成功的重要因素，在未来很长一段时间中，这个优势都会帮助 ARM 拓展市场并更为强大。
支持 HDMI 接口输出的平板电脑越来越多，再加上平板小巧的体积和多样化的应用软件， 已逐渐成为客厅或者卧室的娱乐中心。
但事情也并非绝对乐观。目前的工艺已经快要触碰到晶体管制造的下一个物理极限了。业内认为，英特尔在 14nm 节点上将会有比较重要的改进。英特尔有强大的工艺做后盾，可以依靠工艺来挑战 ARM 步步紧逼的威胁。而且，随着 ARM 的发展，晶体管数量越来越多，性能越来越强，不可避免地要碰到功耗问题。没有统一的制造技术和完整制造工厂支持的 ARM，将如何解决工艺问题，如何在不远的将来和 x86 展开竞争，这一切都还是未知数。
丹佛计划，NVIDIA 的高性能 ARM 处理器，采用 ARM v8 架构，目前尚未公开具体细节。
总的来看，对于业内发展和行业展望类问题的研究，的确还是比较困难的，预测准确性一直不太令人满意。原因不外乎信息掌握不全面以及发展本身难以有规律可循，说不定今天在商场上喷的你死我活的两家公司，在背后密谈并购合约，转眼就会变成一家人。在 ARM 和 x86 现在看起来即将开战的前夜，谁也不知道下一秒钟是否有更为劲爆的新闻和技术突破出现。本文的目的是基于现有的信息，给用户带来行业内的分析，以及未来可能产生的情况进行预测。当然，如果你有更为新颖的想法和内幕消息，也欢迎发邮件到 mayc@cniti.cn 和我们一起讨论，本刊也将对 ARM 与 x86 这场龙虎斗进行持续关注。 | 
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发表于 2013-1-23 14:08:18
