[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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作者：李震

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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。。。