您好！在上一篇文章中，我們探討了電腦的「大腦」CPU以及x86、x64架構，還有Intel和AMD這兩位巨人的有趣競爭。今天，讓我們在這個故事的延續中，深入研究另一個強大的CPU架構——ARM，它甚至讓Intel和AMD這對死對頭都合作起來。此外，我們還會稍微提到在ARM生態系統中扮演重要角色的Snapdragon和樹莓派。

1. ARM是什麼？基於RISC的強大性能

ARM(先進的RISC機器)，顧名思義，是一種基於RISC(簡化指令集計算)的指令集架構。上一回提到的x86是CISC(複雜指令集計算)架構，這正是ARM的核心優勢所在。

  • RISC vs. CISC：

    • CISC (x86)：設計上可以讓單一指令執行多種複雜任務，具有彈性。但指令的解釋較為複雜，且相對耗電較高。

    • RISC (ARM)：減少指令數量並簡化每個指令。因此，指令處理速度快且效率高，最重要的是電力效率非常出色，這在像智能手機這樣電池壽命至關重要的環境中成為壓倒性的優勢。

ARM並不是直接生產CPU，而是提供架構設計授權的公司。Qualcomm、三星(Samsung)、蘋果(Apple)、聯發科(MediaTek)等眾多半導體公司都基於ARM的設計來生產符合自身需求的CPU。

2. Snapdragon：Qualcomm的強大ARM架構SoC

那麼Snapdragon是什麼呢？Snapdragon是Qualcomm公司開發和銷售的移動系統單晶片(SoC: System on Chip)產品系列。

  • SoC是什麼？ SoC不僅包括CPU，還整合了GPU（圖形處理單元）、通訊調製解調器、影像處理單元（ISP）、人工智慧處理單元（NPU）等智選所需的幾乎所有核心元件，形狀就像電腦的主機板都裝在單一晶片內。

  • 基於ARM架構：Snapdragon的核心CPU是基於ARM架構設計的。Qualcomm從ARM獲得架構授權，製作自家的定制CPU核心（例如：Kryo）或使用ARM提供的標準核心（例如：Cortex-A系列）來製作Snapdragon SoC。

  • 三星與Snapdragon：三星的Galaxy系列也與Snapdragon相關。三星自家開發基於ARM的SoC，即Exynos，但同時在旗艦Galaxy智能手機等機型中也會使用Qualcomm的Snapdragon晶片。特別是在過去，三星會根據地區分別使用Exynos和Snapdragon，但最近因Snapdragon晶片的性能優勢，越來越多的型號開始搭載Snapdragon，也就是說，Snapdragon並不是三星的ARM晶片，而是三星在其產品中使用的Qualcomm基於ARM的晶片。

Snapdragon擁有卓越的性能、電力效率以及通訊調製解調器技術，使其在全球Android智能手機市場中擁有壓倒性的市場份額。

3. ARM，超越x86壟斷移動市場

ARM在最初主要用於嵌入式系統或便攜設備，但隨著智能手機的出現，ARM的真正實力開始展現出來。iPhone、Android手機幾乎所有智能手機的內部均配備ARM架構的處理器。

ARM CPU close-up fantasy style

  • 電池效率：對於智能手機來說，最重要的因素之一是電池壽命。ARM卓越的電力效率完美滿足了這一需求。

  • 小型化和低成本：得益於RISC架構的簡單性，晶片尺寸得以縮小，生產成本也得以降低。

在完全壟斷移動市場的ARM，現在的不僅僅是移動晶片。可穿戴設備、物聯網(IoT)設備、智能電視、汽車資訊娛樂系統等周圍許多設備中均使用ARM架構的晶片。

4. x86 vs. ARM：PC和伺服器市場的新戰爭

征服移動市場的ARM，現在正在將影響力擴展到x86長期統治的PC和伺服器市場。特別是蘋果在2020年將Mac系列從Intel x86處理器轉向自主開發的Apple Silicon（M系列晶片），這使得基於ARM的PC性能突破了以往的成見並開始受到關注。

  • 進入PC市場：

    • Apple Silicon：如M1、M2、M3等蘋果的ARM架構晶片展現了驚人的性能和電力效率，對PC市場造成了很大衝擊。特別是在無風扇的筆記本中也能發揮高性能，這與基於x86的筆記本形成了明顯的差異。

    • ARM上的Windows：微軟也與Qualcomm（Snapdragon X Elite）等合作開發基於ARM的Windows PC。雖然目前在軟體兼容性等方面還存在挑戰，但潛力相當大。

  • 進入伺服器市場：

    • 雲計算：類似亞馬遜網絡服務（AWS）的Graviton處理器等基於ARM的伺服器晶片在數據中心越來越多的應用。因為它們提供高性能的同時，能夠以低功耗運行以降低運營成本。

    • 容易自定義：ARM的授權模式使企業能夠設計針對特定工作負載的定制晶片。

x86陣營的應對：面對ARM的追趕，Intel和AMD也感受到緊張。它們持續努力改善現有x86處理器的電力效率和進一步提升性能。

5. 小巨人，樹莓派(Raspberry Pi)也基於ARM！

因為是小型且便宜的電腦而聞名的樹莓派(Raspberry Pi)同樣基於ARM架構。最初是為教育用途開發的，但現在廣泛應用於物聯網、家庭自動化、媒體伺服器、小型機器人等各種項目並受到極大歡迎。

  • ARM Cortex核心：樹莓派的核心是由博通(Broadcom)生產的SoC，其中搭載了ARM的Cortex-A系列CPU核心。

    • 例如，樹莓派4使用ARM Cortex-A72核心，而最新的樹莓派5則使用更強大的ARM Cortex-A76核心。

  • ARM生態系統的擴散：樹莓派的成功證明了ARM架構不僅能超越智能手機，同時也可以作為一個廉價且強大的通用計算平台來使用。

6. ARM與x86，以及未來CPU生態系統的展望

當前CPU市場正迎來一個x86與ARM這兩大架構共存激烈競爭的有趣時代。

  • 各自的優勢保持：x86依然在高性能計算、遊戲及特定專業任務等領域保持強大的地位。而ARM則在移動、嵌入式及電力效率至關重要的輕型PC和伺服器市場中迅速成長。

  • 軟體相容性：要讓基於ARM的系統廣泛普及，必須解決軟體相容性問題。儘管像Rosetta 2這樣的模擬技術正在進步，但原生ARM應用的開發需要進一步活躍。目前許多PC遊戲無法在MacOS運行的原因之一，就是很多遊戲開發商選擇基於x86架構來開發遊戲。因此，要讓ARM CPU市場進一步擴大，還需要這些軟體開發公司的努力和貢獻。

  • 混合系統：未來可能會出現結合兩種架構優勢的混合型系統，或者針對特定任務優化的各種架構共存的多樣計算環境。

Intel和AMD在鞏固x86生態系統的同時，ARM也在不斷擴大其領域，帶來創新。我們期待這場有趣的競爭將會帶來什麼驚人的技術進展。

總結

今天我們了解到了作為移動市場的主宰和PC、伺服器市場的強勁挑戰者的ARM架構。同時還探討了ARM生態系統的重要角色——Snapdragon及小而強大的樹莓派。

您現在使用的是基於ARM的設備嗎？還是更喜歡x86基礎的系統呢？您認為未來哪種架構會成為主流呢？歡迎在評論中分享您的看法！我們下篇文章見，帶來更多有趣的IT故事。謝謝！