电脑芯片架构大揭秘：ARM、x86 与 AMD 的全方位解析
发布时间：2024-12-26 15:41
更新时间：2024-12-31 10:57
当您准备选购一台崭新的计算机时，会面临两种主要的 CPU 架构抉择。Windows 个人电脑通常基于 Intel 和 AMD 所采用的 x86 平台构建，而 Apple 的计算机则运用其自主研发的、基于 ARM 架构的 M1 和 M2 处理器。
这两种架构之间存在着显著差异，这些差异对于性能的表现有着至关重要的影响，让我们深入探究其中的奥秘。
ARM 与 x86：指令集的独特世界
x86 和 ARM 处理器平台虽然都致力于实现相同的计算任务，但它们达成目标的方式却截然不同。它们的内部逻辑布线方式各异，内部数据寄存器的配置有所差别，并且硬编码指令集也不一样。这就意味着，它们在运行软件时采用了不同的模式和路径。
在 x86 平台的发展历程中，其处理器的内部结构和指令集最初源于 Intel 8008，这是一款早在 1972 年就已崭露头角的 8 位 CPU。令人惊叹的是，当年为这款芯片编写的机器码程序，经过汇编后，依然能够在英特尔或 AMD 的最新处理器上顺利运行。
当然，自那时起，硬件技术已经取得了飞跃式的发展。在 8008 之后，依次诞生了 8088，接着是为最初的 IBM PC 提供服务的 16 位 8086。到了 20 世纪 80 年代，80186、80286 等相继问世，“x86” 这一绰号也由此而来。
历经数代的演进，x86 平台不断引入新的特性，诸如支持多任务处理和虚拟内存的功能；同时，对 32 位和 64 位操作的支持也得以增强，这使得计算机能够高效地应对海量数据集的处理需求。此外，一系列的扩展指令集被开发出来，用以加速特定的任务，例如图形处理、虚拟化以及数据加密等领域，极大地拓展了其应用范围和性能表现。
Apple 的处理器则扎根于 ARM 架构，其起源可以追溯到 20 世纪 80 年代中期的 Acorn Computers。与当时其他家用电脑从外部供应商采购芯片的做法不同，Acorn Computers 毅然决定自主设计一款性能超越现有竞争对手的新型处理器。功夫不负有心人，他们成功了：在推出之时，基于 ARM 的 Acorn Archimedes 成为了当时市面上性能最为强劲的家用计算机之一。
时至今日，ARM 平台由位于剑桥的 Arm 集团持有并持续开发。如同 x86 平台一样，ARM 架构自诞生以来也在不断发展壮大，持续进化。后续版本的 ARM 平台增添了 64 位支持以及大量的扩展功能，旨在加速常见的数学运算，尤其是在最新的 ARMv9 版本中，对安全和人工智能（AI）功能进行了着重强化，使其在现代科技领域中占据了一席之地。
科技巨头的芯片制造版图
除了架构上的差异，这两种主要计算架构之间还存在另一个显著的区别：与英特尔亲自制造自家处理器不同，Arm 并不生产任何处理器。相反，Arm 公司选择将其设计授权给其他公司，这些获得授权的公司可以根据自身的特定需求对设计进行定制化修改，并按照自己的标准和规格来制造处理器。以 Apple Silicon 为例，苹果公司运用了核心 ARM 逻辑，但在此基础上增添了诸多自家独有的优化措施，并将芯片制造环节外包给了台积电，通过这种方式打造出了独具特色的芯片产品。
芯片在面向最终用户的市场推广方式上也大相径庭。英特尔的所有 x86 处理器均基于相同的底层架构，但却提供了数量繁多的不同配置选项。在每一代酷睿 CPU 产品系列中，都包含了酷睿 i3、i5、i7 和 i9 等多种变体，并且这些变体还进一步细分为针对移动设备、台式电脑或游戏系统等不同应用场景的特定型号范围。这些不同型号在处理内核数量、缓存内存容量、时钟速度以及电源要求等方面都存在差异，这无疑给消费者在选择计算机时带来了一定的困惑，需要他们仔细斟酌，根据自身的实际需求挑选出最适合自己的一款型号。
相较而言，截至本文撰写之时，苹果公司总共推出了七种计算机芯片，分别是 M1、M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra、M2、M2 Pro 和 M2 Max。其产品阵容相较于英特尔而言要简洁明了许多，即便是普通的 M1 芯片，在性能表现上也能够与中端英特尔芯片一较高下，为消费者提供了更为清晰明确的选择。
ARM 和 x86 CPU 与 RAM 的 “亲密接触”
苹果的芯片和英特尔的芯片之间还存在最后一个区别，需要注意的是，这一区别并非 ARM 架构本身所固有，而是苹果公司基于自身设计理念所做出的独特决策。英特尔的芯片在运行过程中依赖于外部系统的 RAM，而苹果则别出心裁地将内存直接集成到其 M 系列处理器的芯片内部。
这种设计方案带来了一定的局限性，意味着用户永远无法对 Apple Silicon 计算机上的内存进行升级，这在用户选择计算机规格时可能会引发一些颇为纠结的决策过程。同时，这也导致在主流芯片上，内存容量的配置相对有限：M1 芯片所能提供的最大内存为 16GB，而 M2 芯片的内存上限则为 24GB。倘若用户需要 32GB 甚至更多的内存，就不得不升级到价格昂贵的 M1 Pro、Max 或 Ultra 系统，这无疑增加了用户获取高内存配置计算机的成本。相比之下，英特尔的所有第 12 代和第 13 代处理器都能够支持高达 128GB 的内存，为那些对内存容量有较高要求的用户提供了更为广阔的选择空间。
然而，这种设计也并非毫无优势。由于苹果的 RAM 实际上紧邻处理器逻辑，并通过速度极快的架构与之相连，使得其处理器能够以极其迅速且高效的方式访问代码和数据。标准 M1 芯片的最大内存带宽可达 68GB / 秒，而 M2 芯片更是高达 100GB / 秒，M1 Pro、Max 和 Ultra 型号的内存带宽则分别能够达到 200GB / 秒、400GB / 秒和 800GB / 秒，这样的内存带宽表现为数据的快速传输和处理提供了有力保障。对于英特尔处理器而言，内存带宽则完全取决于处理器、RAM 和主板的具体组合情况，即便在最新、最快的酷睿 i9 处理器上，其内存带宽在理论上的最大值也被限制在 90GB / 秒左右，与苹果芯片相比略显逊色。
更为重要的是，苹果采用了所谓的 “统一内存架构（unified memory architecture）”，这意味着整个内存空间都能够被 CPU 或片上 GPU 直接访问。相较于传统的 PC 架构，这种设计在效率上具有显著的优势。在传统 PC 架构中，CPU 和 GPU 各自拥有独立的内存库，在协同处理相同数据时，往往需要频繁地进行数据的来回复制，这无疑会降低处理效率，而苹果的统一内存架构则巧妙地避免了这一问题，大大提高了数据处理的效率和速度。
AMD：x86 阵营中的独特力量
在英特尔和苹果之外，CPU 市场还存在着第三个主要参与者 ——AMD。不过，AMD 的芯片在架构上并没有像苹果那样鲜明独特的身份标识，因为它们采用的是与英特尔相同的核心 x86 架构以及指令集。
回顾英特尔和 AMD 的发展历程，两者之间存在着一种颇为有趣的共生关系。
为何英特尔会允许其最大的竞争对手使用其专有的架构呢？这要追溯到 20 世纪 80 年代初期，当时 IBM 计划在最初的 IBM PC 中使用英特尔的芯片，但又不想仅仅依赖于单一的芯片供应源。
于是，IBM 向英特尔提出要求，只有在第二家公司能够在获得许可的情况下制造硬件时，才会选用 x86 处理器。就这样，AMD 获得了制造 Intel 8086、80186 和 80286 处理器的授权。此后，AMD 凭借自身的技术实力，创造出了属于自己的芯片设计，开始与英特尔的芯片展开竞争。在 20 世纪 90 年代后期推出的 K5 和 K6 处理器，以低于英特尔奔腾处理器的价格优势，实现了 x86 兼容性，在市场上赢得了一席之地。
进入 2000 年后，AMD 创新性地将新的 64 位处理模式融入到 x86 架构中，并对其进行了强化，使其能够更好地处理更大的数字、更庞大的数据集以及更多的 RAM。英特尔也对这些扩展技术进行了许可使用，从此，两家公司在技术发展的道路上形成了一种相互依赖的关系。
尽管 AMD 的处理器能够运行与英特尔相同的程序，但两者之间仍然存在一些关键的差异。AMD 主要专注于芯片的设计和销售，而并不亲自涉足芯片的制造环节；这一策略使得 AMD 能够灵活地选择任何能够提供最先进技术的代工厂进行合作。例如，在前两代 Ryzen CPU 产品中，AMD 选择了 Global Foundries 作为代工厂商，而到了 2019 年，为了充分利用台积电的 7nm 制造工艺优势，AMD 转而与台积电合作，其最新的 Ryzen 7000 系列芯片更是采用了台积电的 5nm 先进工艺，不断提升产品的性能和竞争力。
AMD 的芯片设计在某些方面也展现出了独特的优势。与价格相近的英特尔芯片相比，AMD 的设计往往会集成更多的内核，这在一定程度上得益于 AMD 所采用的 “chiplet” 技术方法。AMD 并非将所有的组件都集成在一个单一的芯片上，而是将设计分解为多个处理器内核（chiplets），然后通过共享资源（如缓存）将它们连接在一起，形成一个完整的芯片系统。然而，需要注意的是，实际的核心数量可能会给消费者带来一定的误导，因为两家公司都广泛运用了多线程技术，使得单个核心能够同时为两个执行线程提供服务，从而在一定程度上提升了处理器的并行处理能力。此外，英特尔最近推出的效率核心进一步增加了情况的复杂性，这些效率核心虽然对峰值性能的提升贡献有限，但在某些特定场景下也能发挥一定的作用。
总体而言，通常情况下，AMD 芯片在多核处理能力方面会表现得更为出色 —— 为了充分支持这些内核的高效运行，AMD 往往会提供比英特尔更多的片上内存。虽然 Ryzen 处理器没有像 Apple 的芯片那样将整个 RAM 分配集成在芯片内部，但它们通常配备了较大容量的缓存，这些缓存能够帮助处理器在全速处理数据和指令时，减少对外部 DIMM 内存获取信息的等待时间，从而提高整体的运行效率和性能表现。
然而，多核性能究竟能为用户带来多大的价值，这仍然是一个值得探讨的问题。对于大型数据库服务器和图形渲染程序等对并行处理能力要求较高的应用场景而言，多核性能无疑能够带来显著的性能提升和效率改善；但对于许多日常的桌面应用程序来说，它们大多属于单线程应用，在这种情况下，使用更少但速度更快的内核可能反而会为用户带来更为流畅的使用体验。因此，消费者在选择 CPU 时，需要综合考虑自身的实际使用需求、预算以及对性能的期望等多方面因素，权衡利弊，做出最为明智的决策。
