【知乎】為啥arm架構(gòu)比x86 x64省電？

2023-10-30 02:09 作者:小林家的垃圾王R 0人讀過 | 我要投稿

?為啥arm架構(gòu)比x86 x64省電？

木頭龍

開了個新專欄，收錄些老回答

GreatPie、dumplingpro、嗜金水狙等人贊同

反對?
@昌維
?的高贊答。x86的兼容性負(fù)擔(dān)是很重沒錯，但這并非ARM省電的原因。

如果生產(chǎn)工藝相同，頻率相同的兩個CPU，功耗的由參與計算的晶體管數(shù)量決定。今天的CPU，以Intel的Skylake架構(gòu)為例，單個核心（不含LLC）晶體管數(shù)量大概在150M左右，而x86的幾個里程碑產(chǎn)品，晶體管數(shù)量分別是：

8086：29K[1]
80386：275K[2]
P5：3.1M-4.5M(P55C)[3]

所謂的兼容性負(fù)擔(dān)，也就是早期使用現(xiàn)在幾乎不用的指令，基本是P5之前已經(jīng)出現(xiàn)，而且386之前占大部分，整個CPU才這么點晶體管，這幾個指令才用了幾個？另外80386以及之前的CPU都是不帶FPU的，實現(xiàn)FPU消耗的晶體管更多。今天的CPU，整數(shù)指令的執(zhí)行單元消耗的晶體管，大概占不到2%，具體到這些因為兼容性而保留下來的指令的實現(xiàn)部分，真沒有幾個。

此外今天CPU的功耗控制粒度非常細(xì)，每個指令的實現(xiàn)電路的晶體管，在沒有對應(yīng)指令執(zhí)行時消耗的功耗完全可以忽略。從這個角度來說，這些老舊指令的實現(xiàn)并不會影響CPU功耗，即便在執(zhí)行對應(yīng)指令時，因為都是早期的16位指令和極個別32位指令，功耗比流行的64位整數(shù)/浮點指令、128-512位的SIMD指令更低。

正面回答一下題目：

ARM架構(gòu)不一定比x86省電。

嚴(yán)格來說，ARM和x86都是指令集架構(gòu)，說白了就是硬件和軟件之間的接口定義，本身并沒有功耗一說。而即便是具體實現(xiàn)這些指令集的CPU微架構(gòu)，不同的微架構(gòu)CPU的功耗，或者相同微架構(gòu)但使用不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的CPU，甚至同一個CPU設(shè)定了不同的工作頻率，功耗都是不同的。一定要說ARM和x86兩種指令集對于功耗的影響，也就是x86是變長指令，解碼單元的實現(xiàn)需要消耗更多的晶體管而已。但反過來，因為x86是變長指令，指令更緊湊，大量指令吞吐時，F(xiàn)ETCH單元的負(fù)載要比ARM低一些。

x86和ARM相對比較接近的兩個微架構(gòu)，是Cortex-A77和AMD的Zen2，雖然細(xì)節(jié)上有很多差異，但都是取指、譯碼、調(diào)度、執(zhí)行、回寫幾個大模塊，最核心的執(zhí)行單元部分都是整數(shù)、浮點、LS分離，整數(shù)部分都是4ALU，浮點都是2個SIMD單元。

同樣是臺積電7nm工藝，AMD的3990X，64核心滿載，頻率3.46GHz。Core耗電197W，平均單個核心3.078W；整體耗電279W，平均單個核心4.36W[4]。而2.845GHz的驍龍865，跑單線程的SPECfp2006，功耗是3.06W[5]。按照功耗和頻率的立方成正比關(guān)系，假設(shè)3990X和865一樣以2.845GHz運行，3990X單個核心功耗1.711W，整體平均2.423W。這樣算下來x86的3990比ARM的865更省電。性能方面，如果直接按照頻率和SPEC2006得分計算的話，2.845GHz的865略強(qiáng)于單核睿頻最高4.7GHz的同樣是Zen2架構(gòu)的3950X，大概是整數(shù)高10%，浮點高5%，但功耗比3990X高25%。

當(dāng)然，這樣計算相當(dāng)不嚴(yán)謹(jǐn)，因為除了核心外的部分，3990X是四通道DDR4，64個核心共享；而865跑SPEC是單個核心獨占LPDDR5。但反過來，3990X的設(shè)計還需要考慮核心睿頻到4.35GHz時候運行，使用了19級流水線；而865不超過3GHz，只用了13級流水線。

事實上，ARM在移動端因為電池容量無法做到高頻，服務(wù)器端不少場合更看重Throughput性能也可以用低主頻換取更低的功耗來容納更多的核心；而x86大量的桌面應(yīng)用更看重響應(yīng)時間而不得不犧牲功耗來換取高頻，所以給大家的印象就是x86更耗電而已。這是生態(tài)問題，而不是指令集架構(gòu)問題。

此外，ARM天才的大小核設(shè)計，在處理一些簡單任務(wù)以及待機(jī)時功耗更低，對于使用電池的移動設(shè)備來說可以大幅延長續(xù)航時間，這才是微軟Surface X使用ARM CPU最重要的原因——也因此Intel也在學(xué)習(xí)模仿，已經(jīng)流出的消息中LakeField、Alder Lake都是大小核搭配的架構(gòu)。

參考

^WiKi:Intel 8086?https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8086
^WiKi:Intel 80386?https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_80386
^WiKi:P5 (microarchitecture)?https://en.wikipedia.org/wiki/P5_(microarchitecture)
^AnandTech: The 64 Core Threadripper 3990X CPU Review?https://www.anandtech.com/show/15483/amd-threadripper-3990x-review/2
^Anandtech：The Snapdragon 865 Performance Preview?https://www.anandtech.com/show/15207/the-snapdragon-865-performance-preview-setting-the-stage-for-flagship-android-2020/2

編輯于 2020-06-05 16:28

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