Wie groß sind die Unterschiede zwischen ARM, Intel und MIPS im Kampf der Mobilprozessoren?
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Android unterstützt drei Prozessortypen (CPUs): ARM, Intel und MIPS. ARM ist zweifellos das am weitesten verbreitete Betriebssystem. Intel ist für seine Beliebtheit bei Desktop-PCs und Servern bekannt, hat jedoch in der Mobilbranche relativ wenig Einfluss. MIPS blickt auf eine lange Geschichte in den eingebetteten 32-Bit- und 64-Bit-Bereichen zurück und hat beachtliche Erfolge erzielt, die derzeitige Akzeptanzrate von Android ist jedoch die niedrigste der drei. Kurz gesagt: ARM ist jetzt der Gewinner und Intel ist der stärkste Konkurrent von ARM. Was ist also der Unterschied zwischen ARM-Prozessoren und Intel-Prozessoren? Warum ist ARM so beliebt? Spielt es eine Rolle, welchen Prozessor Ihr Smartphone oder Tablet verwendet? Prozessor (CPU) Die Central Processing Unit (CPU) ist das Gehirn Ihres Smart-Geräts. Seine Aufgabe besteht darin, Ihr Gerät (einschließlich Display, Touchscreen, Modem usw.) durch die Ausführung einer Reihe von Anweisungen zu steuern und so aus einem Klumpen aus einer Mischung aus Kunststoff und Metall ein glänzendes Smartphone oder Tablet zu machen. Mobile Geräte sind komplex und verfügen über Prozessoren, die Millionen von Anweisungszeilen ausführen müssen, um die gewünschten Aktionen auszuführen. Geschwindigkeit und Stromverbrauch sind für Prozessoren entscheidend. Die Geschwindigkeit beeinflusst das Benutzererlebnis und der Stromverbrauch beeinflusst die Akkulaufzeit. Ein perfektes Mobilgerät muss eine gute Leistung und einen geringen Stromverbrauch haben. Aus diesem Grund ist die Wahl des Prozessors wichtig. Ein stromhungriger, nicht reagierender Prozessor entlädt Ihren Akku schnell, während ein hochentwickelter, effizienter Prozessor für hohe Leistung und lange Akkulaufzeit sorgt. Im Allgemeinen besteht der erste Unterschied zwischen ARM- und Intel-Prozessoren darin, dass erstere einen reduzierten Befehlssatz (RISC) verwenden, während letztere einen komplexen Befehlssatz (CISC) verwenden. Einfach ausgedrückt ist der reduzierte Befehlssatz kleiner und näher an atomaren Operationen, während der komplexe Befehlssatz größer und komplexer ist. Die sogenannte atomare Operation bedeutet, dass die Arbeit jedes Befehls vom Prozessor in einer Operation abgeschlossen werden kann, beispielsweise das Hinzufügen zweier Register. Die Anweisungen eines komplexen Befehlssatzes beschreiben eine bestimmte Absicht, aber der Prozessor muss 3 oder 4 einfachere Anweisungen ausführen, um diese Absicht zu erreichen. Beispielsweise kann ein Prozessor mit komplexem Befehlssatz angewiesen werden, zwei Zahlen zu addieren und das Ergebnis im Hauptspeicher zu speichern. Um diesen Befehl abzuschließen, ruft der Prozessor zuerst die erste Zahl von Adresse 1 ab (Vorgang 1), dann eine weitere Zahl von Adresse 2 (Vorgang 2), addiert sie dann (Vorgang 3) und so weiter. Alle modernen Prozessoren verwenden ein Konzept namens Mikroanweisungen . Dabei handelt es sich um eine Reihe von Anweisungen innerhalb des Prozessors, die die atomaren Operationen beschreiben, die der Prozessor ausführen kann. Die ICU führt tatsächlich 3 Mikroanweisungen aus. Bei einem Prozessor mit reduziertem Befehlssatz ähneln die Befehle sehr stark den Mikrobefehlen, während die Befehle eines Prozessors mit komplexem Befehlssatz zunächst in kompaktere Mikrobefehle umgewandelt werden müssen (genau wie im vorherigen Beispiel eines Prozessors mit komplexem Befehlssatz, der eine Addition durchführt). Das heißt, der Decoder im Prozessor mit reduziertem Befehlssatz (das Ding, das dem Prozessor sagt, was er tun soll) ist viel einfacher, und Einfachheit bedeutet hohe Effizienz und geringen Stromverbrauch. Herstellungsprozess Ein weiterer großer Unterschied zwischen ARM- und Intel-Prozessoren besteht darin, dass ARM schon immer nur Prozessoren mit geringem Stromverbrauch entwickelt hat. Ihr Ziel ist die Entwicklung von Prozessoren mit geringem Stromverbrauch, und das ist ihre Stärke. Die Stärke von Intel liegt in der Entwicklung von Desktop- und Serverprozessoren mit extrem hoher Leistung, und das gelingt dem Unternehmen gut. Intel ist führend in der Desktop-Server-Branche. Alle meine PCs, Laptops und Server (bis auf einen) der letzten 20 Jahre wurden mit Intel-Prozessoren betrieben. Beim Einstieg in die Mobilbranche verwendete Intel jedoch immer noch dieselbe komplexe Befehlssatzarchitektur wie bei Desktop-Computern und versuchte, diese in kleinere Prozessoren für Mobilgeräte zu packen. Die durchschnittliche Wärmeabgabe eines Intel i7-Prozessors beträgt 45 Watt. Die maximale momentane Spitzenwärmeentwicklungsrate eines ARM-basierten System-on-Chip (das einen Grafikprozessor enthält) beträgt etwa 3 Watt, was etwa 1/15 der eines Intel i7-Prozessors entspricht. Intel ist heute ein riesiges Unternehmen, das viele kluge Köpfe beschäftigt. Die neuesten Prozessoren der Atom-Serie verwenden ein Temperaturkontrolldesign ähnlich dem der ARM-Prozessoren, für die Intel das neueste 22-nm-Herstellungsverfahren verwenden muss. Generell gilt: Je kleiner die Nanometer eines Herstellungsprozesses sind, desto effizienter ist die Energienutzung. ARM-Prozessoren verwenden einen niedrigeren Herstellungsprozess und haben ähnliche Temperaturkontrolleffekte. Beispielsweise verwendet der Snapdragon 805-Prozessor von Qualcomm einen 28-nm-Herstellungsprozess. 64-Bit Auch beim 64-Bit-Computing gibt es zwischen ARM und Intel einige wesentliche Unterschiede. Wussten Sie, dass Intel keine 64-Bit-Version des x86-Befehlssatzes entwickelt hat? Dieser 64-Bit-Befehlssatz, x86-64 genannt (manchmal abgekürzt als x64), wurde tatsächlich von AMD entworfen und entwickelt. Die Geschichte geht folgendermaßen: Intel wollte 64-Bit-Computing betreiben und wusste, dass eine 64-Bit-Architektur, die aus der eigenen 32-Bit-x86-Architektur hervorgehen würde, sehr ineffizient sein würde. Daher startete Intel ein neues 64-Bit-Prozessorprojekt namens IA64. Dies führte zur Entwicklung der Itanium-Prozessorreihe. Gleichzeitig war AMD bewusst, dass es keinen Prozessor herstellen konnte, der mit IA64 kompatibel war. Daher erweiterte das Unternehmen x86 und fügte 64-Bit-Adressierung und 64-Bit-Register hinzu. Die daraus resultierende Architektur, bekannt als AMD64, wurde zum Standard für 64-Bit-Versionen von x86-Prozessoren. Das IA64-Projekt galt nicht als Erfolg und wurde mittlerweile im Wesentlichen aufgegeben. Intel übernahm schließlich AMD64. Die aktuelle mobile Lösung von Intel ist ein 64-Bit-Prozessor, der den von AMD entwickelten 64-Bit-Befehlssatz verwendet (mit einigen geringfügigen Unterschieden). Bei ARM ist die Geschichte ganz anders: Da ARM den Bedarf an 64-Bit-Computing auf Mobilgeräten erkannte, veröffentlichte das Unternehmen 2011 die 64-Bit-Architektur ARMv8, den Höhepunkt mehrjähriger Arbeit an der nächsten Generation der ARM-Befehlssatzarchitektur. Um eine prägnante 64-Bit-Architektur basierend auf den ursprünglichen Prinzipien und Befehlssätzen zu entwickeln, verwendet ARMv8 zwei Ausführungsmodi, AArch32 und AArch64. Wie die Namen schon vermuten lassen, führt einer 32-Bit-Code aus und der andere 64-Bit-Code. Der Clou an ARMs Design ist, dass der Prozessor im laufenden Betrieb nahtlos zwischen den beiden Modi wechseln kann. Dies bedeutet, dass der Decoder für 64-Bit-Befehle völlig neu entwickelt wird, ohne dass 32-Bit-Befehle berücksichtigt werden müssen, während der Prozessor abwärtskompatibel bleibt. Heterogenes Computing Die big.LITTLE-Architektur von ARM ist eine Innovation, die Intel derzeit nicht replizieren kann. In der big.LITTLE-Architektur können Prozessoren unterschiedlicher Art sein. Herkömmliche Dual-Core- oder Quad-Core-Prozessoren enthalten die gleichen 2 oder 4 Kerne. Ein Dual-Core-Atom-Prozessor verfügt über zwei identische Kerne, die die gleiche Leistung erbringen und den gleichen Strom verbrauchen. ARM hat mit big.LITTLE heterogenes Computing auf mobilen Geräten eingeführt. Dies bedeutet, dass die Kerne eines Prozessors unterschiedliche Leistung und Stromverbrauch aufweisen können. Wenn das Gerät normal funktioniert, werden die Kerne mit geringem Stromverbrauch verwendet, und wenn Sie ein komplexes Spiel ausführen, werden die Kerne mit hoher Leistung verwendet. Wie wird dies erreicht? Beim Entwurf eines Prozessors müssen eine Vielzahl technischer Aspekte berücksichtigt werden, die die Leistung und den Stromverbrauch des Prozessors bestimmen. Sowohl Intel- als auch ARM-Prozessoren verwenden Pipelines, wenn eine Anweisung dekodiert und für die Ausführung vorbereitet wird. Das heißt, der Dekodierungsprozess läuft parallel ab. Der erste Schritt besteht darin, die Anweisung aus dem Speicher zu lesen, der zweite Schritt besteht darin, die Anweisung zu überprüfen und zu dekodieren und der dritte Schritt besteht darin, die Anweisung auszuführen, und der Zyklus wiederholt sich. Der Vorteil der Pipeline besteht darin, dass sich die nächste Anweisung bereits im ersten Schritt befindet, wenn sich die aktuelle Anweisung im zweiten Schritt befindet. Wenn die aktuelle Anweisung im dritten Schritt ausgeführt wird, erfolgt die nächste Anweisung im zweiten Schritt und die nächste Anweisung im ersten Schritt und so weiter. Um Anweisungen schneller auszuführen, können diese Pipelines so konzipiert werden, dass Anweisungen außerhalb der Programmreihenfolge ausgeführt werden können (Out-of-Order-Ausführung). Einige clevere Logikstrukturen können bestimmen, ob die nächste Anweisung vom Ergebnis der aktuellen Anweisung abhängt. Sowohl Intel als auch ARM bieten Logikstrukturen zur Out-of-Order-Ausführung. Wie Sie sich vorstellen können, ist diese Struktur sehr komplex. Komplexität bedeutet höheren Stromverbrauch. Bei Intel-Prozessoren besteht die Möglichkeit, Out-of-Order-Logikstrukturen hinzuzufügen. Bei heterogenem Computing gibt es dieses Problem nicht. ARM Cortex-A53 verwendet die In-Order-Ausführung, sodass der Stromverbrauch geringer ist. Der ARM Cortex-A57 verwendet eine Out-of-Order-Ausführung, ist also schneller, verbraucht aber mehr Strom. Prozessoren mit der big.LITTLE-Architektur können sowohl Cortex-A53- als auch Cortex-A57-Kerne haben und je nach Bedarf entscheiden, wie diese Kerne verwendet werden. Beim Synchronisieren von E-Mails im Hintergrund ist eine schnelle Out-of-Order-Ausführung nicht erforderlich, sie wird nur beim Spielen komplexer Spiele benötigt. Verwenden Sie den richtigen Kern zur richtigen Zeit. Grundsätzlich gilt: Je komplexer die Logikstrukturen im Prozessor, desto höher die Leistung, und je weniger, desto höher die Effizienz. Die Befehlspipeline ist nur eine davon und umfasst Gleitkommaeinheiten, Single Instruction Multiple Data Logic (SIMD) (wie etwa NEON von ARM und SSE/MMX von Intel) sowie First-Level-Cache und Second-Level-Cache. Intel bietet für jedes Atom-System-on-Chip nur eine Lösung an, während die von ARM und seinen Chippartnern bereitgestellten Chips auf mehrere Arten konfiguriert werden können. Kompatibilität: ARM ist derzeit führend bei mobilen Prozessoren. Die Partner von ARM haben 50 Milliarden ARM-basierte Designs an den Mobil- und Embedded-Markt geliefert. Für Android hat sich ARM zum Standard entwickelt, was für Intel und MIPS ein Problem darstellt. Obwohl Java die primäre Programmiersprache für Android ist, können Entwickler zum Entwickeln von Anwendungen auch vorhandenen Code (wie C oder C++) verwenden. Diese Anwendungen mit fester Plattform werden normalerweise in Programme für ARM-Prozessoren kompiliert, aber nicht alle von ihnen werden in Programme für Intel- oder MIPS-Prozessoren kompiliert. Um dieses Problem zu lösen, verwenden Intel und MIPS spezielle Konvertierungssoftware, um ARM-Anweisungen in die von ihren Prozessoren verwendeten Anweisungen umzuwandeln. Dies beeinträchtigt natürlich die Leistung. Derzeit behaupten MIPS und Intel, mit etwa 90 % der Anwendungen im Play Store kompatibel zu sein. Bei den 150 beliebtesten Apps beträgt die Kompatibilitätsrate 100 %. Einerseits ist die Kompatibilitätsrate sehr hoch und andererseits zeigt es die dominante Position von ARM, die von anderen Prozessordesignern die Bereitstellung einer Kompatibilitätsschicht erfordert. Zusammenfassen Die Herstellung von Prozessoren ist ein komplexes Geschäft. ARM, Intel und MIPS arbeiten unermüdlich daran, mobile Geräte mit der besten Technologie auszustatten, und ARM ist eindeutig der Marktführer. Mit seinem geringen Stromverbrauch, dem sauberen 64-Bit-Design, heterogenem Computing und seiner Position als Standard für mobiles Computing sieht es so aus, als ob ARM seine Vormachtstellung behaupten kann. Als Gewinner des Qingyun-Plans von Toutiao und des Bai+-Plans von Baijiahao, des Baidu-Digitalautors des Jahres 2019, des beliebtesten Autors von Baijiahao im Technologiebereich, des Sogou-Autors für Technologie und Kultur 2019 und des einflussreichsten Schöpfers des Baijiahao-Vierteljahrs 2021 hat er viele Auszeichnungen gewonnen, darunter den Sohu Best Industry Media Person 2013, den dritten Platz beim China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, den Guangmang Experience Award 2015, den dritten Platz im Finale des China New Media Entrepreneurship Competition 2015 und den Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018. |
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