蘋果選擇ARM架構的cpu背後的“野心”和“理想”

2020年的WWDC上最大的亮點是其旗下的 Mac 電腦將從Intel架構轉向搭載 ARM 架構處理器的處理器架構:
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2005 年 6 月 6 日,蘋果公司在官網宣佈了一個重磅消息:其旗下的 Mac 電腦將從 PowerPC 架構轉向 Intel 的處理器架構。當時,蘋果 CEO Steve Jobs 說:“我們向 PowerPC 過渡已經十年了,我們認爲 Intel 的技術將幫助我們在未來十年創造出最好的個人電腦。”
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2020年,距離蘋果公司使用Intel芯片已經過去15年了,我們可以看到在這15年中蘋果取得了巨大的成功。但是創新是永無止境的,尤其是以蘋果爲代表的以創新爲企業靈魂的公司。2020年6月22日的蘋果WWDC 大會正式公開了蘋果 Mac 將從X86架構的Intel芯片轉向 ARM 架構的蘋果自家的芯片。“在蘋果,硬件和軟件的集成是我們一切工作的基礎,這是我們出衆的根本原因,而芯片則是硬件的核心。”庫克如是說。
蘋果的MAC已經經歷了不止一次的“換心”了,之前Mac 已經有過三次處理器核心架構調整的過程:

第一次,1984 年,從 MOS 8 位 6502 處理器系列,轉向摩托羅拉 68K 架構.

第二次,1994 年,從摩托羅拉的 68K 系列架構,轉向 PowerPC 架構。

第三次,2005 年,從 PowerPC 架構,轉向 Intel 的處理器架構。

而這次最大的不同是蘋果將使用自己家的芯片,就如同iPhone的A系列芯片一樣。
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Mac 轉向 ARM 架構,有一個大前提:

推出 iPhone 這個產品線之後,蘋果在基於 ARM 架構的 A 系列芯片上,有了大量的技術積累,併產生一系列實際產品成果。到目前爲止,最新款 iPhone 內置的 A13 Bionic 芯片堪稱是業界性能最強的 ARM 架構芯片。
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同時在 iPad 平板電腦產品線上,蘋果也對 A 系列處理器上進行了一系列的定製化探索,比如說 A9X、A12Z Bionic 等。

再說說Intel

由於Intel在消費級CPU市場的巨大市場佔有率,Intel對於cpu的升級顯得並不積極,能水則水,作爲擠牙膏的大佬蘋果怎麼會一直忍受Intel在自己的上游,看Intel的臉色過日子呢。(正如華爲自研芯片打破高通禁錮。)
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正如庫克所說的一樣,蘋果的優秀很大程度依賴於它的軟硬件集成,而作爲硬件核心的芯片當然也不能總用“別人家”的產品。
而蘋果的整個生態中iPad,iPhone甚至是apple watch的s芯片,AirPods內置的w,h芯片,Mac上用於機密的T系列芯片都是ARM架構的,放眼望去只有MAC不是自家生產的ARM芯片了,作爲致力於打造完整的蘋果生態的Apple來說MAC使用ARM架構的芯片是遲早的事情。

mac使用自家的ARM架構的芯片意義是明顯的:

第一、如果Mac,iPhone和iPad運行相同的基礎技術,在硬件層面更好的適配,將使Apple更加容易統一其應用程序生態系統並能更頻繁地更新其計算機。而這樣一致的系統體驗,無論是開發者或者消費者,都會很有興趣,這也將成爲Apple的競爭力所在。
第二、這還將給蘋果帶來巨大的成本優勢。據蘋果分析師郭明錤之前透露,如果蘋果用上自家的Arm CPU,可以節省40 - 60%的處理器成本,但仍能獲得預期的性能,以及增加電池壽命。郭明錤進一步指出,降低成本後,可讓蘋果有機會推出低於1000美元價格的MacBook Air。這將幫助蘋果基於其出色生態,用更低價格的產品去撼動市場。從iPhone11到第二代的iPhonese,大家看到了如果蘋果也走性價比的結果就是,真香!試想如果MacBook Air也走起了性價比路線,我相信銷售量一定很驚人。這也將是蘋果的競爭力所在。
第三、對於蘋果的開發者來說可能意義更大,真正的write once run everywhere的時代可能到來了!
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看到這裏大家可能對一些專業名詞有點蒙,不要着急我們接着往下看:

1.ARM架構和X86架構

1)ARM架構

ARM架構,過去稱作 高級精簡指令集機器(英語:Advanced RISC Machine,更早稱作Acorn精簡指令集機器,Acorn RISC Machine),是一個 精簡指令集(RISC) 處理器架構家族,其廣泛地使用在許多嵌入式系統設計。由於節能的特點,其在其他領域上也有很多作爲。ARM處理器非常適用於移動通信領域,符合其主要設計目標爲低成本、高性能、低耗電的特性。另一方面,超級計算機消耗大量電能,ARM同樣被視作更高效的選擇。安謀控股開發此架構(自己並不生產芯片)並授權其他公司使用,以供他們實現ARM的某一個架構,開發自主的系統單片機和系統模塊(system-on-module,SoC)。

內核種類
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2)精簡指令集

精簡指令集計算(英語:reduced instruction set computing,縮寫:RISC)或簡譯爲精簡指令集,是計算機中央處理器的一種設計模式。這種設計思路可以想像成是一家流水線工廠,對指令數目和尋址方式都做了精簡,使其實現更容易,指令並行執行程度更好,編譯器的效率更高。
RISC設計原理
1970年代後期,IBM(以及其它類似企業組織)的研究人員顯示,大多數正交尋址模式基本上已被程序員所忽略。這是編譯器的使用逐漸增多而彙編語言的使用相對減少所導致的。值得注意的是,由於編寫編譯器的難度很大,當時編譯器並不能充分利用CISC處理器所提供的各種特性。儘管如此,廣泛應用編譯器的趨勢已然很明顯,從而使得正交尋址模式變得更加無用。這些複雜操作很少被使用。事實上,相比用更精簡的一系列指令來完成同一個任務,用單一複雜指令甚至會更慢。 這看上去有些自相矛盾,卻源自於微處理器設計者所花的時間和精力:設計者一般沒有時間去調整每一條可能被用到的指令,通常他們只優化那些常用的指令。一個惡名昭著的例子是VAX的INDEX指令,執行它比執行一個循環還慢。幾乎就在同時,微處理器開始比內存運行得更快。即便是在七十年代末,人們也已經認識到這種不一致性至少會在下一個十年繼續增加,到時微處理器將會比內存的速度快上百倍。很明顯,需要有更多寄存器(以及後來的緩存)來支持更高頻率的操作。爲此,必須降低微處理器原本的複雜度,以節省出空間給新增的寄存器和緩存。不過RISC也有它的缺點。當需要一系列指令用來完成非常簡單的程序時,從存儲器讀入的指令總數會變多,因此也需要更多時間。

3)x86架構

x86架構是重要地可變指令長度的CISC(複雜指令集電腦,Complex Instruction Set Computer)。 字組(word, 4位組)長度的存儲器訪問允許不對齊存儲器地址,字組是以低位字節在前的順序存儲在存儲器中。向後兼容性及Intel量產製程經常領先業界一直都是在x86架構的發展背後一股驅動力量(設計的需要決定了這項因素而常常導致批評,尤其是來自對手處理器的擁護者和理論界,他們對於一個被廣泛認爲是落後設計的架構的持續成功感到不解)。
1978年面市的第一個x86架構的“Intel 8086”CPU
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x86架構的歷史
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4)複雜指令集

複雜指令集(英文:Complex Instruction Set Computing;縮寫:CISC)是一種微處理器指令集架構,每個指令可執行若干低端操作,諸如從存儲器讀取、存儲、和計算操作,全部集於單一指令之中。與之相對的是精簡指令集。複雜指令集的特點是指令數目多而複雜,每條指令字長並不相等,電腦必須加以判讀,併爲此付出了性能的代價。
屬於複雜指令集的處理器有CDC 6600、System/360、VAX、PDP-11、Motorola 68000家族、x86等。

5)RISC和CISC的區別

從硬件角度來看CISC處理的是不等長指令集,它必須對不等長指令進行分割,因此在執行單一指令的時候需要進行較多的處理工作。而RISC執行的是等長精簡指令集,CPU在執行指令的時候速度較快且性能穩定。因此在並行處理方面RISC明顯優於CISC,RISC可同時執行多條指令,它可將一條指令分割成若干個進程或線程,交由多個處理器同時執行。由於RISC執行的是精簡指令集,所以它的製造工藝簡單且成本低廉。
從軟件角度來看,CISC運行的則是我們所熟識的DOS、Windows操作系統。而且它擁有大量的應用程序。因爲全世界有65%以上的軟件廠商都理爲基於CISC體系結構的PC及其兼容機服務的,象赫赫有名的Microsoft就是其中的一家。而RISC在此方面卻顯得有些勢單力薄。雖然在RISC上也可運行DOS、Windows,但是需要一個翻譯過程,所以運行速度要慢許多。
從性能上看由於它們之間的設計思路差異太大不好直接比較性能。CISC和RISC——前者更加專注於高性能但同時高功耗的實現,而後者則專注於小尺寸低功耗領域。實際上也有很多事情CISC更加合適,而另外一些事情則是RISC更加合適,比如在執行高密度的運算任務的時候CISC就更具備優勢,而在執行簡單重複勞動的時候RISC就能佔到上風。

參考鏈接:
cisc與risc的區別,這篇講的真的很形象,別掙扎了進來看吧。。
蘋果 15 年大輪迴:Mac 選擇 ARM,正如當年喬布斯選擇 Intel,但變數更多了
Mercury Research:2019年Q4全球x86處理器Intel市場份額高達84.4%
蘋果最具野心的芯片計劃

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