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目前随着深度学习、高性能计算、NLP、AIGC、GLM、AGI 的技术迭代#…前言
如果问大家是否知道 CPU我相信不会得到否定的答案但是如果继续问大家是否了解 ARM 和 X86 架构他们的区别又是什么相信可能部分人就会哑口无言了
目前随着深度学习、高性能计算、NLP、AIGC、GLM、AGI 的技术迭代助力大模型快速发展对于多元算力结合CPUGPU需求越来越高再不了解 CPU 就说不过去了因此本文将会带您深入了解 CPU 架构并且解析 CPU 两大主流架构ARM 和 X86 简介
中央处理器Central Processing UnitCPU 是计算机的运算核心和控制核心。CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据
CPU 由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段提取Fetch、解码Decode、执行Execute和写回Writeback。 CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令放入指令寄存器并对指令译码并执行指令
处理器系列
x86
Intel 系列 Celeron赛扬、Pentium奔腾和Core酷睿从低端到高端
AMD 系列Semporn闪龙Athlon速龙和 羿龙系列 从低端到高端
因为 Intel 为 x86 架构处理器龙头老大因此后文某些地方可能使用 Intel 处理器代指 x86 架构处理器 注上面两家公司主要做 x86 架构但是也会做 ARM 架构比如 2016 年 AMD 公司推出基于ARM架构的处理器 Opteron A1100 ARM
基本就是英国 ARM 公司的处理器系列以及所有 ARM 公司授权的公司诸如高通、苹果三星代做、三星和华为
指令集区别
想要了解 X86 和 ARM需要先了解复杂指令集Complex Instruction Set Computer简称 CISC)和精简指令集Reduced Instruction Set Computer简称 RISC 复杂指令集
在 CISC 微处理器中程序的各条指令是按顺序串行执行的每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单但计算机各部分的利用率不高执行速度慢。CISC架构的服务器主要以IA-32架构(Intel Architecture英特尔架构)为主而且多数为中低档服务器所采用
计算机的指令系统比较丰富有专用指令来完成特定的功能因此处理特殊任务效率较高。机器的存储器操作指令多操作直接。包含有丰富的电路单元因而功能强、面积大、功耗大
适用领域个人电脑和服务器 注x86 架构 主要采用 复杂指令集 精简指令集
RISC 是执行较少类型计算机指令的微处理器起源于 80 年代的 MIPS 主机 (即 RISC 机)RISC 机中采用的微处理器统称 RISC 处理器
RISC 处理器能够以更快的速度执行操作 (每秒执行更多百万条指令即 MIPS)。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件计算机指令集越大就会使微处理器更复杂执行操作也会更慢
因为设计者主要精力放在那些经常使用的指令上尽量使它们具有简单高效的特色不常用功能会通过组合指令来完成因此在RISC 机器上实现特殊功能时效率可能较低但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补
对存储器操作有限制使控制简单化。包含有较少的单元电路因而面积小、功耗低
适用领域移动设备和嵌入式系统 注**ARM 架构 ** 主要采用 精简指令集 总结
就 CPU 功耗来讲RISC 和 CISC 走了两条不同道路。CISC 走的是性能路线先把性能做上去功耗其次。不断地考虑如何散热使用金属片风扇水冷等多种设备降温因为用在 PC 上耗电大不会有明显的问题。RISC走的是低功耗路线面向的是需要用电池的场景功耗低是首要原则性能其次
64位计算
x86
ADM 公司首先开发出 64 位版本的 x86 指令集64 位的指令集名为 x86-64简称 x64
Intel 公司认为将自己 32 位 x86 架构进化出 64 位架构新架构效率会很低因此创建新 64 位处理器项目名为 IA64由此制造出 Itanium 系列处理器
后面 AMD 知道自己造不出能与 IA64 兼容的处理器于是将 x86 扩展加入了 64 位寻址和 64 位寄存器。最终出来的架构就是 AMD64最终 ADM 成为了 64 位版本的 x86 处理器的标准。最后 Intel 将 Itanium 系列处理器彻底废弃并最终采用 AMD64
ARM
ARM 公司在看到移动设备对 64 位计算的需求后于 2011 年发布了 ARMv8 64 位架构基于原有的原则和指令集开发简明的 64 位架构ARMv8 使用了两种执行模式AArch32 和 AArch64
ARM 设计的巧妙之处是处理器运行中可以无缝地在两种模式间切换。这意味着 64 位指令的解码器是全新设计的无需兼顾 32 位指令而处理器依然可以向后兼容
异构计算 ARM 的 big.LITTLE 架构处理解决当今行业面临的难题如何创建既有高性能又有极佳节能效果的片上系统 (SoC) 以延长电池使用寿命
在 big.LITTLE 架构里处理器可以是不同类型的。传统的双核或者四核处理器中包含同样的 2 个核或者 4 个核。一个双核 Atom 处理器中有两个一模一样的核提供一样的性能拥有相同的功耗。ARM 通过 big.LITTLE 向移动设备推出了异构计算。这意味着处理器中的核可以有不同的性能和功耗。当设备正常运行时使用低功耗核而当你运行复杂的游戏时使用的是高性能的核
big.Little 系统中两个处理器之间高效无缝地切换工作负载是通过开发高级 ARM 系统 IP 实现的这样可确保 Cortex-A15 和 Cortex-A7 处理器之间完全的高速缓存、I/O 的一致性
如果您想要详细了解 big.LITTLE 的底层原理和机制可以查看下方 ARM 官网解释 官方解释 big.LITTLE – Arm®Wayback Machine (archive.org) 功耗对比
以前人们的刻板印象低功耗和高算力处理器就是泾渭分明x86 架构就是做高算力ARM 架构就是做低功耗
但是自从苹果发布 M1 芯片目前的 M2 芯片远超同等 x86 处理器性能并且随着其他 ARM 处理器的快速发展人们才恍然惊觉原来靠低功耗起家的 ARM 也能做高算力可以真正做到更高性能和更低功耗
根据 2022 年 Ampere 公司给出的数据其 CPU 的性能超越传统 x86 处理器 3 倍性能功耗比领先近 4 倍与 x86 服务器 CPU 相比Ampere Altra 系列可用 50% 的能耗提供 200% 的性能 参考链接
分不清ARM和X86架构别跟我说你懂CPU - 知乎 (zhihu.com)ARM 与 x86有何区别 (redhat.com)CPU的基本概念 - 知乎 (zhihu.com)CPU的介绍与选择看完你懂了吗 - 知乎 (zhihu.com)什么是 CPU– 中央处理器详解 – AWS (amazon.com)CISC和RISC的特点和区别 - 不是公子的小白 - 博客园 (cnblogs.com)CPU_X86架构和ARM架构入门篇-腾讯云开发者社区-腾讯云 (tencent.com) 本文由博客一文多发平台 OpenWrite 发布
