给IT工程师的建议：什么是CPU架构？

大家好，
我是Nomusin，自称是公司里最大的硬件极客。

各位IT工程师，你们有没有想过CPU架构？
虽然开发Web系统并不一定需要了解架构知识，但所有程序都运行在计算机架构之上。
因此，掌握一些架构知识总是有益无害的。

如果详细展开，篇幅会太长，所以本文仅作简要介绍。如果您感兴趣，请深入研究了解更多信息。

CPU到底是什么？

“哦，我知道。那个有蜈蚣的
。 ”，你年纪不小了！现在的CPU里已经没有蜈蚣了。

我相信没有哪个IT工程师不知道CPU是什么，但以防万一，我还是解释一下：
CPU是中央处理器（Central Processing Unit）的缩写。它有时也被称为处理器。它是
计算机的中央处理单元，通常被比作计算机的大脑。可以
说，从个人电脑、智能手机到各种家用电器和计算器，所有电子设备都配备了CPU（尽管尺寸可能有所不同）。

顺便一提，无论是个人电脑还是智能手机，主流都采用所谓的SoC（系统级芯片），它将纯粹的CPU、GPU（图形处理芯片）、AI专用芯片、通信调制解调器、各种芯片组功能以及其他元件集成到单个芯片中。不过，本文暂且不谈这些细节，仅关注此类设备的CPU部分，并将其简称为“CPU”。

什么是CPU架构？

现在进入正题：架构。
“架构”一词含义广泛，因此在本文中，我们将使用
ISA 架构的字面意思是“构造”，但也指“设计”，而 ISA 指的是后者。CPU
配备了用于各种进程的非常基础的指令（逻辑/算术运算符、数据复制等），而用于实际处理这些指令的寄存器（CPU 内部临时存储数据的区域）的规范则由前面提到的 ISA 决定。
换句话说，具有相同 ISA 的 CPU 基本上可以运行相同的程序，无论这些程序是由哪家公司开发的。

建筑类型

架构有很多不同的类型，但这次我们将介绍以下两种我们比较熟悉的架构。

• x86（英特尔）
• ARM（ARM）……手臂

至于 ARM，开发它的公司也叫 ARM，而且它有时会在新闻中出现，所以即使不看 IT 网站的人也可能听说过它。

什么是x86？

• 英特尔架构
• 这是一台搭载“英特尔处理器”的电脑。CPU“品牌”包括至强、酷睿、奔腾、赛扬等等。
• 广泛应用于个人电脑、服务器、超级计算机等。
• 高性能但高功耗
• AMD 与英特尔签订了许可协议，也开发采用相同架构的 CPU（Ryzen、Athlon、Optelon 等）。

ARM是什么？

• ARM架构
• 几乎所有智能手机都是这样的。
• ARM架构CPU被广泛应用于我们日常生活中接触到的各种设备中，包括路由器等通信设备、空调、冰箱、电视等家用电器以及物联网设备。
• 涵盖从低功耗、低成本到高性能的各种CPU
• ARM本身并不生产CPU。
• 2016年被软银收购，2020年被出售

注1：架构性能？
如上所述，x86架构“性能高但功耗大”，而ARM架构“能效高”。然而，近年来英特尔专注于能效，而ARM则专注于对性能要求较高的领域，例如PC和服务器。因此，两家公司的性能特点变得模糊不清。
英特尔曾于2012年进入智能手机CPU市场，但于2016年退出。因此，目前Android操作系统有两个版本：“ARM版”和“x86版”。
另一方面，ARM目前正在进军Windows CPU市场（尽管更准确地说，是微软为ARM开发了Windows）。虽然搭载ARM CPU的Windows PC目前尚未普及，但未来可能会更加常见。
此外，被多家媒体誉为世界最快超级计算机的“富岳”超级计算机所使用的“A64FX”CPU，由富士通开发的ARM架构CPU 。
2020年，苹果宣布将Mac电脑的CPU从英特尔平台更换
英特尔会作何反应？

*注2：ARM的商业模式：
英特尔基于其x86架构自主设计和制造CPU（它拥有自己的CPU制造工厂）。
相比之下，ARM的商业模式是授权（出售）ARM架构CPU的“蓝图”。ARM在授权业务方面拥有庞大的客户群，购买这些蓝图的制造商会自行定制设计（或直接使用不加定制的设计）来生产CPU。
制造商分别英特尔（美国）、三星（韩国）和台积电（台湾） 。
在日本销售的智能手机CPU几乎100%都由台积电或三星制造。

*注3：x86？x64？
除了x86之外，“x64”这个术语
是32位架构，而x64是x86的64位扩展架构，有时也写作“x86-64”。
简单来说，x64可以一次性处理更大的数据量，从而实现更高效、更快速的数据处理。有些人
似乎在比较x86和x64时会感到困惑，因为x64虽然数字较小，但却是更高级别的架构。不过，请注意，x64是“x86-64”的缩写。
顺便一提，您可能会在Windows 10启动盘上看到两个文件夹： “Program Files (x86)”和“Program Files”。前者包含x86（32位）兼容的应用程序，后者包含x64（64位）兼容的应用程序。
然而，现代 x86 CPU 同时支持这两种架构，而且目前市面上唯一可供购买的 Windows 10 新版本是 64 位版本（也能运行 32 位应用程序），因此用户无需担心。ARM
架构也同时支持 32 位和 64 位，但在对性能要求较高的领域，例如智能手机，64 位架构已经像 x86 架构一样成为主流。

架构采用趋势（游戏主机）

既然我们已经了解了PC和智能手机，那么这些架构还有哪些其他用途呢？
让我们来看看更熟悉的领域：游戏主机。虽然
每一代游戏主机使用的架构都不同，但索尼的PS4和PS5始终使用
同样，同代的微软Xbox也使用了AMD x86 CPU，就像Xbox One和Xbox Series X/S。
这些主机拥有相似的硬件配置，几乎就像兄弟一样，而且与PC非常相似。
与此同时，任天堂在Switch上采用了ARM架构。这款CPU来自NVIDIA，一家在人工智能和GPU（图形处理）领域发展迅猛的公司。Switch
的设计注重电池续航，这与前两家公司以性能为先的游戏主机不同，很可能是为了平衡性能和能效。这种设计更接近智能手机而非PC。
我预计下一代 Switch 也将遵循类似的路线，但看到任天堂发布如此难以预测的游戏机，还是令人兴奋不已。

架构采用趋势（云服务器）

目前，英特尔的x86 CPU在AWS、GCP、Azure等云服务中占据主导地位。
自2018年以来，同样采用x86架构的AMD EPYC处理器（Ryzen服务器CPU）性能备受赞誉，并先后被AWS和GCP采用。作为一家发展势头强劲的厂商，其采用率很可能继续增长。
此外，AWS也有一些实例采用了亚马逊自研的ARM架构CPU “Graviton ”，甚至有传言称微软可能也会开发自己的ARM CPU并将其应用于Azure。
看来，即使在英特尔曾经独占鳌头的云服务器市场，一场激烈的竞争也即将到来。

那么，从用户角度来看，使用非英特尔 CPU 的服务器有哪些好处呢？
AWS 对每个 CPU 实例的特性解释如下：

• AMD x86 CPU（型号以“a”结尾）：性能与英特尔相同，价格便宜10%。
• 我们自主研发的 ARM Graviton CPU（实例名称以“g”结尾）：比同代英特尔实例的性价比提升高达 40%。

后者可能有点抽象，难以理解，但关键在于，两者
都比（传统的）英特尔 CPU 实例具有更高的性价比！然而，使用 PHP 和其他技术构建的 Web 系统通常可以在任何实例上正常运行，因为中间件和操作系统能够适应架构差异。但是，有些软件由于 CPU 架构的差异而无法运行，因此必须考虑到这一点。
不过，这两个实例各有优势，如果它们符合您的需求，那么它们或许值得您认真考虑。

 

最后

我创办了一个名为“SEKARAKU Lab”的系统开发服务网站，我本人也在该公司工作。Beyond
可以处理从服务器设计、构建到运维的所有事宜，因此如果您在服务器端开发方面遇到任何问题，请随时与我们联系。SEKARAKU
Lab： https://sekarakulab.beyondjapan.com/

感谢您读到最后。
软件和硬件密不可分，但我感觉很多程序员对硬件并不特别感兴趣。也许是时代使然吧……硬件
领域或许很有趣，值得深入探索，所以如果您感兴趣，我鼓励您做些研究。