Arm 架构革新：软件与硬件双突破，x86 何去何从

过去几十年来，英特尔的 x86 架构在计算领域占据着统治地位，为从基础笔记本电脑到强大数据中心设备等各类设备提供动力。然而，一场悄然的革命正在进行，主角便是 Arm 架构。Arm 架构在智能手机时代崭露头角，如今正逐渐在主流计算领域占据重要地位，这在以前是难以想象的。

Arm 崛起的行业支持

Arm 崛起的显著指标之一是芯片制造商和芯片创造者群体的不断壮大。在 x86 领域，主要生产商仅有英特尔和 AMD 两家。而 Arm 生态系统拥有众多芯片设计公司，苹果、高通、亚马逊等科技巨头都在打造基于 Arm 的高性能处理器。苹果用 M 系列芯片取代 Mac 中的英特尔 CPU，高通为 Windows 开发 “X” 系列芯片，亚马逊为云计算打造 “Graviton” 芯片。

事实上，除了英特尔和 AMD 之外，几乎所有大型芯片制造商都在生产基于 Arm 的芯片。就连英伟达（Nvidia）也早已在打造基于 Arm 的 Tegra 芯片。尽管英伟达最近收购了英特尔约 5% 的股份，并向该公司投资 50 亿美元，承诺将推出搭载 RTX 芯片组的 x86 SoC，但英伟达也早已在打造基于 Arm 的 Tegra 芯片。别忘了，英伟达几年前甚至还试图收购 Arm，并且一直在其面向服务器的“Grace”芯片中使用基于 Arm 的 CPU。

甚至游戏机也反映出这种差异，这多少有些说明问题。虽然任天堂的 Switch 和 Switch 2 都得益于英伟达的支持而基于 Arm 架构，但任天堂自 Game Boy Advance 以来就一直在其掌机上使用 Arm 芯片。DS、DS Lite 和 3DS 均采用 Arm 架构，其中一些由其他公司制造，一些则直接从 Arm 获得授权。与此同时，PlayStation 和 Xbox 仍然运行在定制的 x86 CPU 上，但不久前，游戏机甚至苹果的老款 Mac 都改用 PowerPC 架构。

x86 的问题在于它本质上是一个封闭的俱乐部。相比之下，Arm 的授权模式允许大量公司进入并基于 Arm 的 ISA 设计自己的芯片。苹果的举动尤其令人震惊，但对于 x86 来说，这就像煤矿里的金丝雀。需要注意的是：苹果是 Arm 的联合创始人，在 Arm IP 的授权协议谈判中可能拥有相当大的权力，而且它不再需要向英特尔支付 CPU 费用，但这还远不止于此。

当苹果在 2005 年 WWDC 上首次宣布计划从 PowerPC 迁移到 x86 时，PowerPC 的处境有点奇怪。除了苹果之外，它的使用几乎仅限于 2000 年代初期到中期的游戏机，以及有趣的是，好奇号和毅力号火星探测器。然而，苹果的转变是整个行业趋势的结果，因为当时所有其他个人计算平台都基于 x86。

这一次有所不同：苹果没有落后于时代，而是决定先发制人。转向 Arm 带来了显著的优势，例如能效、散热和性能。目前，苹果的每条主要产品线都至少有一款基于 Arm 的芯片可供选择。随后，高通以 14 亿美元收购了由前苹果芯片设计师创立的初创公司 Nuvia，这表明一些顶尖人才和芯片设计师现在都进入了 Arm 领域。而不是 x86。最后，由于 x86 的授权状态，想要自研芯片的公司甚至不可能使用它。相反，所有努力都集中在 Arm（或在某些情况下是 RISC-V）上，这意味着计算和芯片开发的前沿正在 Arm 上进行。

软件适配问题的解决

开发人员编译软件时，必须定义一个“目标”。这个目标指的是代码预期运行的平台，因为你编写的代码仅仅是代码执行架构所理解的汇编语言的抽象。Arm 的 CPU 指令并不适用于 x86，反之亦然。当 Windows on Arm 随着 Windows 10 首次流行起来时，许多最流行的应用程序根本无法原生运行，而且“翻译”过程（解释为 x86 构建的指令并动态转换为 Arm 指令）速度很慢，并且仅支持 32 位应用程序。

微软早期的尝试 Windows RT 甚至更糟糕。它与 Windows 8 一同发布，旨在面向基于 Arm 的设备，并与 Microsoft Surface RT 一同发布。然而，它只能运行来自 Microsoft Store 的应用程序，并且完全没有翻译功能。应用程序通常不是为 Arm 构建的，那么它的意义何在？

苹果的做法明显更好，虽然这其中肯定有行业时机的因素，因为微软之前的尝试实在太早，但苹果的做法也与众不同。苹果的Rosetta 2翻译器在第一天就面向基于M1的Mac推出，并由硬件加速支持，可将x86指令翻译成Arm指令，从而带来完全无缝的体验。应用程序很快就能为Arm构建，即使是那些并非Arm的应用程序也常常运行顺畅。

微软对 Windows on Arm 的重新关注取得了显著进展，显著改进了翻译功能，并增加了 64 位支持。诸如完整的 Microsoft Office 套件、Adobe Photoshop 和 Lightroom、Chrome 和 Firefox 等众多关键应用程序现在都已推出 Arm 原生版本。甚至一些游戏平台也在尝试，Windows on Arm 改进的仿真功能可以填补许多领域的空白。当然也存在一些极端情况，例如某些驱动程序和非常老旧的软件，但这些问题通常可以通过某种方式规避或解决。

Arm 落地的最大障碍之一，一直是“先有鸡还是先有蛋”的问题。开发者需要一个理由，在没有用户的情况下为 Arm 构建和维护应用程序，而用户之所以没有，很大程度上是因为软件的匮乏。即使是游戏，主要的障碍也可能是用户心仪的热门游戏缺乏反作弊支持。然而，缺乏反作弊支持并非像 Linux 那样是固有限制；相反，这与截然不同的硬件有关，因为许多反作弊解决方案会更靠近硬件工作，以便扫描内存并监控进程。

Arm 落地的现状与未来

如今，几乎所有主流厂商都在尝试或全力投入 Arm 架构。似乎每个主流厂商都至少尝试过 Arm，而有些则全力投入其中。苹果大举转向 Arm 令人震惊，证明了该架构作为 PC 级架构的可行性。与此同时，微软回归 Arm 上的 Windows，并对其进行了完善，提高了兼容性，甚至推出了首款搭载高通基于 Arm 的骁龙 X Elite 处理器的“Copilot+”电脑。

说到高通，他们对基于 Arm 的 Windows 押注颇丰。高通和 Arm 的首席执行官去年都预测，五年内高达 50% 的计算机出货量将基于 Arm 架构。这无疑是一个雄心勃勃的计划，但也展现了他们的信心。此外，据报道，微软与高通曾签署过一份关于基于 Arm 的 Windows 的独家协议，该协议将于 2024 年到期。

Nvidia 最近与英特尔的合作，虽然给这方面的工作带来了一些阻碍，但也证明了即使在 x86 领域，集成高效的 SoC 也是不可避免的。Nvidia 仍然可以设计自己的 Arm 芯片，尽管传闻中针对 Windows on Arm 的 N1X 芯片的未来可能悬而未决，但 Nvidia 一直在使用其 Arm CPU 搭配 GPU 技术构建专注于 AI 的服务器级机器，而且这种模式不太可能在一夜之间消失。

然而，还有一家公司在 Arm 领域默默活跃，这可能会让人感到意外，那就是 AMD。尽管目前是一家主流的 x86 芯片生产商，AMD 也时不时地与 Arm 进行合作。其基于 Arm Cortex-A57 内核的 Opteron A 处理器于 2016 年发布，AMD 也早在 2014 年就宣布了 K12 项目，但最终在 2023 年正式取消了该项目。Jim Keller 曾是 AMD Zen 架构的首席开发人员，他经常被誉为 AMD 芯片组业务复兴的关键人物，他称 K12 项目“愚蠢地被取消了”。“此外，他表示模块化 Zen 架构和 K12 Arm 芯片组之间的主要区别在于解码器，因为芯片的大多数其他元素都是相同的。

不过，最近的报道表明，Arm 可能已重回 AMD 的阵营。虽然距离 Keller 的 Zen 架构工作已过去好几代，但他关于从 x86 到 Arm 的转换会非常简单的断言，在今天可能仍然成立——即使 Zen 5 是一次重大的架构重制。此外，联发科一直公开与英伟达合作开发 GB10 Grace Blackwell 项目，据报道，他们私下也在合作开发之前提到的 N1X。如果 Arm 代表着未来（许多公司似乎都这么认为），AMD 肯定不想在 Windows 和 Arm 的竞争中被淘汰.

长期以来，计算领域一直在发生重大变革，而且随着时间的推移，变革的步伐只会越来越快。这场变革也已酝酿了二十多年。Arm 从游戏掌机到智能手机，再到后来的笔记本电脑和数据中心，其应用已使其成为一个平台，几乎所有不使用 x86 的产品都转而使用 Arm。亚马逊的 Graviton、特斯拉的信息娱乐和自动驾驶汽车，甚至 LG 的冰箱都在使用 Arm。

需要明确的是，我认为 x86 不会很快消失，也永远不会真正消失。即使在今天，你仍然会发现 IBM 几十年前的大型机架构在一些公司的服务器机房深处。而且，x86 已经如此庞大且长期存在，因此不太可能就此消失。Arm 在各个领域都取得了进展，消费级桌面处理器的趋势也往往不会落后于其他行业。我们已经看到了英特尔和 AMD 对 Arm 的回应，他们试图最大限度地提高功耗效率，虽然公平地说，这种方法确实有效，但仍然无法与基于 Arm 的 Apple Silicon 令人瞠目的电池续航和散热性能相媲美。

目前，竞争正迫使英特尔和AMD加大投入。无论如何，这对消费者来说总是好事，未来我们甚至可能会看到更多定制设计的内核。此外，我们甚至还没有讨论过RISC-V，这种开源指令集架构仍然可能构成威胁，但目前面临着碎片化和缺乏采用的问题。十年后，我们可能会谈论RISC-V、Arm和x86之间的三方架构之争。x86在大规模数字运算方面仍然占有一席之地，但Arm已经在几乎所有可以想象到的计算领域，作为一种可行、强大且高效的替代方案，铺平了道路。正如科技界的历史经验所表明的那样，一旦势头转变，几乎不可能逆转。而目前的势头无疑对 Arm 有利。