ARM与英特尔处理器竞争全面解析
在处理器芯片制造领域，无人不知英特尔，这位半导体行业的巨人垄断了PC处理器大半壁江山，它与微软的Wintel联盟甚至主导着人们对PC的消费习惯。不过随着2007年iPhone的横空出世，另一家称为ARM的芯片设计公司开始出现在人们面前。ARM从没生产过一颗芯片，它更像一个隐形芯片帝国——2010年全球有61亿颗芯片采用ARM架构（ARM inside）。从手机到洗衣机，汽车到电视，只要使用到处理器，平均每四颗处理器，就有一颗拥有ARM血统。这两家原本一个专注PC处理器，一个专注移动嵌入市场，并无重叠，但随着英特尔发布Moorestown平台进军智能手机和平板领域，两者终产生了交集，而ARM向服务器领域的延伸终迎来了与英特尔的直接交锋。
云淡风轻的消费级芯片对决
2010年5月，英特尔发布了面向智能手机的Moorestown平台，即Atom Z6xx系列，英特尔Moorestown平台包括两大组件，代号“Lincroft”的Atom Z6xx系列SoC片上系统处理器，以及代号“Langwell”的Intel PCH MP20芯片组。另外，Intel还提供一款代号“Br ier town”的混合信号芯片（Mixed Signal IC，MSIC）。整个平台主要面向顶级智能手机、平板及其他移动手持设备，支持Android、Moblin 2.1、MeeGo等操作系统。
芯片使用45nm工艺制造，内部包含1.4亿个晶体管，比上代Atom Z5xx系列的4700万个晶体管有了数倍的提升。具备超低功耗版Atom处理器核心（24KB数据缓存，32KB指令缓存，512KB二级缓存），GMA 600图形核心（支持3D加速，支持高清视频硬件编码/解码加速），LPDDR1/DDR2内存控制器以及显示控制器。所有功能被集成在一颗13.8mm×13.8mm×1.1mm的FCMBA3封装芯片中。英特尔的数据显示，Moorestown平台可提供相当出色的节能表现。如待机功耗只有21mW~23mW，用约5.5Wh（1500mAh）电池待机时间可超过10天；音频播放功耗120mW，可连续播放48小时；高清视频播放和网页浏览功耗1.1W，可连续使用4~5小时等。不过到目前为止，尚没有采用Moorestown平台的智能手机，对英特尔与ARM而言，在智能手机领域，两者依然保持之前的“友好”形态。
不过在消费级平板和超便携笔记本电脑领域，两者的竞争正转向公开化。2011年4月，英特尔面向平板领域发布了代号Oak Trail的Moorestown平台变种，并推出了型号为Z670的首款量产芯片，Atom Z670采用45nm制程，TDP仅3W，并且搭配同属45nm制程的SM35芯片组，提供HDMI 1.3a输出能力与4个USB 2.0。Oak Trail可支持包括Android、Chrome OS、MeeGo以及Windows等操作系统，目前富士通、戴尔、惠普和优派等都有推出了Z670方案的商务平板，基于Windows 7操作系统，配备磁性手写笔，续航能力可达到4小时以上。英特尔还与谷歌合作，有消息称，基于x86的Android 4.0已经在完善中，一旦操作系统达成，在英特尔的号召下，Oak Trail可能获得平板制造商的垂青。
2011年11月，NVIDIA发布Tegra 3称，四核心Tegra 3首次达到了PC级的计算性能。
在这之前，ARM已经在计划蚕食英特尔笔记本电脑的份额，除了基于ARM芯片的平板（苹果iPad以及NVIDIA Tegra平板）不断侵吞传统笔记本电脑的市场份额外，ARM合作伙伴高通还在2009年推出了意在取代上网本的智能本（Smartbook）战略，这一战略虽然未获得市场的追捧，但并没有终结，尤其是随着以NVIDIA为首的多核A RM芯片的推出。有消息称，微软已要求高通、德州仪器与NVIDIA开始规划各自笔记本电脑战略的合作伙伴，包括三星、戴尔、惠普、联想、宏碁等在内的笔记本电脑巨头已经与这些上游芯片供应商达成协议，而微软将在2012年发布的Window 8被认为是这一竞争爆发的催化剂。在当前形势下，两者都在各自主导领域占据统治地位，表面上的竞争表现依然云淡风轻。
“Wintel”垄断地位的转变
2011年9月，微软在Build Conference大会上发布Windows 8开发预览版，正式加入对ARM架构处理器的支持。英伟达、高通、德州仪器等ARM架构芯片商也纷纷示好Windows 8，希望通过Windows 8进入PC市场，从而冲破英特尔封锁线；作为回应，在1个月后的IDF2011大会上，英特尔CEO欧德宁高调宣布，英特尔与谷歌结盟，谷歌将在新版Android中加入对英特尔x86架构芯片的支持和优化。在此之前，95%以上基于谷歌Android系统的智能手机都采用了ARM架构的芯片。
从PC领域的Wintel联盟到智能手机ARM与Android的组合，从微软与ARM结合到英特尔与谷歌联盟，在智能移动终端市场，ARM与英特尔已开始为将来的竞争积累资源。起因是采用ARM公司MPU（超小型运算处理装置）的iPhone和And roid终端开始进入微软曾经“独霸天下”的个人电脑市场。微软判断，要想通过2012年上市的Wi ndows 8进行反击，就必须与ARM合作。美国调查公司IDC预测，采用ARM公司MPU的个人电脑全球份额在2015年之前可能将扩大至13％。不过终数据依然要看Windows 8对ARM的支持情况。
目前，ARM已经在几个方面超过了英特尔。例如，ARM面向智能手机、平板终端、家电、游戏机以及汽车等多种用途设计的半导体芯片每年约供货61亿颗。而根据Gartner的统计，英特尔的供货量为3亿2000万颗左右，其中大部分面向个人电脑和服务器。营业利润率方面，英特尔为32.1％（2011年4~6月期），而ARM为44.5％（2011年4~6月期）。
ARM的收入来源是向各厂商收取授权费和根据半导体供货数量收取专利使用费，通过将周边的半导体厂商都裹卷进来，产生了巨大的向心力。换一种方式来理解ARM的业务，那就是有多达250家半导体企业将MPU设计外包给了ARM。与各公司分别开发相比，委托给ARM统一开发会更加节约成本。
而x86阵营的商业模式则截然不同。英特尔x86技术架构对外是近乎封闭的，与另一家拥有小部分x86专利的厂商AMD之间也时有争讼。在这片领地里，实行的是一家企业负责从架构、设计、测试到生产的一体化全产业链模式。这种商业模式下的英特尔，控制着行业的技术方向和价格趋势，成长为全球大的半导体公司，也得以长期保持40%以上的毛利率。
ARM与英特尔移动产品线路图解析
根据ARM公司披露的公司未来处理器路线图，共包括三款新ARM处理器“知识产权核心”，代号分别为Eagle、Heron和Merlin。其中，Eagle属于高性能的Cortex-A系列，将是目前高端智能手机和智能本中常见的Cortex-A8/A9的后继产品，主要面向智能手机、移动计算、数字电视和通讯产品市场。Heron为面向嵌入式市场的Cor tex-R系列，针对汽车发动机性能管理、基带芯片、硬盘控制器芯片等。而Merlin则是小尺寸低功耗Cortex M家族的一员，针对工业控制、嵌入式音频处理器等产品。
ARM商业模式示意图
入门级手机市场，ARM将提供Cor tex-A5处理器。它提供了与ARM11类似的性能，但功耗效率方面得到极大的提高。现在很多手机厂商正基于高通的MSM7225A/27A芯片做设计，它所采用的就是A5内核。
高端智能手机对性能的需求是无止境的，其处理器平台目前正从A8转向双核A9。号称“安卓第一机”的三星Galaxy S II就内置了双核A9处理器和Mali 400 GPU，性能相当出色。2012年初，首款ARM四核A15处理器也将问世，与之配套的Mali T600可支持OpenCL并行计算、Microsoft DirectX以及OpenGL图形标准。
其实，A15就是为了满足移动产品日益提高的性能需求而设计的，它将对移动产品的进步带来积极的推动作用。未来的大趋势就是手机平台在基带部分支持LTE，处理器+GPU部分实现PC桌面级用户体验。
2011年11月，ARM公司发布了全新的Mal i系列图形处理单元（GPU）Mal i-T658，有望应用于高端智能手机、平板电脑、智能电视及汽车娱乐系统中。Mali-T658的出现，对于支持ARM在高性能智能手机，乃至服务器领域和英特尔进行强有力的竞争起到关键的作用。
英特尔线路图主要基于“Tick-Tock”计划，Tick指生产工艺的提升，从65nm、45nm、32nm、22nm、16nm到11nm。英特尔继续延续着摩尔提出的“集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍”的定律。Tock指CPU内核的进步，在工艺提高的帮助下，之前只能出现在经典论文中的内核技术也得以实现，这是英特尔的绝对优势。Tick-Tock计划规划了Intel x86处理器直到2016年的Roadmap。
ARM 2009~2016年处理器线路图（Roadmap）
英特尔的Tick-Tock计划已经执行到Sandy Br idge处理器，IvyBridge 22nm架构处理器也很快将如期而至。英特尔将以庞大的人力，充实的物力继续着这个计划。
三栅极3D晶体管能否左右ARM英特尔战局？
公司之间的纷争有其独特的魅力。英特尔vsAMD就是热议多年的话题，然后又变成微软vs谷歌。现在有趣的一对是英特尔vsARM。英特尔发布三栅极3D晶体管之后，关于该技术能否左右二者之间的战局业界已有很多评论文章。
目前看来，ARM肯定会采用平面22nm工艺，而英特尔则会采用Tri-Gate三栅极3D晶体管。要评判三栅极晶体管能否为英特尔提供显著优势，必须弄清楚：(1)英特尔称22nm三栅极晶体管功耗比自己的32nm平面晶体管低50%，但22nm三栅极晶体管与22nm平面晶体管的功耗差异有多大？(2)采用22nm三栅极晶体管之后，芯片能比采用22nm平面晶体管节省多少功耗？
英特尔的Tick-Tock计划
英特尔在自己的新闻发布会上展示了一些具体的晶体管伏安特性（I-V）曲线。根据这些数据可以得出22nm三栅极晶体管的电源电压比32nm平面晶体管能低50%，但只比22nm平面晶体管低19%。一项采用InsSim开源IC模拟器模拟的结果显示（研究选择了一个1GHz移动逻辑内核，该内核基于22nm平面晶体管或22nm 三栅极晶体管）：（1）三栅极可以节省140mW的电源需求，它同时还降低了时钟与线路耗电约28%；（2）三栅极晶体管也降低了驱动电阻。这意味着线性电容更易驱动，同样性能要求下的栅也可以做得更小，使得逻辑门总共节省了28%的功耗；（3）由于晶体管质量更好，中继器功耗也降低了32%。总的来说，在22nm微处理器内核上采用三栅极晶体管能比平面晶体管降低约28%的功耗，这是非常显著的优秀表现。
这是一项了不起的技术成就，但会对英特尔、ARM之战产生决定性影响么？目前依然是未知数。英特尔与ARM的较量仍有一些变数：首先，ARM已经在移动领域尽占先机，想取代已经在市场上扎根的技术或产品非常困难；其二，ARM芯片一般都在远东的低成本晶圆厂生产，而且芯片供应商远比x86更多，客户喜欢竞争，因为这样可以压低价格；第三，英特尔x86采用CISC架构，ARM采用RISC架构。RISC架构过去在移动领域每瓦能比CISC带来更好的性能，x86能追上么？
采用InsSim模拟的22nm三栅极晶体管与平面晶体管功耗对比图
当然英特尔也有自己独特的优势，如英特尔的处理器工艺比ARM领先一代，这是非常重要的优势，到目前为止，英特尔的每一代工艺都获得了几乎完美的实现，虽然在工艺制程上，台积电和联电也属半导体行业翘楚，但在制程上至少落后英特尔一代，并且良品率远不及英特尔，从提升内核技术和工艺上讲，ARM可能永远无法赶超英特尔。此外，英特尔的资源远比ARM阵营的厂商更多——这对它很有帮助，特别是在这个设计成本上亿美元、晶圆厂投资过五十亿美元、工艺研发需十亿美元的时代。另外，还有谁将会更早的将其他突破性技术“投入生产”？比如3D DRAM逻辑电路堆叠芯片或者单片（monolithic）3D。而微软Windows 8移植到ARM上的速度和效果如何也将对竞争局面产生影响，尤其对笔记本电脑和上网本来说意义重大，但可能不会对智能手机市场带来太大冲击。
三栅极晶体管是一次了不起的工程成就，但它能在英特尔与ARM纷争中扮演什么重要角色，依然要看终的成品数据。
服务器端的战争
2011年11月，ARM发布了面向服务器领域的64位处理器指令集ARMv8，ARMv8完全向下兼容现有的32位ARMv7软件，而且运行于ARMv8上的64位操作系统也可以简单、高效地支持现有的32位软件。几乎在ARM宣布ARMv8 64位架构指令集的同时，Applied Micro Circuits 公司(简称AppliedMicro)宣布了全球首款64位ARM架构兼容处理器“X-Gene”，面向下一代云计算、无线基础架构、企业级网络、存储和安全等应用。
X-Gene拥有多个高性能ARMv8架构核心，主频高可达3.0GHz，号称拥有突出的单线程性能，支持完整的处理器和输入输出虚拟化，而且整合了服务器级别的动态电源管理技术，热设计功耗可根据需要进行配置，待机功耗也不超过0.3W。目前他们正在与多家服务器和嵌入式Linux厂商合作，提供全面的开源编译器、工具链、调试器。处理器将会采用台积电40nm或者28nm工艺制造，预计2012年下半年完成首颗样品。届时将向客户提供完整的FPGA平台生态系统支持，作为评估之用，同时还会提供完整的云计算应用套装。
事实上，即便在当前32位ARM架构下，也有很多芯片商在尝试推出ARM架构的处理器，比如美国厂商Calxeda专门面向服务器应用的处理器“EnrgyCore ECX-1000”。这款高度集成的SoC片上系统设计，拥有多四个ARM Cortex-A9处理器核心，主频1.1G~1.4GHz，每核心32KB一级指令缓存、32KB一级数据缓存，所有核心共享4MB ECC二级缓存，整合浮点单元并支持NENO、TrustZone技术，而且每个核心都有独立的供电域以降低整体功耗，低只有1.5W。官方资料显示，这套采用半高式扩展卡方式的“服务器卡片”在加上ECC内存和大容量固态硬盘后，整体功耗低可以做到5W，典型状态下也不过25W，无需主动散热，只要单路12V电源输入即可满足。相比一套典型的传统x86集群（91KW功耗，整体成本330万美元），ARM架构平台仅需要9.9KW功耗，成本不过120万美元（1600台服务器、1/2个机架、2个网关、41条线缆）。有消息称，Calxeda可能在2012年年中投入商用，同时惠普已经宣布将在其第一代超低功耗服务器开发平台中采纳Calxeda的技术。
业界首款ARMv8 X-Gene片上系统（SoC）
虽然早的64位ARM处理器在2012年就将出现，但并非完整的生态系统，根据ARM的线路图，2012年将会着重开发完善ARMv8生态系统，2013年及以后才会陆续放出原型系统。因此超前发售的处理器应该只是开发或者测试版。另外，64位ARM处理器还存在软件移植成本，根据市场研究机构IDC 2011年第三季度的调查数据，在服务器端，x86架构处理器占据着95.1%的市场份额。从英特尔x86架构系统转换到ARM建构将面临重写全套软件的问题，用户将会面临与现有x86架构系统相比的投资回报率抉择。除了移植成本，ARM服务器知识产权核的授权模式也将面临严峻考验。在这种模式下，芯片商往往只是购买ARM的授权核，然后加上自己的硬件模块，这意味着每款处理器可能都具备不同的硬件组成，需要针对不同处理器开发服务器端软件，在Android手机上，不同方案带来的应用兼容性倘若在ARM服务器上重现，对于追求稳定和平台化的服务器领域将可能是无法接受的。
从当前的局面看，ARM处理器强调的是节能，英特尔则是高性能，对服务器虚拟化整合的趋势促进了英特尔至强服务器的销售，并已经开始蚕食来自IBM、惠普、Oracle、富士通的Unix服务器市场。目前，英特尔至强系列处理器已经升级至四核心及六核心Sandy Bridge EP/EN，其中至强E3-1200系列热设计功耗标准版为80W和95W，E3-1260L/1220L两款低压版本只有45W和20W。按照英特尔的Tick-Tock线路图，2013年，英特尔将启用16nm制造工艺，2014年新的核心架构也将出现，而64位ARM处理器正式推出可能要到2014年以后，届时，在功耗上，英特尔很可能并不输于ARM，加上英特尔在服务器处理器领域的强势地位，ARM可能并不能占多大便宜。不过，在面向诸如云存储、Web服务等计算性能要求不是很高的特定领域，ARM服务器依然有竞争潜力。
此外，还有消息称，英特尔正在准备拥有八个核心的全新Atom，以应付ARM在服务器领域的挑战。新处理器的开发代号叫做“Avadon”或者“Abadon”，采用22nm新工艺制造，多八个核心，专供云计算等低功耗服务器领域。这款处理器还会改用不同于当今的新架构，拥有两条管线，且是乱序执行，同频率下性能可比当前产品提升20%~25％，估计2013年底可以问世。
交互式僵持的竞争
PC处理器厂商和手机芯片厂商井水不犯河水的均势已被打破，对于这个移动互联网时代的新动向，如果可以用简单的话来概括其原因，那就是：手机和计算机走得越来越近了。英特尔现在致力的目标，就是从ARM牢牢占据的100%移动市场中夺取一部分市场份额。面对PC业芯片老大的“捞过界”，ARM公司选择了针锋相对，正借力微软进行着ARM架构服务器的探讨。
X-Gene与英特尔处理器能耗、性能对比。
价格、性能、功耗是双方竞争的主要三个点，ARM希望通过低功耗和价格价格优势侵入英特尔主宰的PC领域，从ARM的线路图看，ARM快也许要到2013以后才能实现向PC和服务器领域的实质进军。英特尔当前正在发力超极本以应对平板的威胁，到2013年，在消费级产品领域，ARM的功耗和价格或将也不再是优势；而服务器端，在IDF2011上，英特尔也在尝试推广称为“众核”的技术，在不增减处理器核心面积的情况下加入多达48个核心，这些低功耗核心将拥有ARM类似的功耗和更强大的性能。
英特尔和ARM都还没有在对方的市场形成实质性影响，但双方已经在PC和手机领域的交叉地带进行了交锋。在这片中间区域，先后出现了上网本、智能本、平板等多种差异化产品，截至目前的战况是：x86阵营取得了先机，但ARM阵营的势头更猛。交互式僵持的竞争，仍在继续……
