这是一个非常好的问题,也是理解现代处理器架构的核心之一，说“ARM处理器IPC性能不行”其实是一个过于简化的说法，更准确的说法是：在传统的、以x86为代表的复杂指令集架构下，ARM的IPC性能曾经或在某些场景下确实存在差距，但这并非其设计的初衷，并且ARM正在通过多种方式弥补甚至超越这一差距。

为啥arm处理器ipc性能不行
（图片来源网络，侵删）

下面我们来详细拆解这个问题,从几个层面来理解“为什么会有这种印象”以及“真实情况是怎样的”。

第一部分：理解什么是IPC？

IPC (Instructions Per Cycle)，即“每周期执行指令数”，它是衡量处理器执行效率的关键指标，一个时钟周期内，CPU能完成多少条指令的执行。

一个重要的公式： CPU性能 = IPC × 主频

这个公式告诉我们,CPU的性能由两个因素决定：

为啥arm处理器ipc性能不行
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  1. IPC (效率)：设计有多巧妙，流水线有多流畅。
  2. 主频 (速度)：时钟能跑多快。

一个高IPC的CPU,即使主频不高，也可能比一个低IPC高主频的CPU快。

第二部分：为什么ARM的IPC“看起来”不行？（历史原因和架构差异）

这个印象主要源于PC和服务器领域,长期以来被x86处理器主导，与x86相比，ARM的架构设计哲学不同，导致其在IPC上的表现有差异。

CISC vs RISC 的设计哲学差异

这是最根本的原因。

  • x86 (CISC - Complex Instruction Set Computer)：
    • 设计思想：指令集复杂，一条指令可以完成非常复杂的操作（一条指令就能完成内存到内存的数据搬运和算术运算）。
    • 对IPC的影响：由于指令本身很复杂，解码和执行一条指令需要多个时钟周期，这拉低了单条指令的IPC，但好处是，程序员可以用更少的指令完成同样的任务，所以程序的总指令数较少，这是一种“用空间换时间”的设计。
  • ARM (RISC - Reduced Instruction Set Computer)：
    • 设计思想：指令集精简，每条指令都简单、规整，通常在一个时钟周期内就能完成，所有复杂操作都需要通过简单的指令组合来实现。
    • 对IPC的影响：由于指令简单，单条指令的执行效率高，单条指令的IPC理论上可以更高，但缺点是，完成同一个任务，需要执行更多的指令，程序的总指令数较多，这是一种“用时间换空间”的设计。

打个比方：

为啥arm处理器ipc性能不行
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  • x86 像一个瑞士军刀，功能强大，一把刀就能搞定很多事，但这把刀很复杂，打开它需要时间。
  • ARM 像一整套螺丝刀，每把螺丝刀都简单高效，但你要拧一个复杂的螺丝，可能需要换好几次刀头。

在早期,由于ARM的指令集简单，为了完成同样的任务，它需要执行更多的指令，虽然单条指令快，但总体的“吞吐量”并不一定占优。

微架构的实现差异

除了指令集哲学,实际的产品设计（微架构）也决定了IPC的上限。

  • x86 (以Intel/AMD为例)：
    • “大力出奇迹”：为了弥补CISC指令的解码开销和提升IPC，x86处理器投入了巨大的晶体管资源去构建极其复杂的乱序执行引擎、巨大的缓存和深度的分支预测。
    • 结果：虽然单条指令效率低，但通过乱序执行，CPU可以“看”到未来，把没有依赖关系的指令重新排列组合，填满所有执行单元，从而在宏观上获得很高的指令吞吐量，这使得x86的IPC可以达到很高的水平（gt;2）。
  • ARM (以苹果A/M系列、高通骁龙等为例)：
    • “精打细算”：ARM本身只设计IP核（核的蓝图），具体产品由各厂商（苹果、高通、三星等）自己实现，早期移动端的核心诉求是能效，而不是极致的性能。
    • 结果：厂商在设计时，会权衡性能和功耗，复杂的乱序执行引擎和巨大缓存非常耗电，早期的ARM移动处理器在乱序执行的宽度和深度上，不如顶级的x86处理器，导致其IPC天花板相对较低。

主频的差异

很长一段时间里,x86处理器的主频远超ARM处理器。

  • 性能 = IPC × 主频 即使ARM的IPC和x86差距不大，但x86的主频高出一大截，最终性能也会碾压，这也是为什么当年的酷睿2、奔腾4等CPU频率能轻松上4GHz，而手机CPU长期在1-2GHz徘徊。

第三部分：现实情况正在改变——ARM的逆袭

近年来,情况发生了翻天覆地的变化，尤其是在苹果的带领下，ARM在IPC和整体性能上已经实现了对x86的超越。

架构的融合：RISC的进化与CISC的简化

现代的RISC和CISC已经没有严格的界限了。

  • ARM RISC-V：现代ARM处理器虽然指令集是RISC，但其内部都包含了复杂的乱序执行、分支预测、超标量等机制，这些都是传统CISC处理器的强项，这使得ARM处理器的IPC可以做得非常高。
  • x86 RISC化：现代x86处理器内部，复杂的CISC指令在被执行前，会被一个解码器翻译成若干条简单的、类似RISC的“微操作”（μops），然后CPU乱序执行这些μops，可以说，现代x86的内部核心也是一个RISC引擎，只是对外保留了CISC的指令集接口。

苹果的“降维打击”

苹果是改变游戏规则的关键,其自研的M系列芯片证明了ARM架构在极致性能上的潜力：

  • 巨大的执行宽度：M1/M2/M3芯片拥有非常宽的乱序执行核心，可以同时发射和完成大量指令，极大地提升了IPC。
  • 统一内存架构：CPU和GPU共享同一块内存，消除了数据搬运的瓶颈，让CPU的执行单元能更高效地工作。
  • 能效比的极致追求：苹果通过精心的架构设计和先进的制程工艺，实现了在相同功耗下，提供远超x86的性能，或者在相同性能下，功耗远低于x86，这得益于其极高的IPC和优秀的能效设计。

M系列芯片的IPC性能已经可以媲美甚至超越同期的x86处理器，这是不争的事实。

服务器市场的发力

亚马逊的Graviton系列、Ampere的Altra等ARM服务器CPU，也证明了ARM在高性能计算领域的潜力，它们通过高核心数（比如64核、128核）和不错的单核IPC（得益于现代乱序执行架构），在云服务器等特定负载场景下，提供了极具竞争力的性价比和能效比。

回到最初的问题：“为啥ARM处理器IPC性能不行？”

  1. 历史原因：由于RISC设计哲学和早期移动端对能效的极致追求，ARM处理器在乱序执行等复杂微架构的实现上不如x86，导致其IPC上限较低。
  2. 误解来源：人们习惯用x86的“高性能”标准来衡量ARM，而忽略了两者最初的设计目标和市场定位不同。
  3. 现实改变：现代ARM处理器（尤其是苹果M系列）已经通过实现极其强大的乱序执行架构，大幅提升了IPC，甚至在某些方面超越了x86，其性能优势更多体现在能效比上，即用更少的电做更多的事。

“ARM处理器IPC性能不行”是一个过时且不准确的刻板印象。现代高性能ARM处理器的IPC已经非常强大，其真正的核心竞争力在于将高IPC与极致的能效比完美结合。