一文解析ARM處理器都經(jīng)歷了哪些技術(shù)變革

生產(chǎn)芯片，江湖卻到處都有它的傳說，這就是ARM。在手機(jī)出貨量放緩的當(dāng)下，很多業(yè)內(nèi)公司在尋求著新興領(lǐng)域的突破，ARM也是如此。同時ARM推出全新DynamIQ技術(shù)，該公司也強(qiáng)調(diào)：“DynamIQ技術(shù)將會被廣泛的用于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域”。今天小編就給大伙扒一扒ARM處理器的發(fā)展歷程及技術(shù)升級之路。

ARM發(fā)展歷程

1978年12月5日，物理學(xué)家赫爾曼·豪澤（Hermann Hauser）和工程師Chris Curry，在英國劍橋創(chuàng)辦了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要業(yè)務(wù)是為當(dāng)?shù)厥袌龉?yīng)電子設(shè)備。1979年，CPU公司改名為Acorn計算機(jī)公司。

起初，Acorn公司打算使用摩托羅拉公司的16位芯片，但是發(fā)現(xiàn)這種芯片太慢也太貴?！耙慌_售價500英鎊的機(jī)器，不可能使用價格100英鎊的CPU！”他們轉(zhuǎn)而向Intel公司索要80286芯片的設(shè)計資料，但是遭到拒絕，于是被迫自行研發(fā)。無情的英特爾估計現(xiàn)在腸子都悔青了。

1985年，Roger Wilson和Steve Furber設(shè)計了他們自己的第一代32位、6MHz的處理器，用它做出了一臺RISC指令集的計算機(jī)，簡稱ARM（Acorn RISC Machine）。這就是ARM這個名字的由來。

1990年11月27日，Acorn公司正式改組為ARM計算機(jī)公司。蘋果公司出資150萬英鎊，芯片廠商VLSI出資25萬英鎊，Acorn本身則以150萬英鎊的知識產(chǎn)權(quán)和12名工程師入股。公司的辦公地點(diǎn)非常簡陋，就是一個谷倉。

公司成立后，業(yè)務(wù)一度很不景氣，工程師們?nèi)诵幕袒?，?dān)心將要失業(yè)。由于缺乏資金，ARM做出了一個意義深遠(yuǎn)的決定：自己不制造芯片，只將芯片的設(shè)計方案授權(quán)（licensing）給其他公司，由它們來生產(chǎn)。正是這個模式，最終使得ARM芯片遍地開花，將封閉設(shè)計的Intel公司置于“人民戰(zhàn)爭”的汪洋大海。

20世紀(jì)90年代，ARM公司的業(yè)績平平，處理器的出貨量徘徊不前。但是進(jìn)入21世紀(jì)之后，由于手機(jī)的快速發(fā)展，出貨量呈現(xiàn)爆炸式增長，ARM處理器占領(lǐng)了全球手機(jī)市場。

經(jīng)過12年的發(fā)展，在2002年，ARM架構(gòu)芯片的出貨量正式突破10億。隨著智能設(shè)備的爆炸式成長，如今，要完成10億片的出貨量只需要一個月。

2004年，Cortex系列的誕生是ARM公司的大事件，從此該公司不再用數(shù)字為處理器命名。它分為A、R和M三類，旨在為各種不同的市場提供服務(wù)。

2006年，全球ARM芯片出貨量為20億片，2010年預(yù)計將達(dá)到45億片。

2015年，ARM基于ARMv8架構(gòu)推出了一種面向企業(yè)級市場的新平臺標(biāo)準(zhǔn)。此外，他們還開始在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)力。同年，福布斯雜志將ARM評為世界上五大最具創(chuàng)新力的公司之一。

如今ARM已經(jīng)被軟銀收購，孫正義也瞬間變成2016超級“網(wǎng)紅”，還揚(yáng)言要制霸物聯(lián)網(wǎng)時代。果然，吸一口ARM“純氧”，瞬間精氣神都不一樣了。

ARM處理器經(jīng)歷的技術(shù)變革

一、32位處理器時代

在32位處理器之前是16位處理器，起初，Acorn公司打算使用摩托羅拉公司的16位芯片，但是發(fā)現(xiàn)這種芯片太慢也太貴。“一臺售價500英鎊的機(jī)器，不可能使用價格100英鎊的CPU！”1985年，Roger Wilson和Steve Furber設(shè)計了他們自己的第一代32位、6MHz的處理器，用它做出了一臺RISC指令集的計算機(jī)，簡稱ARM（Acorn RISC Machine）。這就是ARM這個名字的由來。

Acorn公司正式改組為ARM計算機(jī)公司是在1990年11月27日。

在此之前，也就是1985年，ARMv1架構(gòu)誕生，該版架構(gòu)只在原型機(jī)ARM1出現(xiàn)過，只有26位的尋址空間（64MB），沒有用于商業(yè)產(chǎn)品。第二年，ARMv2架構(gòu)誕生，首顆量產(chǎn)的ARM處理器ARM2就是基于該架構(gòu)，包含了對32位乘法指令和協(xié)處理器指令的支持，但同樣仍為26位尋址空間。其后還出現(xiàn)了變種ARMv2a，ARM3即采用了ARMv2a，是第一片采用片上Cache的ARM處理器。

1990年，ARMv3架構(gòu)誕生，第一個采用ARMv3架構(gòu)的微處理器是ARM6（610）以及ARM7，其具有片上高速緩存、MMU和寫緩沖，尋址空間增大到32位（4GB）。

1993年，ARMv4架構(gòu)誕生，這個架構(gòu)被廣泛使用，ARM7（7TDMI）、ARM8、ARM9（9TDMI）和StrongARM采用了該架構(gòu)。ARM在這個系列中引入了T變種指令集，即處理器可工作在Thumb狀態(tài)，增加了16位Thumb指令集。

1998年，ARMv5架構(gòu)誕生，ARM7（EJ）、ARM9（E）、ARM10（E）和Xscale采用了該架構(gòu)，這版架構(gòu)改進(jìn)了ARM/Thumb狀態(tài)之間的切換效率。此外還引入了DSP指令和支持Java。

2001年，ARMv6架構(gòu)誕生，ARM11采用的是該架構(gòu)，這版架構(gòu)強(qiáng)化了圖形處理性能。通過追加有效進(jìn)行多媒體處理的SIMD將語音及圖像的處理功能大大提高。此外ARM在這個系列中引入了混合16位/32位的Thumb-2指令集。

2004年，ARMv7架構(gòu)誕生，從這個時候開始ARM以Cortex來重新命名處理器，Cortex-M3/4/7，Cortex-R4/5/6/7，Cortex-A8/9/5/7/15/17都是基于該架構(gòu)。該架構(gòu)包括NEON技術(shù)擴(kuò)展，可將DSP和媒體處理吞吐量提升高達(dá)400%，并提供改進(jìn)的浮點(diǎn)支持以滿足下一代3D圖形和游戲以及傳統(tǒng)嵌入式控制應(yīng)用的需要。

2007年，在ARMv6基礎(chǔ)上衍生了ARMv6-M架構(gòu)，該架構(gòu)是專門為低成本、高性能設(shè)備而設(shè)計，向以前由8位設(shè)備占主導(dǎo)地位的市場提供32位功能強(qiáng)大的解決方案。Cortex-M0/1/0+即采用的該架構(gòu)。

二、64位處理器

2011年，ARM宣布了自己的第一個64位指令集處理器架構(gòu)“ARMv8”，該架構(gòu)基于32位的ARMv7而來，并保留了TrustZone安全執(zhí)行環(huán)境、虛擬化、NEON（高級SIMD）等關(guān)鍵技術(shù)特性。ARM宣稱，ARMv8新架構(gòu)將把高能效的64位計算帶入高端服務(wù)器等新的領(lǐng)域，并提供向下兼容性，便于現(xiàn)有軟件的移植，誓有一股挑戰(zhàn)英特爾的姿勢。

當(dāng)時是基于怎樣的市場需求和歷史背景呢？

隨著設(shè)備的發(fā)展和新技術(shù)——語音識別、3D游戲和高分辨率顯示屏——逐漸普及，32位處理器的能力已經(jīng)漸漸被推到了極限。ARM看到了64位節(jié)能處理器的需求，并在正式發(fā)布ARMv8-A架構(gòu)。

ARM上64位計算的好處并不僅限于智能手機(jī)和平板電腦。ARM的生態(tài)系統(tǒng)很廣闊，他們的處理器也被許多不同類型的設(shè)備所使用。服務(wù)器市場是ARM處理器影響力有限的一個領(lǐng)域。信息時代的發(fā)展讓維持?jǐn)?shù)據(jù)中心所消耗的能源持續(xù)快速增長，而任何能夠降低能源使用的技術(shù)都是對于資金和自然資源的節(jié)省。除了節(jié)能之外，在服務(wù)器當(dāng)中使用64位ARM芯片還有其他的好處。這些服務(wù)器都會被動散熱，這意味著你可以將它們集中在一起，而無需擔(dān)心會發(fā)生過熱的情況。這樣一來，用于散熱上的花費(fèi)也將有所降低。

蘋果憑借著iPhone 5s的全新64位A7處理器震驚了整個移動領(lǐng)域。A7采用了蘋果設(shè)計的ARMv8雙核處理器，名為Cyclone。它使用了兩個64KB L1緩存（供兩個核心分別使用），一個1MB L2緩存（被兩個核心所分享）和一個4MB L3緩存（為整個SoC所用）。

至于服務(wù)器軟件，Linux這樣的操作系統(tǒng)已經(jīng)是64位的了，其主線內(nèi)核當(dāng)中也已經(jīng)加入了對于ARMv8的支持。這也就是說，制作運(yùn)行于64位Linux、ARM處理器的服務(wù)器并不會很困難。

最后總結(jié)一句話，多虧了ARM，64位的移動計算時代就要到來了。這些新的處理器不僅速度更快，還為移動平臺開啟了更多的可能性。

大小核（big.LITTLE）芯片設(shè)計架構(gòu)

在ARM推出旗下首款64位構(gòu)架ARMv8的同一年，該公司還推出了big.LITTLE技術(shù)，制造商可利用該技術(shù)將高性能核心與節(jié)能核心結(jié)合起來，并用軟件控制核心間的無縫切換，以達(dá)到省電的目的。它解決了當(dāng)今行業(yè)面臨的一個難題：如何創(chuàng)建既有高性能又有極佳節(jié)能效果的片上系統(tǒng) （SoC） 以延長電池使用壽命。

大小核設(shè)計到底是什么原理呢？

為此，ARM專門錄制了一個視頻，深入淺出地做出解釋，并用兩個人來分別代表big.LITTLE架構(gòu)中的“角色”，身材魁梧高大的男士是big，身材嬌小的是LITTLE，如下圖。

基于big.LITTLE技術(shù)的八核處理器，并沒有將傳統(tǒng)內(nèi)核放在單一的處理器上，而是一分為二，其中一個使用了4個“小核心”，另一個則使用了4個“大核心”，這兩個“核心”都有著自己獨(dú)立的速度和性能。通過兩大核心自主運(yùn)行，搭載big.LITTLE技術(shù)的處理器比之前的手機(jī)CPU更加高效，畢竟后者只有一個或者兩個內(nèi)核。

當(dāng)需要用智能手機(jī)打開一個網(wǎng)頁時，手機(jī)就可以用一個大的內(nèi)核來處理該任務(wù)，而小的內(nèi)核則同時處理其他小任務(wù)，比如查看電子郵件、撥打電話等。當(dāng)手機(jī)不需要工作時，big核心和LITTLE核心都可以停下來休息。

三星Exynos 5 Octa八核移動處理器是采用Big.Little結(jié)構(gòu)的第一款CPU。該芯片其實是由兩顆四核處理器封裝在一起。一顆 1.8GHz 的 Cortex-A15 架構(gòu)的四核處理器和一顆 1.2GHz Cortex-A7 架構(gòu)的四核處理器。據(jù)三星解釋，高性能的處理器將用來處理更加復(fù)雜的運(yùn)算，平時一般使用的時候則采用低性能的處理器，兩者可以根據(jù)使用情況不同進(jìn)行協(xié)同， 因此也能有效降低功耗。Exynos 5 Octa采用了28納米的制作工藝，號稱功耗比市面上的四核處理器降低了70%，但是性能卻提升了2倍之多。

三、DynamIQ技術(shù)

2017年3月21日下午，ARM在北京金隅喜來登酒店召開發(fā)布會，正式發(fā)布了全新的有針對人工智能及機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行優(yōu)化的DynamIQ技術(shù)，而這項技術(shù)也將作為未來下一代ARM Cortex-A系列處理器的基礎(chǔ)。這一技術(shù)也被稱為big.LITTLE技術(shù)的重要演進(jìn)。

但他到底是個什么鬼？

原有的big.LITTLE技術(shù)是將多個大核組成一個計算集群、多個小核組成另一個計算集群，然后進(jìn)行協(xié)作運(yùn)行。而全新的DynamIQ big.LITTLE將允許在單一計算集群上進(jìn)行大小核配置，可以出現(xiàn)比如1+3、1+7、3+5等諸多類型（目前最多可以支持配置8核），將可配置性提升到了一個新的臺階。同時，DynamIQ big.LITTLE還可以對每一個處理器進(jìn)行獨(dú)立的頻率控制以及開、關(guān)、休眠狀態(tài)的控制，可以實現(xiàn)高效的、無縫的在不同任務(wù)間切換最合適的處理器。

此外，DynamIQ還對內(nèi)存子系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計，可以對內(nèi)存進(jìn)行更細(xì)顆粒度的管理，實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)讀取和全新的節(jié)能特性。

在該技術(shù)的發(fā)布會上，ARM副總裁表示，未來將會推出基于DynamIQ技術(shù)的大小核。而且2018年，就會有相應(yīng)的終端出現(xiàn)。DynamIQ技術(shù)將會率先被用在智能手機(jī)領(lǐng)域，此外也將會進(jìn)入汽車、嵌入式領(lǐng)域、企業(yè)級市場等。

然則，ARM的這步棋更多針對的是人工智能這一領(lǐng)域，首先人工智能對于大小核之間的調(diào)配、無縫切換都要求很高，但全新的DynamIQ big.LITTLE架構(gòu)是非常適合的，將會為機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能應(yīng)用帶來更快的響應(yīng)速度。

其次，DynamIQ還特別加入了針對人工智能的指令集和優(yōu)化庫，下一代ARMV8.2版本的指令集將支持神經(jīng)網(wǎng)路卷積運(yùn)算，可以極大的提升人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的效率。

據(jù)ARM透露，針對人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的全新處理器指令集在采用DynamIQ技術(shù)的Cortex-A系列處理器在優(yōu)化應(yīng)用后，可實現(xiàn)比基于現(xiàn)有的Cortex-A73的設(shè)備高50倍的人工智能性能，并最多可提升10倍CPU與SoC上指定硬件加速器之間的反應(yīng)速度。

ARM的誕生可能存在著一些無奈，但這并不妨礙ARM靠自己獨(dú)特的授權(quán)方式搜刮市場。以低功耗和高性能賺得盆滿缽滿，最新的DynamIQ技術(shù)也試圖霸占人工智能領(lǐng)域，新興領(lǐng)域的風(fēng)口似乎已經(jīng)打開，ARM有著非常不錯的底子，再加上被軟銀收購，未來還是非常令人期待的。