一文解析ARM处理器都经历了哪些技术变革

生产芯片，江湖却到处都有它的传说，这就是ARM。在手机出货量放缓的当下，很多业内公司在寻求着新兴领域的突破，ARM也是如此。同时ARM推出全新DynamIQ技术，该公司也强调：“DynamIQ技术将会被广泛的用于人工智能和机器学习领域”。今天小编就给大伙扒一扒ARM处理器的发展历程及技术升级之路。

ARM发展历程

1978年12月5日，物理学家赫尔曼·豪泽（Hermann Hauser）和工程师Chris Curry，在英国剑桥创办了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要业务是为当地市场供应电子设备。1979年，CPU公司改名为Acorn计算机公司。

起初，Acorn公司打算使用摩托罗拉公司的16位芯片，但是发现这种芯片太慢也太贵。“一台售价500英镑的机器，不可能使用价格100英镑的CPU！”他们转而向Intel公司索要80286芯片的设计资料，但是遭到拒绝，于是被迫自行研发。无情的英特尔估计现在肠子都悔青了。

1985年，Roger Wilson和Steve Furber设计了他们自己的第一代32位、6MHz的处理器，用它做出了一台RISC指令集的计算机，简称ARM（Acorn RISC Machine）。这就是ARM这个名字的由来。

1990年11月27日，Acorn公司正式改组为ARM计算机公司。苹果公司出资150万英镑，芯片厂商VLSI出资25万英镑，Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。公司的办公地点非常简陋，就是一个谷仓。

公司成立后，业务一度很不景气，工程师们人心惶惶，担心将要失业。由于缺乏资金，ARM做出了一个意义深远的决定：自己不制造芯片，只将芯片的设计方案授权（licensing）给其他公司，由它们来生产。正是这个模式，最终使得ARM芯片遍地开花，将封闭设计的Intel公司置于“人民战争”的汪洋大海。

20世纪90年代，ARM公司的业绩平平，处理器的出货量徘徊不前。但是进入21世纪之后，由于手机的快速发展，出货量呈现爆炸式增长，ARM处理器占领了全球手机市场。

经过12年的发展，在2002年，ARM架构芯片的出货量正式突破10亿。随着智能设备的爆炸式成长，如今，要完成10亿片的出货量只需要一个月。

2004年，Cortex系列的诞生是ARM公司的大事件，从此该公司不再用数字为处理器命名。它分为A、R和M三类，旨在为各种不同的市场提供服务。

2006年，全球ARM芯片出货量为20亿片，2010年预计将达到45亿片。

2015年，ARM基于ARMv8架构推出了一种面向企业级市场的新平台标准。此外，他们还开始在物联网领域发力。同年，福布斯杂志将ARM评为世界上五大最具创新力的公司之一。

如今ARM已经被软银收购，孙正义也瞬间变成2016超级“网红”，还扬言要制霸物联网时代。果然，吸一口ARM“纯氧”，瞬间精气神都不一样了。

ARM处理器经历的技术变革

一、32位处理器时代

在32位处理器之前是16位处理器，起初，Acorn公司打算使用摩托罗拉公司的16位芯片，但是发现这种芯片太慢也太贵。“一台售价500英镑的机器，不可能使用价格100英镑的CPU！”1985年，Roger Wilson和Steve Furber设计了他们自己的第一代32位、6MHz的处理器，用它做出了一台RISC指令集的计算机，简称ARM（Acorn RISC Machine）。这就是ARM这个名字的由来。

Acorn公司正式改组为ARM计算机公司是在1990年11月27日。

在此之前，也就是1985年，ARMv1架构诞生，该版架构只在原型机ARM1出现过，只有26位的寻址空间（64MB），没有用于商业产品。第二年，ARMv2架构诞生，首颗量产的ARM处理器ARM2就是基于该架构，包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持，但同样仍为26位寻址空间。其后还出现了变种ARMv2a，ARM3即采用了ARMv2a，是第一片采用片上Cache的ARM处理器。

1990年，ARMv3架构诞生，第一个采用ARMv3架构的微处理器是ARM6（610）以及ARM7，其具有片上高速缓存、MMU和写缓冲，寻址空间增大到32位（4GB）。

1993年，ARMv4架构诞生，这个架构被广泛使用，ARM7（7TDMI）、ARM8、ARM9（9TDMI）和StrongARM采用了该架构。ARM在这个系列中引入了T变种指令集，即处理器可工作在Thumb状态，增加了16位Thumb指令集。

1998年，ARMv5架构诞生，ARM7（EJ）、ARM9（E）、ARM10（E）和Xscale采用了该架构，这版架构改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率。此外还引入了DSP指令和支持Java。

2001年，ARMv6架构诞生，ARM11采用的是该架构，这版架构强化了图形处理性能。通过追加有效进行多媒体处理的SIMD将语音及图像的处理功能大大提高。此外ARM在这个系列中引入了混合16位/32位的Thumb-2指令集。

2004年，ARMv7架构诞生，从这个时候开始ARM以Cortex来重新命名处理器，Cortex-M3/4/7，Cortex-R4/5/6/7，Cortex-A8/9/5/7/15/17都是基于该架构。该架构包括NEON技术扩展，可将DSP和媒体处理吞吐量提升高达400%，并提供改进的浮点支持以满足下一代3D图形和游戏以及传统嵌入式控制应用的需要。

2007年，在ARMv6基础上衍生了ARMv6-M架构，该架构是专门为低成本、高性能设备而设计，向以前由8位设备占主导地位的市场提供32位功能强大的解决方案。Cortex-M0/1/0+即采用的该架构。

二、64位处理器

2011年，ARM宣布了自己的第一个64位指令集处理器架构“ARMv8”，该架构基于32位的ARMv7而来，并保留了TrustZone安全执行环境、虚拟化、NEON（高级SIMD）等关键技术特性。ARM宣称，ARMv8新架构将把高能效的64位计算带入高端服务器等新的领域，并提供向下兼容性，便于现有软件的移植，誓有一股挑战英特尔的姿势。

当时是基于怎样的市场需求和历史背景呢？

随着设备的发展和新技术——语音识别、3D游戏和高分辨率显示屏——逐渐普及，32位处理器的能力已经渐渐被推到了极限。ARM看到了64位节能处理器的需求，并在正式发布ARMv8-A架构。

ARM上64位计算的好处并不仅限于智能手机和平板电脑。ARM的生态系统很广阔，他们的处理器也被许多不同类型的设备所使用。服务器市场是ARM处理器影响力有限的一个领域。信息时代的发展让维持数据中心所消耗的能源持续快速增长，而任何能够降低能源使用的技术都是对于资金和自然资源的节省。除了节能之外，在服务器当中使用64位ARM芯片还有其他的好处。这些服务器都会被动散热，这意味着你可以将它们集中在一起，而无需担心会发生过热的情况。这样一来，用于散热上的花费也将有所降低。

苹果凭借着iPhone 5s的全新64位A7处理器震惊了整个移动领域。A7采用了苹果设计的ARMv8双核处理器，名为Cyclone。它使用了两个64KB L1缓存（供两个核心分别使用），一个1MB L2缓存（被两个核心所分享）和一个4MB L3缓存（为整个SoC所用）。

至于服务器软件，Linux这样的操作系统已经是64位的了，其主线内核当中也已经加入了对于ARMv8的支持。这也就是说，制作运行于64位Linux、ARM处理器的服务器并不会很困难。

最后总结一句话，多亏了ARM，64位的移动计算时代就要到来了。这些新的处理器不仅速度更快，还为移动平台开启了更多的可能性。

大小核（big.LITTLE）芯片设计架构

在ARM推出旗下首款64位构架ARMv8的同一年，该公司还推出了big.LITTLE技术，制造商可利用该技术将高性能核心与节能核心结合起来，并用软件控制核心间的无缝切换，以达到省电的目的。它解决了当今行业面临的一个难题：如何创建既有高性能又有极佳节能效果的片上系统 （SoC） 以延长电池使用寿命。

大小核设计到底是什么原理呢？

为此，ARM专门录制了一个视频，深入浅出地做出解释，并用两个人来分别代表big.LITTLE架构中的“角色”，身材魁梧高大的男士是big，身材娇小的是LITTLE，如下图。

基于big.LITTLE技术的八核处理器，并没有将传统内核放在单一的处理器上，而是一分为二，其中一个使用了4个“小核心”，另一个则使用了4个“大核心”，这两个“核心”都有着自己独立的速度和性能。通过两大核心自主运行，搭载big.LITTLE技术的处理器比之前的手机CPU更加高效，毕竟后者只有一个或者两个内核。

当需要用智能手机打开一个网页时，手机就可以用一个大的内核来处理该任务，而小的内核则同时处理其他小任务，比如查看电子邮件、拨打电话等。当手机不需要工作时，big核心和LITTLE核心都可以停下来休息。

三星Exynos 5 Octa八核移动处理器是采用Big.Little结构的第一款CPU。该芯片其实是由两颗四核处理器封装在一起。一颗 1.8GHz 的 Cortex-A15 架构的四核处理器和一颗 1.2GHz Cortex-A7 架构的四核处理器。据三星解释，高性能的处理器将用来处理更加复杂的运算，平时一般使用的时候则采用低性能的处理器，两者可以根据使用情况不同进行协同， 因此也能有效降低功耗。Exynos 5 Octa采用了28纳米的制作工艺，号称功耗比市面上的四核处理器降低了70%，但是性能却提升了2倍之多。

三、DynamIQ技术

2017年3月21日下午，ARM在北京金隅喜来登酒店召开发布会，正式发布了全新的有针对人工智能及机器学习进行优化的DynamIQ技术，而这项技术也将作为未来下一代ARM Cortex-A系列处理器的基础。这一技术也被称为big.LITTLE技术的重要演进。

但他到底是个什么鬼？

原有的big.LITTLE技术是将多个大核组成一个计算集群、多个小核组成另一个计算集群，然后进行协作运行。而全新的DynamIQ big.LITTLE将允许在单一计算集群上进行大小核配置，可以出现比如1+3、1+7、3+5等诸多类型（目前最多可以支持配置8核），将可配置性提升到了一个新的台阶。同时，DynamIQ big.LITTLE还可以对每一个处理器进行独立的频率控制以及开、关、休眠状态的控制，可以实现高效的、无缝的在不同任务间切换最合适的处理器。

此外，DynamIQ还对内存子系统进行了重新设计，可以对内存进行更细颗粒度的管理，实现更快的数据读取和全新的节能特性。

在该技术的发布会上，ARM副总裁表示，未来将会推出基于DynamIQ技术的大小核。而且2018年，就会有相应的终端出现。DynamIQ技术将会率先被用在智能手机领域，此外也将会进入汽车、嵌入式领域、企业级市场等。

然则，ARM的这步棋更多针对的是人工智能这一领域，首先人工智能对于大小核之间的调配、无缝切换都要求很高，但全新的DynamIQ big.LITTLE架构是非常适合的，将会为机器学习和人工智能应用带来更快的响应速度。

其次，DynamIQ还特别加入了针对人工智能的指令集和优化库，下一代ARMV8.2版本的指令集将支持神经网路卷积运算，可以极大的提升人工智能和机器学习的效率。

据ARM透露，针对人工智能和机器学习的全新处理器指令集在采用DynamIQ技术的Cortex-A系列处理器在优化应用后，可实现比基于现有的Cortex-A73的设备高50倍的人工智能性能，并最多可提升10倍CPU与SoC上指定硬件加速器之间的反应速度。

ARM的诞生可能存在着一些无奈，但这并不妨碍ARM靠自己独特的授权方式搜刮市场。以低功耗和高性能赚得盆满钵满，最新的DynamIQ技术也试图霸占人工智能领域，新兴领域的风口似乎已经打开，ARM有着非常不错的底子，再加上被软银收购，未来还是非常令人期待的。