ARM 发展历史和技术简介 本材料仅供内部培训使用，严禁对外使用 ARM的几种含义：公司、技术和处理器 ARM的发展历程 ARM服务器产业发展情况 ARM服务器的应用发展情况 2 ARM是什么 • ARM — Advanced RISC Machines • ARM有三种含义 • 一家公司 • 一种技术 • 一类微处理器 3 ARM公司 – 简介 • ARM英文全称Advanced RISC Machines，总部位于英国剑桥，该公司 成立于1990年11月，是苹果电脑，Acorn电脑集团和VLSI Technology 的合资企业 • ARM公司是一家知识产权（IP）供应商，它与一般的半导体公司最大的 不同就是不制造芯片，而是通过转让设计方案，由合作伙伴生产出各具特 色的芯片。ARM公司利用这种双赢的伙伴关系迅速成为了全球性RISC微 处理器标准的缔造者 • 2016年7月，日本软银宣布将以243亿英镑收购ARM公司，但在业务上仍 然独立运营 • 2018年5月，ARM Mini China成立，总部位于深圳，中方投资者占股 51%，而ARM拥有剩余49%的股权。该合资公司将接管Arm在中国市场 的所有业务，包括授权和版税业务 4 ARM公司 – 商业模式 • ARM不生产芯片，只做IP和授 权，包括指令集架构、微处理 器、图形核心、互连架构 • 收入来源包括三部分 – 半导体公司的授权费用，一定时间 范围内是一次性的 – 半导体公司向其客户销售芯片的 royalty费用（版税），每一颗芯片 都有几个百分点的版税收入 – 向半导体公司、用户提供技术咨询 服务的费用 5 ARM公司 – 授权体系 架构/指令集授权 • 按照所授权的架构和指令集（如ARMv8）自行 编写代码、设计芯片 处理器授权 • 提供RTL代码，处理器的核数、缓存可配置 • 自主后端设计（主频、工艺、代工厂等） 处理器优化包/物理 IP包授权（POP） • 只能按照ARM设计好的处理器类型、在指定的 代工厂和工艺进行生产 • ARM目前在全球拥有大约1000个授权合作、320家伙伴，但是购买架构授权的 厂家不超过20家，中国有华为、飞腾和华芯通（高通）获得了架构授权 6 ARM技术 – 简介 • ARM也是一种CPU技术，有别于Intel、AMD CPU采用的CISC复杂指令集， ARM CPU采用RISC精简指令集（reduced instruction set computer，精简 指令集计算机） • RISC是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，它能够以更快的速度执行操 作 7 ARM技术 – 与x86的差别 重核多核多线程 高主频 轻核、众核 具有更好的并 发性能 CISC, 通用指令集 RISC, 根据负载优化 匹配业务特征 能耗比更佳 只有两家CPU供应商 Intel处于垄断地位 开放的授权策略 众多供应商 更加灵活丰富 的选择 成熟 完善中 业界热点 快速发展 8 RISC体系结构 • 传统的CISC（Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机）体系由于指令集庞大，指令长度不固 定，指令执行周期有长有短，使指令译码和流水线的实现在硬件上非常复杂，给芯片的设计开发和成本的降低 带来了极大困难 • 随着计算机技术的发展需要不断引入新的复杂的指令集,为支持这些新增的指令,计算机的体系结构会越来越复 杂。然而,在CISC指令集的各种指令中,其使用频率却相差悬殊,大约有 20％的指令会被反复使用,占整个程序代 码的80％。而余下的80％的指令却不经常使用,在程序设计中只占20％,显然,这种结构是不太合理的 • 针对这些明显的弱点，1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer, 精简指令集计算机）的概念,RISC并非只是简单地去减少指令,而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简 单合理地提高运算速度上 • RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令,避免复杂指令;将指令长度固定,指令格式和寻址方式种类减少;以 控制逻辑为主,不用或少用微码控制等措施来达到上述目的 9 SPARC和MIPS的成功促成了ARM的诞生 • SPARC：美国加州大学伯克利分校的Patterson教授领导的研究生团队设计和实现了“伯克利 RISC I”处理器，他们在此基础之上又发展了后来SUN公司的SPARC系列RISC处理器，并使得采 用该处理器的SUN工作站名振一时。 • MIPS：与此同时，斯坦福大学也在RISC研究领域取得了重大进展，开发并产业化了MIPS （ Million Instructions Per Second ）系列RISC处理器 • ARM：受Sparc和MIPS这两种RISC处理器所取得的巨大成功所鼓舞，英国的Acorn计算机公司 在1983到1985年之间也开发出了第一代ARM RISC处理器，当时ARM还只是Acorn RISC Machine的缩写。之后于1990年，公司又把名字改为简单的ARM limited，并且是Advanced RISC Machines （先进RISC机器）的缩写 10 ARM微处理器 • ARM还可以认为是采用ARM技术开发的RISC处理器的通称。ARM 微处理器已遍 及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场 • 目前超过99%的智能终端采用的是ARM架构的微处理器 • 随着IOT、AI和业务云化的发展，ARM在终端的优势地位将会带动其进入数据中 心市场，成为下一个快速增长的市场领域 11 ARM微处理器的优缺点 优点 • 同样功能性能占用的芯片面积小、功耗低、集成度更高，更多的硬件CPU核具备更好的并发性能 • 支持16位、32位、64位多种指令集，能很好的兼容从IOT、终端到云端的各类应用场景 • 大量使用寄存器，大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快 • 指令长度固定，寻址方式灵活简单，执行效率高 不足 • 由于采用的精简指令集，对于复杂运算，需要通过多条指令组合完成，造成这类应用的处理效率低 • 在数据中心领域属于新进入者，与x86相比，应用生态存在较大差距，特别是商用软件对ARM的支 持力度有待加强 12 ARM架构单位芯片面积提供更强算力，众核架构更符合分布式业务的需求 芯片工艺进入28nm以下空间时，靠先进工艺提升性能成本急剧上升 10亿个晶体管规模的芯片前后端设计成本 一个ARM核的面积仅为x86核的1/7 同样的芯片尺寸下，ARM的核数是x86的4倍以上 单个x86核面积 ~8mm2 180nm 130nm 90nm 40nm 28nm 14nm 7nm 单个ARM核面积 ~1.15mm2 工艺、主频遇到瓶颈后，开始转向增加核数的横向扩展来提升性能 单核 多核 众核 • 芯片的物理尺寸有限制，不能无限制的增加 • ARM的众核横向扩展空间优势明显 13 ARM的几种含义：公司、技术和处理器 ARM的发展历程 ARM服务器产业发展情况 ARM服务器的应用发展情况 14 ARM CPU：唯一千亿量级科技创新生态系统 下一个1000亿片 500亿片 500亿片 发货量 发货量 发货量 4年 4年 22 年 1991 2013 15 2017 2021 ARM市场发展预测 • ARM公司认为 • 智能手机、移动计算、数字电视 和机顶盒、服务器、网络、微控 制器是其未来发展的重点领域， 年复合增长率最高可达25％， • 而功能手机将在四年后基本消失， 而在台式机、服务器领域，ARM 将从无到有，五年后达到2亿颗。 16 ARM借助移动端的海量发货，已经替代PC驱动芯片新工艺发展 7nm 1st in the industry 17 ARM的几种含义：公司、技术和处理器 ARM的发展历程 ARM服务器产业发展情况 ARM服务器的应用发展情况 18 ARM服务器生态系统关键里程碑 • Ubuntu 12.04LTS 全面支 持ARM 2011 H2 2012 H1 2012 H2 • APM发布X-Gene ARM处理器 • Ubuntu发布首个 ARM版本 19 • openSuse13.2和 Ubuntu 15.04LTS 开始支持ARM64 2014 H2 • ARM发布64位处 理器架构 2015 H1 • 红帽、Suse、 Ubuntu、 CentOS官方支 持 ARM64 2017 Q1 • Fedora 22开始 支持 ARM64 • 红帽发布开发者 版本支持ARM64 FUTURE ARM服务器级别处理器一览 Hisilicon Cavium Hi1612 32C, 2.1GHz 16nm Thunder-X Hi1616 48C,2.5GHz 28nm 32C,2.4GHz 16nm Thunder-X2 2400 Qualcomm Hi1620 48C,3.0GHz 7nm 32-54C,3.0GHz 14nm 48Cores,2.2-2.6GHz 14nm X-Gene3 Ampere FT1500 Phytium 20 16 Cores,1.6GHz 28nm FT2000+ 32C, 3.3GHz 16nm 64Cores,2.3GHz 16nm 随着多核ARM CPU的性能不断增强，应用领域同步扩展 2014 2015 2016 2017 2018 2019+ HPC（计算密集型） 企业应用（ERP、CRM…） 交易型数据库(OLTP) 分析型数据库（OLAP ） HPC（内存密集型） 大数据（离线分析准实时分析/实时分析） 云服务（虚拟化）、ARM原生 网页类应用（Web） 存储 21 ARM的几种含义：公司、技术和处理器 ARM的发展历程 ARM服务器产业发展情况 ARM服务器的应用发展情况 22 部分典型IT应用，ARM性能媲美x86处理器 1.4 1.28 1.25 1 1 1.1 1 1 1 1 0.85 X86 ARM ARM 2P ARM 4P Storage Analysis Web Data Base HPC • 备注：归一化的性能数据，x86为该类型应用的主流处理器型号 • ARM的多核高并发优势在大数据、存储等领域带来性能优势 23 SDS为什么选择ARM: ARM多核适合分布式软件特征 分布式存储软件适合多核环境 • 软件管理面与数据面分离，分别绑定到足够的CPU核 心上，避免相互干扰； • 软件进程绑定CPU核心，减少操作系统的调度抖动； • 更多核可设置更多独立队列，降低噪声； OS资源预留 更多核避免 任务间干扰 24 ARM多核高并发架构完美匹配大数据负载应用特征 高并发、横向扩展是其主要特征 M/R是大数据的基础平台，通过对海 量数据进行切分交由多个任务并发处 理，进而提高数据处理效率 25 CPU 硬件规格 X86 E5-2640v4 核数：10核 主频：2.4GHz 功耗：90W 超线程总数：40 -Map任务数：20 -Reduce任务数：16 -其他任务：4 ARM Hi1616 核数：32核 主频：2.4GHz 功耗：85W 物理核总数：64 -Map任务数：34 -Reduce任务数：26 -其他任务：4 双路服务器M/R并发度 采用ARM架构，更多的物理核数可以提高大数据应 用任务并发度，获得更好的性能 ARM原生：移动业务上云，超过99%应用基于ARM架构原生开发 2017年3月份数据 2017年1月份数据 2,792,938 Android Apps 90%以上的移动设备内置ARM 安卓应 用市场 + 苹果应 用市场 2,200,000 iOS Apps 99%以上的移动应用为ARM原生应用 Worldwide Smart Device OS Market Share (Share in Unit Shipments) 2017Q1 2016Q4 2016Q3 2016Q2 2016Q1 Source：IDC May 2017 Source: ARM 26 Android iOS Windows Phone Others ARM原生：采用ARM服务器平台具备同构优势，性能4倍以上于x86 苹果应 用市场 安卓应 用市场 ARM原生应用迁 云化 移到云上运行 500万ARM Native Apps 二进制直 接迁移上 云 • • • 应用100% 兼容 百万级应用，调用的库很多只有二进制， 无法获取源码（32位和64位） 即使有源代码，全部重新编译难度大、效 率低、可操作性差 应用对性能有要求时，会调用C++库函 数（如Android NDK） • 指令翻译导致性能大幅下降（原因：实时 翻译、指令集差异） 27 指令翻译器 Android仿真器 Android 仿真器 VM/Docker VM/Docker x86 平台 ARM 平台 异构指令集、低效 同一指令集、高效 原生BYOD场景：基于移动瘦终端的移动办公，信息更安全 移动办公，只需一个APP BYOD App 企业IT应用上云 Remote Display Protocol ARM based Cloud Data Center 更多的移动终端平台 更直观的在线预览 28 更完美的协同功能 更安全的数据保护 原生游戏云场景：典型业务上云场景，创造新的商业模式 Step 2 Step 1 Cloud Gaming APP Install a Unique APP Gaming Cloud Step 3 29 应用预览 • 无需下载即可体验 • 即用即抛 社交体验 • 游戏分享 • 多人协同 用户数据产生价值 • 精准广告推送 • 无内购订阅模式提升忠诚度 应用开发更加高效灵活 • 一次开发支持安卓和iOS • 快速上线推广 • 桌面游戏手游化 原生终端仿真场景：原生开发、测试和仿真环境，提高开发效率 无需真实终端设备，即可开始应用开发 真机测试 方案 和测试 测试执行机 X86 Server … 真机农场 • 终端代次更迭频率<1年 • 应用开发周期18个星期，平均生 命周期10个月 测试执行云 模拟仿真 方案 模拟被测试机 • 测试效率是提高新终端的应用兼容 性测试覆盖率关键因素（百万级应 vDevice 用，50%覆盖率） • 模拟终端可以减少人工干预，提高 测试自动化程度 30 谢谢！ 31