ARM 架構(gòu)演進(jìn)對(duì)未來(lái)計(jì)算意味著什么？

tu324 2019-08-17

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作者 | Sridhar G Kumar

譯者 | 姜松浩，責(zé)編 | 屠敏

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

以下為譯文：

最近，伴隨著具有強(qiáng)大計(jì)算能力的設(shè)備的出現(xiàn)，我們經(jīng)常可以聽(tīng)到的一個(gè)常見(jiàn)的名字——ARM。這些具有強(qiáng)大計(jì)算能力的設(shè)備的“大腦”（處理器）就基于ARM架構(gòu)，在我們真正討論它為未來(lái)計(jì)算設(shè)備帶來(lái)的好處之前，讓我們看看它到底是什么，以及它與其他替代形式的計(jì)算處理器有何不同今天使用。

ARM處理器

ARM，以前稱為高級(jí)RISC機(jī)器，它是一個(gè)用于計(jì)算機(jī)處理器的RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算）架構(gòu)系列，它適用于各種環(huán)境。Arm Holdings（全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)提供商）開(kāi)發(fā)該架構(gòu)并將其授權(quán)給其他公司，如Apple，Qualcomm等，他們?cè)O(shè)計(jì)自己的產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)其中一種架構(gòu) - 包括片上系統(tǒng)（SoC）和模塊化系統(tǒng)（SoM）。它還集成了內(nèi)存、接口、無(wú)線電等。ARM還設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)該指令集的內(nèi)核，并將這些設(shè)計(jì)許可授權(quán)給許多將這些內(nèi)核設(shè)計(jì)融入自己產(chǎn)品的公司。然后將這些產(chǎn)品與其他組件一起并入設(shè)備中，以形成我們作為消費(fèi)者購(gòu)買的最終用戶設(shè)備。

具有RISC架構(gòu)的ARM處理器通常比具有復(fù)雜指令集計(jì)算（CISC）架構(gòu)的處理器（例如來(lái)自大多數(shù)個(gè)人計(jì)算機(jī)中的Intel，AMD等制造商的x86處理器）需要更少的晶體管，這提高了成本、功耗和散熱。這些特性適用于輕便、便攜、電池供電的設(shè)備，包括智能手機(jī)和平板電腦，以及其他嵌入式系統(tǒng)。即使對(duì)于消耗大量電力的超級(jí)計(jì)算機(jī)，ARM也可以成為一種可行的節(jié)能解決方案。

RISC與CISC

RISC和CISC在當(dāng)今世界的計(jì)算設(shè)備中廣泛使用。為了真正了解哪些更適合我們的計(jì)算需求，需要更深入地了解它們中的每一個(gè)。一般而言，RISC被許多人視為對(duì)CISC的改進(jìn)。這是因?yàn)镃ISC是最初的ISA（一種指令集架構(gòu)），因?yàn)镽ISC是在20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的重新設(shè)計(jì)的ISA。

沒(méi)有最好的架構(gòu)，因?yàn)椴煌募軜?gòu)在某些情況下可以表現(xiàn)得很好，但在其他情況下卻不太理想?；赗ISC的機(jī)器每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。CISC機(jī)器可以具有特殊指令以及執(zhí)行多個(gè)周期的指令。這意味著在CISC體系結(jié)構(gòu)上執(zhí)行的相同指令可能需要在RISC機(jī)器上執(zhí)行多條指令。RISC架構(gòu)需要比CISC更多的工作RAM（內(nèi)存）來(lái)保存，因?yàn)樗枰虞d每條指令、對(duì)其執(zhí)行操作、然后加載下一條指令。

CISC架構(gòu)可以執(zhí)行一個(gè)更復(fù)雜的指令，它可以直接在內(nèi)存上同時(shí)執(zhí)行相同的操作。因此，RISC架構(gòu)需要更多RAM，但每個(gè)時(shí)鐘周期總是執(zhí)行一條指令以進(jìn)行可預(yù)測(cè)的處理，這對(duì)于流水線操作非常有用。RISC和CISC之間的主要區(qū)別之一是RISC強(qiáng)調(diào)每個(gè)指令的周期效率，而CISC強(qiáng)調(diào)每個(gè)程序的指令效率?？焖偬幚砥魅Q于執(zhí)行每個(gè)時(shí)鐘周期所需的時(shí)間、執(zhí)行指令所需的周期數(shù)以及每個(gè)程序中的指令數(shù)。RISC強(qiáng)調(diào)更大的程序代碼量（由于較小的指令集，因此連續(xù)完成的多個(gè)步驟可能等同于CISC中的一個(gè)步驟）。借助以下公式，通常用于表達(dá)計(jì)算機(jī)性能的性能方程，可以更好地可視化：

績(jī)效計(jì)算方程

CISC方法試圖通過(guò)犧牲每個(gè)指令的周期數(shù)的方式，來(lái)最小化每個(gè)程序的指令數(shù)量。而RISC則正好相反，以每個(gè)程序的指令數(shù)量為代價(jià)減少每條指令的周期。

RISC ISA強(qiáng)調(diào)的是軟件而不是硬件。RISC指令集要求用更少的指令編寫更有效的軟件（例如編譯器或代碼）。CISC ISA在硬件中使用更多晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)更多指令，甚至更復(fù)雜的指令。

RISC需要更多的RAM，而CISC則強(qiáng)調(diào)較小的代碼大小，并且使用的RAM總量比RISC少。如今，許多微處理器都具有類似RISC和CISC的屬性，例如類似CISC的ISA，它將指令看作是一串RISC類指令。

ARM的優(yōu)點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)

簡(jiǎn)而言之，基于RISC的ARM架構(gòu)不需要攜帶CISC處理器所包含的大量“包裹”來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的指令。雖然像英特爾這樣的公司已經(jīng)在其處理器的設(shè)計(jì)上投入了大量資金，所以今天它們包括先進(jìn)的超標(biāo)量指令流水線，所有這些邏輯意味著芯片上的晶體管更多，更多的晶體管也就意味著更多的能源使用。高端英特爾芯片的性能非常出色，但高端處理器的最大TDP（熱設(shè)計(jì)功耗）為130W（瓦）。基于ARM的最高性能移動(dòng)芯片的功耗不到4W，通常要低得多。

這種低功耗是ARM如此特殊的原因，它不會(huì)嘗試創(chuàng)建130W的處理器，甚至不能創(chuàng)建60W或20W。該公司只對(duì)設(shè)計(jì)低功耗處理器感興趣。多年來(lái)，ARM通過(guò)改進(jìn)微架構(gòu)設(shè)計(jì)提高了處理器的性能，但目標(biāo)功率預(yù)算能夠基本保持不變。一般而言，你可以按如下方式分解ARM SoC（片上系統(tǒng)，包括CPU，GPU和MMU等）的TDP，如下所示：多核CPU群集的最大預(yù)算為2瓦，GPU大約2瓦特，MMU和其余的SoC大約為0.5瓦。如果CPU是多核設(shè)計(jì)，那么每個(gè)核大約會(huì)使用600到750毫瓦。

這些都是非常通用的數(shù)字，因?yàn)锳RM生成的每個(gè)設(shè)計(jì)都有不同的特征。ARM的第一款Cortex-A處理器是Cortex-A8。它僅適用于單核配置，但它仍然是一種流行的設(shè)計(jì)，可以在少數(shù)設(shè)備中找到。接下來(lái)是Cortex-A9處理器，它帶來(lái)了速度提升以及雙核和四核配置的能力。接下來(lái)是Cortex-A5核心，它實(shí)際上比Cortex-A8和A9慢（每個(gè)核心），但功耗更低，制造成本更低。它專為入門級(jí)智能手機(jī)等低端多核應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

在性能表現(xiàn)的另一端，Cortex-A15處理器，它是ARM最快的32位設(shè)計(jì)。它幾乎是Cortex-A9處理器的兩倍，但所有超出的性能優(yōu)勢(shì)也意味著它使用了更多的功率。在實(shí)現(xiàn)2Ghz及更高時(shí)鐘頻率的競(jìng)爭(zhēng)中，ARM的許多合作伙伴將Cortex-A15核心設(shè)計(jì)推向了極限。因此，Cortex-A15處理器確實(shí)可以稱得上電池殺手的稱號(hào)。盡管，這可能有點(diǎn)不公平。然而，為了彌補(bǔ)Cortex-A15處理器更高的功耗預(yù)算，ARM發(fā)布了Cortex-A7內(nèi)核和big.LITTLE架構(gòu)。

Cortex-A7處理器比Cortex-A9處理器慢，但比Cortex-A5處理器更快。然而，它的功率預(yù)算類似于其低端兄弟Cortex-A5。Cortex-A7內(nèi)核與big.LITTLE配置中的Cortex-A15結(jié)合使用時(shí)，SoC可以在執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)時(shí)使用低功耗Cortex-A7內(nèi)核，并在重負(fù)載的時(shí)候切換到Cortex-A15內(nèi)核。這種設(shè)計(jì)結(jié)果，可以節(jié)省電池同時(shí)提供最佳性能。可以在下圖中看到此配置的簡(jiǎn)單說(shuō)明。

big.LITTLE架構(gòu)

ARM還具有64位處理器設(shè)計(jì)。Cortex-A53是ARM的64位節(jié)能設(shè)計(jì)。它不會(huì)有破紀(jì)錄的性能，但它是ARM有史以來(lái)最高效的應(yīng)用處理器。它也是世界上最小的64位處理器。它的更大的兄弟，Cortex-A57，是一個(gè)不同的野獸。它是ARM最先進(jìn)的設(shè)計(jì)，具有ARM所有Cortex處理器中最高的單線程性能。ARM的合作伙伴很可能會(huì)發(fā)布基于A53、A57的芯片，并將兩者結(jié)合使用。

處理器兩種不同的模式，32位模式和64位模式，ARM有一種可以將計(jì)算從32位遷移到64位的處理方法。處理器可以在運(yùn)行時(shí)在這兩種模式之間切換，必要時(shí)運(yùn)行32位代碼或64位代碼。這意味著解碼并開(kāi)始執(zhí)行64位代碼的芯片與32位芯片分開(kāi)（盡管存在重用部分，這樣可以節(jié)省面積）。這意味著64位邏輯是隔離的、干凈的且相對(duì)簡(jiǎn)單的。64位邏輯不需要嘗試?yán)斫?2位代碼并找出在每種情況下執(zhí)行它的最佳方法。這將需要更復(fù)雜的指令解碼器。這些領(lǐng)域的復(fù)雜性通常意味著需要更多的能源。

ARM 64位處理器的一個(gè)非常重要的方面是它們不會(huì)比32位處理器使用更多功率。ARM已經(jīng)成功地從32位升級(jí)到64位，但仍在其自定的能源預(yù)算范圍之內(nèi)。在某些情況下，新系列的64位處理器實(shí)際上比上一代32位ARM處理器更節(jié)能。這主要是由于內(nèi)部數(shù)據(jù)寬度（從32位到64位）的增加以及ARMv8架構(gòu)中額外的內(nèi)部寄存器的增加。64位內(nèi)核可以更快地執(zhí)行某些任務(wù)，這意味著它可以更快地關(guān)閉電源，從而節(jié)省電池壽命。

big.LITTLE架構(gòu)最強(qiáng)大的使用模型是異構(gòu)多處理（HMP），它允許同時(shí)使用所有物理核心。在這種情況下，具有高優(yōu)先級(jí)或計(jì)算強(qiáng)度的線程可以被分配給“big”核，而具有較低優(yōu)先級(jí)或較低計(jì)算強(qiáng)度的線程（例如后臺(tái)任務(wù)）可以由“LITTLE”核執(zhí)行。此型號(hào)已在三星Exynos中實(shí)施，從Exynos 5 Octa系列開(kāi)始，Apple移動(dòng)應(yīng)用處理器從Apple A11開(kāi)始使用此型號(hào)。

這也是軟件發(fā)揮作用的地方。big.LITTLE處理技術(shù)依賴于操作系統(tǒng)對(duì)它是異構(gòu)處理器的理解。這意味著操作系統(tǒng)需要了解一些核心比其他核心慢。到目前為止，處理器設(shè)計(jì)通常還沒(méi)有出現(xiàn)這種情況。如果操作系統(tǒng)想要執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，那么它將把它分發(fā)給任何核心，因?yàn)樗鼈兌季哂邢嗤男阅芗?jí)別。big.little使用特定的內(nèi)核調(diào)度程序，它了解big.little處理器配置的異類性質(zhì)，并決定每個(gè)進(jìn)程/線程的執(zhí)行位置。在將來(lái)，這個(gè)調(diào)度器可以進(jìn)一步優(yōu)化，以考慮到諸如核心的當(dāng)前運(yùn)行溫度或工作電壓等因素。

傳統(tǒng)計(jì)算中的ARM

盡管ARM在移動(dòng)設(shè)備中具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，但大多數(shù)筆記本電腦和計(jì)算機(jī)，即對(duì)我們的工作流程至關(guān)重要的設(shè)備都使用基于CISC的處理器。但是最近我們看到了這種趨勢(shì)的變化以及更多的基于ARM的PC處理器涌入。2017年底，高通和微軟宣布推出首款采用基于ARM處理器的Windows 10設(shè)備?；萜?、華碩和聯(lián)想都推出了采用高通Snapdragon 835處理器的筆記本電腦。ARM上的Windows 10重新啟動(dòng)了微軟此前試圖將移動(dòng)處理器與完整筆記本電腦體驗(yàn)結(jié)合的嘗試。與迄今為止存在的基于Intel的x86計(jì)算機(jī)相比，它有望提供更好的電源效率、可靠的性能和始終在線的連接。對(duì)于這些ARM設(shè)備，Qualcomm擁有長(zhǎng)達(dá)25小時(shí)的電池續(xù)航時(shí)間，以及與英特爾計(jì)算機(jī)相媲美的即時(shí)開(kāi)機(jī)和性能。它還表示，內(nèi)置的LTE連接將提供比其他可用的配備LTE的Windows 10計(jì)算機(jī)更快的速度。此外，微軟在過(guò)去幾年中不斷改進(jìn)對(duì)ARM芯片的Windows支持，其即將推出的與架構(gòu)無(wú)關(guān)的Lite操作系統(tǒng)更證明了微軟對(duì)市場(chǎng)上更多的ARM驅(qū)動(dòng)的筆記本電腦的重視程度。

據(jù)報(bào)道，最近英特爾官員和開(kāi)發(fā)人員告訴Axios，Apple正準(zhǔn)備明年推出基于ARM的Macbook。來(lái)自于彭博社的一篇報(bào)道稱，蘋果計(jì)劃在2021年將iOS和macOS應(yīng)用程序結(jié)合起來(lái)。有傳言稱蘋果未來(lái)幾年將把MacBook筆記本電腦轉(zhuǎn)換為自己的ARM處理器。但是，以前ARM芯片沒(méi)有足夠的性能來(lái)更加完善運(yùn)行的桌面應(yīng)用程序。彭博社的這份報(bào)告重申，運(yùn)行在ARM上的Mac可能會(huì)在2020年到貨。Axios的報(bào)告似乎證實(shí)了這一說(shuō)法，并引用了“開(kāi)發(fā)者和英特爾官員”的觀點(diǎn)。然而，除了這些報(bào)道，隨著2015年iPad Pro的發(fā)布，Apple表明其ARM芯片現(xiàn)在可以處理“PC級(jí)”應(yīng)用程序。自2015年以來(lái)，Apple的芯片變得越來(lái)越強(qiáng)大，與英特爾的CPU產(chǎn)品相比，每代產(chǎn)品的性能都要強(qiáng)大得多。蘋果傳統(tǒng)上更傾向于對(duì)其設(shè)備的核心組件進(jìn)行更多控制，如果有能力的話，那么蘋果最終希望MacBook能夠使用支持iOS設(shè)備的相同（或升級(jí)）芯片。

最后一個(gè)難題是將x86 macOS程序轉(zhuǎn)換到ARM指令集架構(gòu)。從去年開(kāi)始，我們就聽(tīng)說(shuō)Apple正在開(kāi)發(fā)一個(gè)名為“Marzipan”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目允許開(kāi)發(fā)人員對(duì)其應(yīng)用程序進(jìn)行一次編碼，并使其在iOS設(shè)備和macOS計(jì)算機(jī)上都能正常工作。幾天前，Apple宣布在其年度開(kāi)發(fā)者大會(huì)上發(fā)布第一版必備軟件套件。首先，Apple將允許開(kāi)發(fā)人員僅將iPad應(yīng)用程序移植到Mac，因?yàn)閕Pad應(yīng)用程序在功能和用戶體驗(yàn)方面更接近macOS應(yīng)用程序。最早的時(shí)候，開(kāi)發(fā)人員必須提交兩個(gè)不同版本的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序?yàn)槊總€(gè)平臺(tái)優(yōu)化了用戶界面，但底層代碼卻保持不變。

到2020年，Apple的Marzipan軟件套件也有望允許開(kāi)發(fā)人員將他們的iPhone應(yīng)用程序移植到Mac上。Apple工程師發(fā)現(xiàn)將專為小屏幕設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序移植到桌面上具有挑戰(zhàn)性，這就是為什么需要更長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。到2021年，第三方應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員將能夠創(chuàng)建一個(gè)可在iOS設(shè)備和macOS計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的“單個(gè)二進(jìn)制文件”。據(jù)推測(cè)，它們?cè)诿總€(gè)外形尺寸上仍然具有不同的用戶界面，但它們要么更加流暢的適應(yīng)屏幕尺寸，要么開(kāi)發(fā)人員必須在每個(gè)二進(jìn)制文件中包含不同的用戶界面。

ARM及其合作伙伴也為服務(wù)器市場(chǎng)發(fā)布了重要聲明，他們打算以更強(qiáng)大的Neoverse N1和該芯片的其他變體為目標(biāo)。最大的公共云服務(wù)提供商亞馬遜甚至已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)自己的ARM CPU，很快也可能會(huì)升級(jí)到基于N1的處理器。即使谷歌在Chrome OS上一直缺乏支持ARM，盡管操作系統(tǒng)從第一天開(kāi)始就與該架構(gòu)無(wú)關(guān)，但似乎谷歌也正在努力將Snapdragon平臺(tái)引入一些Chromebook，這反過(guò)來(lái)又可以在Chromebook上實(shí)現(xiàn)原生Android應(yīng)用程序的更好功能和可用性。但是，最初只支持Snapdragon 845，因?yàn)樵摴鞠Ｍ麑⒏阋说腃hromebook推向市場(chǎng)。另一個(gè)問(wèn)題似乎是高通寧愿將Snapdragon 8cx放入價(jià)格在500美元以上的Chromebook中，這可能意味著原始設(shè)備制造商將能夠?yàn)?cx支付更高的價(jià)格。這也可能導(dǎo)致市場(chǎng)上出現(xiàn)高端Chromebook。

總之，隨著ARM架構(gòu)和半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)于改進(jìn)的7nm光刻工藝以及投資于ARM設(shè)備開(kāi)發(fā)的領(lǐng)先制造商等的進(jìn)步，我們可以期待一系列新的令人興奮的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。有了這個(gè)發(fā)展方向的預(yù)期，我們作為消費(fèi)者，我們可以期望未來(lái)的計(jì)算設(shè)備能夠?yàn)槲覀兲峁┳吭降男阅芎透咝?，并讓我們將更多的時(shí)間投入到我們最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域：創(chuàng)造力和創(chuàng)新。

原文：https:///@sridhargkumar11/advances-in-arm-what-it-could-mean-to-the-future-of-computing-2e76417bbfe7

本文為CSDN翻譯，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源出處。

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