Arm凭啥成为移动芯片霸主？

来源：内容由半导体行业观察（icbank）编译自「Techshop」，谢谢。

每当您想到移动计算硬件时，Arm就有可能成为第一个想到的公司，或者应该是。尽管从历史上看，英特尔一直被公认为是芯片制造领域的领导者-直到今天仍然如此-多年来，Arm逐渐步入了一个利基市场，最终达到了一个拐点，在那里，计算设备不再需要更快，但他们需要更加高效和便携。
几乎所有主要的发布都建立在其架构之上，这就是为什么Arm在移动处理器市场上占据主导地位。我们正在谈论在嵌入式应用程序，生物识别系统，智能电视，iPhone，笔记本电脑和平板电脑上使用的数十亿芯片。但是，为什么会这样呢？为什么像x86之类的其他体系结构无法发挥作用呢？在本文中，我们将为您提供Arm的概念，它的起源以及为什么它如此流行的技术概述。
首先要注意的是，Arm实际上并没有制造处理器。取而代之的是，他们设计CPU的体系结构，并将这些设计授权给其他公司，例如将其纳入其处理器的高通公司或三星公司。由于它们都使用通用标准，因此在Qualcomm Snapdragon处理器上运行的代码也将在Samsung Exynos处理器上运行。
什么是ISA（指令集体系结构）？
每个计算机芯片都需要一个ISA才能起作用，而这正是Arm所代表的。要详细了解CPU在内部的工作方式，必须阅读我们的CPU设计系列。解释Arm的第一步是了解ISA的确切含义。
它不是像高速缓存或内核那样的物理组件，而是定义了处理器各个方面的工作方式。这包括诸如芯片可以处理哪种类型的指令，应该如何格式化输入和输出数据，处理器如何与RAM交互等等。另一种思考的方式是，ISA是一组规范，而CPU是这些规范的实现。这是CPU如何工作的蓝图。
例如，ISA使用64位模型指定每条数据的大小，而最现代的数据则由ISA指定。虽然所有处理器都执行读取指令，执行这些指令并根据结果更新其状态的三个基本功能，但不同的ISA可能会进一步分解这些步骤。诸如x86之类的复杂ISA通常会将此过程分为数十个较小的操作，以提高吞吐量。ISA还指定了其他任务，例如条件指令的分支预测和预取将来的数据。
除了定义处理器的微体系结构之外，ISA还可以指定一组可以处理的指令。指令是CPU在每个周期执行的内容，由编译器产生。指令的类型很多，例如存储器读/写，算术运算，分支/跳转运算等等。一个示例可能是“将内存地址1的内容添加到内存地址2的内容并将结果存储在内存地址3中”。
每个指令的长度通常为32或64位，并具有多个字段。最重要的是操作码，它告诉处理器它是哪种特定类型的指令。一旦处理器知道下一步要执行的指令类型，它将获取该操作所需的相关数据。数据的位置和类型将在操作码的另一部分给出。这是一些指向Arm和x86操作码列表的链接。
RISC与CISC
既然我们对ISA是什么和做什么有了一个基本的了解，让我们开始研究什么使Arm特别。最重要的功能是Arm是RISC（精简指令集计算）体系结构，而x86是CISC（复杂指令集计算）体系结构。这是处理器设计的两个主要范例，各有千秋。
使用RISC架构，每条指令直接指定CPU要执行的动作，并且它们是相对基本的。另一方面，CISC体系结构中的指令更复杂，并且为CPU指定了更广泛的概念。这意味着CISC CPU通常会将每个指令进一步细分为一系列微操作。CISC体系结构可以将更多细节编码为一条指令，从而可以大大提高性能。例如，根据数据类型和其他计算参数，RISC体系结构可能仅包含一个或两个“添加”指令，而CISC体系结构可能具有20个指令。RISC和CISC之间的更详细比较可以在此处找到。


另一种看待它的方法是将其与盖房子进行比较。使用RISC系统，您只有一个基本的锤子和锯子，而使用CISC系统，则有许多不同类型的锤子，锯子，钻子等等。使用类似CISC的系统的构建者将能够完成更多的工作，因为他们的工具更加专业和强大。RISC构建器仍然可以完成工作，但是会花费更长的时间，因为他们的工具更加基础且功能更弱。
您现在可能会想：“如果CISC系统功能强大得多，为什么会有人使用RISC系统？” 性能并不是唯一要考虑的问题。我们的CISC建设者必须雇用大量额外的人力，因为每种工具都需要专门的技能。这意味着工作现场要复杂得多，需要大量的计划和组织。由于所有这些工具可能使用不同类型的材料，因此管理所有这些工具的成本也高得多。我们的RISC朋友不必担心，因为他们的基本工具可以处理任何事情。
房屋设计师可以选择如何建造房屋。他们可以为我们的RISC构建器创建简单的计划，也可以为我们的CISC构建器创建更复杂的计划。起始思路和最终产品将相同，但中间的工作将有所不同。在此示例中，家庭设计师等效于编译器。它以程序员（家庭设计师）产生的输入代码（家庭图纸）为输入，并根据偏好的样式输出一组指令（建筑计划）。这使程序员可以为Arm CPU和x86 CPU编译相同的程序，即使指令的结果列表有很大的不同。
我们需要更少的功耗
让我们再次回到Arm。如果您一直在胡思乱想，那么您可能会猜出是什么使Arm如此吸引移动系统设计人员。这里的关键是效率。在嵌入式或移动方案中，效率远比性能重要。在电池技术得到改善之前，热量和功耗将仍然是设计移动产品时的主要限制因素。这就是为什么我们在手机中不会使用与台式机一样的处理器的原因。当然，它们比移动芯片快几个数量级，但如果在手机中使用这类处理器，您的手机就会变得太烫而无法握持，并且电池只能使用几分钟。高端台式机x86 CPU可能在负载下消耗200瓦，而移动处理器将在2到3瓦。
您当然可以制造功率较低的x86 CPU，但CISC范例最适合功能更强大的芯片。这就是为什么您不经常在台式机中看到Arm芯片或在电话中看到x86芯片的原因。他们不是为此而设计的。为什么Arm能够实现如此高的能效？一切都归结为它的RISC设计和体系结构的复杂性。由于不需要处理多种类型的指令，因此内部体系结构也可以更加简单。管理RISC处理器的开销也更少。
这些都直接转化为节能。更简单的设计意味着更多的晶体管可以直接为性能做出贡献，而不是被用来管理架构的其他部分。与给定的x86芯片相比，给定的Arm芯片不能处理那么多类型的指令，也不能像给定的x86芯片那样快速地处理指令，但这可以弥补这一点。
Arm带来的另一个关键功能
Arm带来的另一个关键功能是big.LITTLE异构计算体系结构。这种类型的设计在同一芯片上具有两个配套处理器。一个将是一个低功耗内核，而另一个将是一个功能更强大的内核。该芯片将分析系统利用率，以确定激活哪个内核。在其他情况下，如果编译器知道即将执行计算密集型任务，则可以告诉芯片启动功能更强大的内核。
如果设备处于空闲状态或仅在运行基本计算，则低功耗（LITTLE）内核将打开，而功能更强大的（big）内核将关闭。Arm表示，这可以节省多达75％的功率。尽管传统的台式机CPU在负载较小的情况下肯定会降低其功耗，但某些部件永远都不会关闭。由于Arm具有完全关闭内核的能力，因此它明显胜过竞争对手。
处理器设计始终是过程中每个步骤的一系列权衡。Arm全力投入RISC架构，并且获得了丰厚的回报。早在2010年，他们在手机处理器上就拥有95％的市场份额。随着其他公司试图进入该市场，这一数字略有下降，但是仍然没有可以与之匹敌的对手。
授权和广泛使用
Arm的业务授权方法是其市场主导地位的另一个原因。在物理上构建芯片非常困难且昂贵，因此Arm不会这样做。这使他们的产品更加灵活和可定制。
根据使用情况，被授权方可以选择所需的功能，然后让Arm为他们选择最佳的芯片类型。客户还可以设计自己的专有芯片，并仅实现某些Arm指令集。该高科技公司的名单使用Arm的架构是太大，不适合这里，但仅举几例：苹果，NVIDIA，三星，AMD，博通，富士通，亚马逊，华为和高通都采用Arm技术的一些能力。


除了为智能手机（掌上电脑）供电外，Microsoft还在推动其Surface和其他轻型设备的体系结构。一年多以前，我们对Arm上的Windows 10进行了完整的评论，尽管这一努力尚未使OS达到终点，但此后我们看到了诸如Surface Pro X之类的更新更好的计划。长期以来，一直有传言称苹果将MacOS引入Arm，以便我们可以拥有与手机一样高效的笔记本电脑。
即使在数据中心中，多年来，Arm的承诺主要还是关于节电-当您谈论成千上万的服务器时，这是一个关键因素。但是，最近他们在大型计算设备上获得了更多采用，这些设备旨在提供比Intel和AMD现有解决方案更强大的性能。坦白说，这不是很多人期望的那么快发生的事情。


Arm还建立了可以在其体系结构上运行的大型补充知识产权（IP）生态系统。这包括加速器，编码器/解码器和媒体处理器之类的东西，客户都可以购买授权权以在其产品中使用。
Arm还是绝大多数IoT设备的首选架构。亚马逊的Echo和Google Home Mini均在Arm Cortex处理器上运行。它们已成为事实上的标准，在设计移动电子产品时，您确实有理由不使用Arm处理器。
可以将所有这些整合到一个芯片中吗？
除了其中央ISA业务部门之外，Arm还扩展到了片上系统（SoC）空间。随着空间和功耗要求越来越严格，移动计算市场已转向更加集成的设计方法。CPU和SoC有许多相似之处，但是SoC实际上是下一代移动计算。
片上系统将许多不同的组件组合到一个芯片上，以提高效率。想象一下将整个台式机主板缩小为一个芯片，这就是SoC。它通常具有CPU，图形处理器，内存，外围控制器，电源管理，网络和一些加速器。在采用这种设计之前，系统需要为每个功能使用一块单独的芯片。芯片之间的通信速度可能比同一芯片上的内部连接慢10到100倍，并且消耗的功率多10到100倍。这就是移动市场如此强烈地接受这一概念的原因。


基于Arm的Qualcomm SoC包含了许多功能
显然，SoC不适用于每种类型的系统。您看不到台式机或带有SoC的主流笔记本电脑，因为在单个芯片中可以装载多少东西是有限制的。您不可能将整个离散GPU的功能，足够数量的RAM和所有必需的互连都安装在单个芯片上。就像RISC范例一样，SoC非常适合低功耗设计，而不适用于高性能设计。
到目前为止，您已经对为什么Arm在移动处理器市场中如此占主导地位的原因有了了解。他们的RISC ISA模型允许他们将计划授权给芯片制造商。通过使用RISC模型，它们可以使性能的功率效率最大化。在移动计算方面，他们是大师。