狗眼看芯片之ARM

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A指的是Application Processor，以前专指移动处理器，后来又扩展到服务器和网络处理器领域。R指Real Time，主要用于汽车，控制，固态硬盘，调制解调器等实时性需求较强的领域。M指MCU，一看名字就知道是微控制器

A系列是ARM扬名立万的本钱，没有A系列，ARM也就是个高级8051的水平。ARM把A系列按照每赫兹功耗分为三等，低端的代表如A7和新出的A35/A32，运行在几百兆赫兹，功耗几十毫瓦，适合手表和超低端手机。中端的代表如A53，作为大小核中的小核，运行在1-2Ghz，功耗3百毫瓦以下.当然也有人把它当大核用，功耗500毫瓦以上。再往上就比较丰富，A57是个相对较差的作品，再往后的A72，A73都达到了预期目的，运行在2Ghz以上，500豪瓦左右的功耗。在ARM的计划里，每年提升20%的每赫兹性能，2018年底会出一款单核性能和Intel x86抗衡的处理器，节点在7nm甚至5nm上

，台积电的7nm上的最高频率和16nm也没差多少，加压到3Ghz了不起了，而x86现在就快到4Ghz了

目前看来，通过增加发射宽度，把二级缓存放到核内，优化一级缓存命中，使用数据缓存vipt，还是可以在线性提升功耗的前提下提升性能。但是 ARM设计的哪怕最高端的处理器，也是把手机作为应用目标的，所以在功耗上不会很激进，单核一瓦都不会到

R系列芯如其名，所有的设计都往实时性靠拢。可能有人对实时性有误解，以为实时性就是性能高，响应快，这是不完全的。硬实时性指的是，任何运算和处理，都在确定的较短时间内完成。按照这个理念，虚地址是不适合的

必须使用绑定核的专有片上内存，才能保证几十个时钟周期内一定让中断得到处理。其它的措施，比如所有内部总线和缓存加入校验，采用双核冗余处理，都是R系列的特点。汽车和自动控制是R系列的典型应用。

R系列的趋势是实现虚拟化，这是汽车电子公司提出的要求，初看挺奇葩，但是ARM的解释是，当初如果先有虚拟化，那么就不会有trustzone了。在实地址下，虚拟化效率更高，因为A系列的虚拟化可能需要查20次页表才能找到最终实地址，而R系列3-6次就可以，还可以把页表放在片上内存，那就不存在延迟不可控一说了。所以R系列上的安全可以通过实地址虚拟化来实现。
http://baike.baidu.com/link?url=pkWw_5FdhTTkc1X7rMzxWnY3CYwEHODsfgew6pZYVAlgo-ErBkpACbuKL6NprXML90KMmWvcuMF3SJSO4u_mTa trustzone

M系列应用太广，目前比较火的智能硬件和物联网基本都用它，去年出货量60亿片，不过ARM在上面估计连1亿美元版税都没收到。它的特点是芯片面积小，功耗极低，做的好一个电池板用几年都可以。当然，也有M7这种奇葩型的MCU，运算能力超A7甚至A53，自带缓存，目前用于无人机控制等对计算能力和实时性要求都高的地方。MCU上的趋势也是安全，物联网的基本需求。当然，由于芯片面积本来就小，不适合用虚拟化实现，还是用的老的trustzone的简化版比较现实

除了处理器RTL授权，ARM还可以指令集授权。这个话题一直被人津津乐道。目前的客户包括苹果，高通，博通，Cavium，海思，展讯等等。ARM其实是把指令集授权客户看成潜在的威胁的，所以不仅售价高（几千万美元也不稀奇），而且还有时间和行业限制，过个三五年又得重新买

在服务器市场，ARM和Intel的情况完全反转。ARM苦于没有真正的芯片做生态软件优化，而芯片厂商也苦于没有像手机那样成熟的软件，一切都要自己来。想想当初Intel为了打入手机市场硬是在二进制文件层面做指令翻译，如今ARM面对的问题也没好到哪去。服务器和网络不像手机，随随便便可以死机重启，哪怕芯片没问题，软件移植的不好，或者各家ARM指令集的芯片在软件稳定性上表现不一致，那么在互联网生产环境是没人敢大量使用的。所以这个市场上的生态更难打破

别的小一些的市场，网络处理器，全球一共20亿美元，ARM也是大势所趋了。曾经占统治地位的MIPS和PowerPC，以后只会出现在一些低端网络设备上。还有个应用就是2/3/4G调制解调器，这个市场其实很大，手机离不开它。R系列在这里用的挺多，不过作为协议控制，用A系列也可以，也确实有人这么做。另外一个是存储控制器，包括机械和固态硬盘控制，MIPS和tensilica占着一点空间，还有一个后起之秀，那就是Synopsys的ARC处理器。凭借着EDA软件搭卖处理器，在ARM没有生态优势的市场确实挺有吸引力。作为数据中心里计算，存储，网络三大块之一，存储倒是可以和网络结合，在单芯片上集成以太网和ONFI接口，运行Linux及其开源软件，Ceph之类的，把以前需要服务器加网卡加SSD阵列的网络节点整个替换掉。由于软件单一，优化相对容易，加上高能效低成本，也许能从这个角度打开服务器和数据中心的市场。

图形处理器其实比处理器更代表着未来。他们的主要区别是CPU一条指令仅仅对应有限的一次或者几次数据访问，然后指令与指令间存在着大量相对随机的跳转和数据读取。而GPU一条指令可能需要成百上千次数据读取，并且顺序排列

桌面GPU利用高带宽，将顺序访问发挥到极致。但是他并不在缓存存储中间结果，而是写到内存。ARM的移动GPU，是所谓的tile based GPU，读取一定量的数据后，会在缓存进行操作。从而省掉了很多带宽，看上去更省电。

http://www.wtoutiao.com/a/2360464.html   PowerVR GPU tile-based渲染技术介绍 tile based GP

如果一个芯片公司想做手机芯片，那么GPU的选择只有ARM和IMG，其余vivante之类的都是坑，海思和飞思卡尔都吃过亏。如果使用了Atom或者MIPS做CPU，那最好别选ARM MALI，否则没人支持兼容问题。GPU的某些命令是需要CPU指令来做加速的。使用敌对阵营的CPU和GPU，各种安全，内容保护，硬件一致性，以及之上构建的异构计算也不容易做好

ARM的GPU在技术上不如高通和IMG，但是凭借着CPU的优势，在安卓市场占了40%。并且，现在IMG的中国市场上也只有展讯在用。紫光买了IMG3%的股份真是用心良苦。

ARM的总线分成几类，一类是NIC，没有固定拓扑结构，通过简单crossbar互联，适用于简单场景。一类是CCI，固定拓扑，也是crossbar结构，支持一致性，适合少量处理器。再往下是CCN，环状结构，通过固定交叉点连成一个环，延迟大但频率高些，适合16个以上的处理器。再后来是CMN，网状结构，也是固定交叉点，形成 NxN网络，支持更多的CPU互联。再有一种是NoC，节点是个小路由器，连线更少频率更高。没有固定拓扑结构，可以连接任意多的设备。

在这么多总线里，CCI是一个重点。最新的CCI550设计完美到ARM就没有后续产品计划。它可以让多个CPU和GPU互联，并且以极小的代价维护硬件一致性。在CCI550的基础上，安全支付，视频内容保护（看正版好莱坞授权大片的前提），异构计算，现实增强，全都可以高效实现，手机应用将会大大丰富。现在一线的几个手机芯片公司在2016年底推出的方案里就会包含这个总线。不过真正把应用跑顺，还是需要一些时间的磨合

CCI有什么缺点？最大的缺点就是无法支持更多的CPU和GPU。环状网络CNN是一个过渡方案，而网状网络CMN是一个较为成熟的设计。兼顾了访问局部性，支持新的高效原子操作，支持网络处理器常用的stashing，还支持智能路由。由于跑在较高频率（2Ghz@16nm），虽然访问的路线变长，但是平均延时缩短了。目前CMN还不支持芯片互联，没法像x86那样组成多路服务器，这一点还有待发展。作为芯片间总线互联的协议倒是刚定，叫CCIX，不知前景如何。

CI/CCN/CMN都是支持一致性的。很多时候需要更灵活的连接各个设备，把不同的数据宽度，接口协议，电源/时钟/电压域，还要考虑布线，这些糅合在一个网络中，却又不需要硬件一致性那这时候就可以用NoC和NIC。NoC以路由和包转发为特点的网络，可以自由拓展。NIC更为简单，没有路由，只有简单交换，调度，交织能力很有限，用于简单SoC结构不错，复杂了还是得上NoC。最近NoC也推出了一致性支持，采用类似多层Snoop filter的结构，向CCI/CMN发起挑战。结果如何，拭目以待。

中值得一提的是ARM的内存控制器，经过长期对系统传输的研究，ARM把它的调度算法不断优化，可以将内存带宽利用率提高到90%以上。而很多复杂场景，比如视频摄录与回放，CPU，GPU，video，display，ISP同时工作，系统访存会面临很大压力。此时好的调度算法可以让内存利用率尽可能接近理论上限。不过ARM内存控制器缺点也很明显，必须配合别人的DDR PHY才能工作，这就有潜在的兼容性问题。而其他公司的PHY很值钱，控制器近乎白送。不过随着手机芯片日益复杂，内存带宽利用率问题会越来越严重，这个瓶颈必须得到解决。

综合CPU/GPU/系统IP，就可以展开很多应用。其一就是安全支付。安全支付可以用ARM的trustzone来实现，不过这是一个系统解决方案，所有的处理器，总线，内存和外设，操作系统，都需要做相应改动，并不是把某个IP用到系统里就完事了。另外一个应用就是内容保护，中国用户如果想要在手机看最新的正版好莱坞大片，好莱坞就会要求所有播放设备上要有DRM，数字版权保护。这也是靠把trustzone应用于整个芯片来实现的。我估计在未来几年内很快就会看到了。

ARM还有一个重要的部门就是物理设计部门。它的任务有两个，一个是与台积电，联电，中芯等公司合作，把他们最新的制程的物理开发包拿到手，并在此之上开发自己的后端库。第二个是有了后端库，还要和CPU/GPU设计部门合作，前后端协同设计，把频率，面积和功耗做到最优。然后就可以拿出去吆喝卖钱了。在推广的时候，ARM的口号是PPA(performance, Power, Area)，Synopsys的口号是Service，而台积电的口号是Free。其实这代表了三种不同的推广策略。回到ARM的后端产品，虽然前后端协同设计口号叫的很响，可有时候出来的数据真的未必能比得上芯片厂商自己做的后端，所以只能见仁见智吧