ARM CPU及生態培訓資料-認識ARM CPU及主要ARM服務器CPU產品

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ARM公司簡介

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  • 1978年成立Cambridge Processor Unit公司,製造賭博機的微控制器系統
  • 1979年改名Acorn Computer Ltd公司,面向消費者的盒式計算機。
  • 1981年開始研發Acorn RISC Machine
  • 1985年ARM1誕生
  • 1990年,Acorn為了和蘋果合作,專門成立了一家公司,名叫ARM(Advanced RISC Machines
  • 1991年,授權給英國GEC Plessey半導體公司
  • 1993年,授權給Cirrus Logic和德州儀器(Texas Instruments,TI)
  • 1993年,ARM6芯片用於蘋果公司一款新型掌上電腦產品——Newton
  • 諾基亞6110成為了第一部採用ARM處理器的GSM手機
  • 1998年4月17日,ARM控股公司在倫敦證交所和納斯達克上市。
  • 上市後蘋果退出ARM公司
  • 2008年,谷歌推出了Android(安卓)系統,也是基於ARM指令集
  • 2010年6月中,蘋果公司向ARM董事會表示有意以85億美元的價格收購ARM公司,但遭到ARM董事會的拒絕。
  • 2016年7月18日,曾經投資阿里巴巴的孫正義和他的日本軟銀集團,以243億英鎊(約309億美元)收購了ARM集團。

ARM產品線

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ARM11芯片之後,也就是從ARMv7架構開始,ARM的命名方式有所改變。

新的處理器家族,改以Cortex命名,並分為三個系列,分別是Cortex-A,Cortex-R,Cortex-M。

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Cortex-A系列 Supreme performance at optimal power

針對日益增長的消費娛樂和無線產品設計,用於具有高計算要求、運行豐富操作系統及提供交互媒體和圖形體驗的應用領域,如智能手機、平板電腦、汽車娛樂系統、數字電視等。

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Cortex-R系列 (R:Real-time)Reliable mission-critical performance

針對需要運行實時操作的系統應用,面向如汽車制動系統、動力傳動解決方案、大容量存儲控制器等深層嵌入式實時應用。

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Cortex-M系列(M:Microcontroller)Powering the most energy-efficient embedded devices

針對成本和功耗敏感的應用,如智能測量、人機接口設備、汽車和工業控制系統、家用電器、消費性產品和醫療器械等。

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ARM所採取的是IP(Intellectual Property,知識產權)授權的商業模式,ARM有三種授權方式:

  • 處理器授權是指授權合作廠商使用ARM設計好的處理器,對方不能改變原有設計,但可以根據自己的需要調整產品的頻率、功耗等。
  • POP(processor optimization pack,處理器優化包)授權是處理器授權的高級形式, ARM出售優化後的處理器給授權合作廠商,方便其在特定工藝下設計、生產出性能有保證的處理器。
  • 架構授權是ARM會授權合作廠商使用自己的架構,方便其根據自己的需要來設計處理器(例如後來高通的Krait架構和蘋果的Swift架構,就是在取得ARM的授權後設計完成的)。

ARM生態合作圈

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Arm是全球最大的芯片架構(IP)供應商,全球芯片客戶超過500家,生態合作伙伴遍佈全球半導體產業鏈,形成以Arm為核心的全球最大的技術生態體系。

目前中國合作伙伴超過200家,使用Arm處理器技術的中國客戶的出貨量超過160億。

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華為鯤鵬CPU

  • 2004 年華為就已經開始了 ARM 架構相關芯片的開發,
  • 2005 年第一顆基於ARM的無線基站芯片
  • 2014年第一顆基於ARM的64位處理器
  • 2019年業界第一顆7nm數據中心處理器鯤鵬920發佈

華為CPU研發策略:“量產一代、研發一代、規劃一代”

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國防科大先後嘗試了X86、Epic(VLIW,惠普把IA-64命名為Epic)、SPARC、ARM四個指令集,並以Sparc開源代碼為基礎設計了FT-1000和FT-1500兩款CPU,之後,飛騰選擇了ARM陣營。

在2006和2007年,SUN 開源了 Sparc V9 架構的高性能服務器CPU——UltraSPARC T1 和 T2,飛騰抓住了機會,以開源的CPU設計為基礎,僅用了短短三年時間,在2009年底發佈了對標UltraSPARC T2的FT-1000。

飛騰團隊又花了3年時間,成功地把原本的8核設計改成了16核,在2012年底發佈了FT-1500。

2010年,在對國防科大建造的“天河一號”超算進行二期擴充升級時,加入了2048顆FT-1000作為一部分機組的服務節點,是飛騰CPU在國產超算中首次使用。

2011年末ARM公司宣佈了ARMv8架構誕生,在2012年中開始對外授權。

2014年10月第四代飛騰CPU兼容ARM指令集研發的FT-1500A和FT-2000系列CPU

2018年5月龍芯CPU服務器、飛騰CPU服務器以及申威CPU服務器進入政府採購名錄

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Graviton是亞馬遜自行研發服務器芯片,應用於在2018年11月26日推出的EC2A1虛擬服務器。

2019年12月發佈Graviton2芯片,由其雲計算部門設計,基於64位Arm Neoverse內核,採用7nm工藝製造,64核心,每個核心1MB二級緩存,總計64MB,所有核心共享32MB三級緩存。64個核心採用網格總線(Mesh Fabric)互連互通,合併帶寬高達2TB/s。支持八通道DDR4-3200內存,支持硬件AES-256內存加密,支持64條PCIe 4.0。

推出了一系列基於Graviton2的第六代實例,包括M6g、R6g、C6g,配置不盡相同,最多256GB內存。

與第一代 Graviton 處理器相比,它們帶來 7 倍的性能、4 倍的計算內核數量、2 倍的大型緩存以及 5 倍的更快內存速度。

亞馬遜還將其與配備Intel至強鉑金(最高3.1GHz)的第五代實例進行對比,單核心性能全面領先:SPECjvm 2008 43%(估計)、SPEC CPU 2017整數 44%(估計)、SPEC CPU 2017浮點 24%(估計)、HTTPS負載均衡 24%、內存緩存 43%(同時延遲更低)、x2664視頻編碼 26%、EDA模擬 54%!

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Ampere由前英特爾總裁RenéeJames創立,由凱雷集團資助,自2018年10月開始提供eMAG系列處理器。該公司於2018年初購買了AppliedMicro的基於X-Gene ARM的服務器資產,並提供定製的基於ARM v8.0架構的32核芯片,採用TSMC 臺積電16FF +工藝構建,運行頻率為3.3 GHz。該芯片基於X-Gene II平臺並進行了優化,該公司計劃在未來幾年制定eMAG產品線的更新路線圖。

根據Ampere產品開發路線圖,新一代服務器芯片Mystique已處於開發階段,預計2021年推出,而計劃於2022年推出的芯片Siryn目前已經定義產品性能等特性。

Ampere eMAG 芯片建立在 64 位版本的 ARMv8-A 體系結構上,擁有 32 個定製處理核心,主頻最高可達 3.3Ghz,聯想內存密集型服務器平臺有應用這款CPU。

Ampere2020年3月發佈Altra處理器,擁有80個核心,功耗為210 W,採用了臺積電的7nm工藝。

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Marvell公司ThunderX2服務器處理器,基於Arm v8.1架構,當前的產品包括16到32核,主頻從1.6 GHz到2.5GHz。

  • 2013年Broadcom宣佈開發一款多內核Arm兼容的64位服務器級系統級芯片Vulcan。2016年,這個項目被砍掉。
  • 2015年Broadcom被Avago收購,Broadcom將Arm服務器CPU業務賣給Cavium。
  • 2017年11月,Marvell正式宣佈以約60億美元的價格收購競爭對手Cavium(凱為半導體)之後Cavium接著將相應的技術重新封裝為ThunderX2。
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富士通A64FX採用臺積電7nm FinFET工藝製造,集成87.86億個晶體管,但只有596個信號針腳,內部集成52個核心,包括48個計算核心、4個輔助核心(都完全一致),基於ARMv8.2-A指令集,支持SVE 512位寬度SIMD,峰值性能2.7TFlops。是前代的SPARC V9處理器1.1TFLOPS的2.5倍左右。

這款新處理器將用於日本新一代超算中,A64FX只是超算加速器,並不適合作為通用服務器芯片。

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高通(Qualcomm)創立於1985年,總部設於美國加利福尼亞州聖迭戈市,為客戶提供集成了高通公司技術的芯片和軟件,幫助它們輕鬆、快速地開發並推出產品。

  • 2015年高通宣佈進軍ARM服務器市場
  • 2017年11月高通發佈全球首款10納米ARM架構服務器處理器Centriq 2400系列服務器芯片,最小40核,最大48核,基於三星10nm工藝打造,採用ARM v8架構的自研Falkor CPU核心,最高設計為60MB三緩。
  • 高通退出ARM服務器芯片市場。
  • 高通投資組建的華芯通半導體在2019年4月底關閉。
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2016年AMD推出了首個64位ARM服務器芯片,即皓龍A1100,代號為“西雅圖”,最多八個 64 位的 Cortex-A57 CPU 核心。

  • Opteron A1170:旗艦級,八核心,主頻2.0GHz,4MB二級緩存,8MB三級緩存,支持DDR3-1600/DDR4-1866,溫度範圍0-80℃,熱設計功耗32W。主要應用於網絡服務,針對高性能需求。
  • Opteron A1150:頻率降低至1.7GHz,其他同上。面向存儲和網絡應用,高性價比。
  • Opteron A1120:四核心,頻率1.7GHz,熱設計功耗25W,其他同上。面向軟件開發和低性能應用。

目前AMD已停止ARM服務器CPU項目

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