ARM CPU及生态培训资料-认识ARM CPU及主要ARM服务器CPU产品

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ARM公司简介

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  • 1978年成立Cambridge Processor Unit公司,制造赌博机的微控制器系统
  • 1979年改名Acorn Computer Ltd公司,面向消费者的盒式计算机。
  • 1981年开始研发Acorn RISC Machine
  • 1985年ARM1诞生
  • 1990年,Acorn为了和苹果合作,专门成立了一家公司,名叫ARM(Advanced RISC Machines
  • 1991年,授权给英国GEC Plessey半导体公司
  • 1993年,授权给Cirrus Logic和德州仪器(Texas Instruments,TI)
  • 1993年,ARM6芯片用于苹果公司一款新型掌上电脑产品——Newton
  • 诺基亚6110成为了第一部采用ARM处理器的GSM手机
  • 1998年4月17日,ARM控股公司在伦敦证交所和纳斯达克上市。
  • 上市后苹果退出ARM公司
  • 2008年,谷歌推出了Android(安卓)系统,也是基于ARM指令集
  • 2010年6月中,苹果公司向ARM董事会表示有意以85亿美元的价格收购ARM公司,但遭到ARM董事会的拒绝。
  • 2016年7月18日,曾经投资阿里巴巴的孙正义和他的日本软银集团,以243亿英镑(约309亿美元)收购了ARM集团。

ARM产品线

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ARM11芯片之后,也就是从ARMv7架构开始,ARM的命名方式有所改变。

新的处理器家族,改以Cortex命名,并分为三个系列,分别是Cortex-A,Cortex-R,Cortex-M。

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Cortex-A系列 Supreme performance at optimal power

针对日益增长的消费娱乐和无线产品设计,用于具有高计算要求、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域,如智能手机、平板电脑、汽车娱乐系统、数字电视等。

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

针对需要运行实时操作的系统应用,面向如汽车制动系统、动力传动解决方案、大容量存储控制器等深层嵌入式实时应用。

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

针对成本和功耗敏感的应用,如智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、家用电器、消费性产品和医疗器械等。

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ARM所采取的是IP(Intellectual Property,知识产权)授权的商业模式,ARM有三种授权方式:

  • 处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器,对方不能改变原有设计,但可以根据自己的需要调整产品的频率、功耗等。
  • POP(processor optimization pack,处理器优化包)授权是处理器授权的高级形式, ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商,方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器。
  • 架构授权是ARM会授权合作厂商使用自己的架构,方便其根据自己的需要来设计处理器(例如后来高通的Krait架构和苹果的Swift架构,就是在取得ARM的授权后设计完成的)。

ARM生态合作圈

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Arm是全球最大的芯片架构(IP)供应商,全球芯片客户超过500家,生态合作伙伴遍布全球半导体产业链,形成以Arm为核心的全球最大的技术生态体系。

目前中国合作伙伴超过200家,使用Arm处理器技术的中国客户的出货量超过160亿。

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华为鲲鹏CPU

  • 2004 年华为就已经开始了 ARM 架构相关芯片的开发,
  • 2005 年第一颗基于ARM的无线基站芯片
  • 2014年第一颗基于ARM的64位处理器
  • 2019年业界第一颗7nm数据中心处理器鲲鹏920发布

华为CPU研发策略:“量产一代、研发一代、规划一代”

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国防科大先后尝试了X86、Epic(VLIW,惠普把IA-64命名为Epic)、SPARC、ARM四个指令集,并以Sparc开源代码为基础设计了FT-1000和FT-1500两款CPU,之后,飞腾选择了ARM阵营。

在2006和2007年,SUN 开源了 Sparc V9 架构的高性能服务器CPU——UltraSPARC T1 和 T2,飞腾抓住了机会,以开源的CPU设计为基础,仅用了短短三年时间,在2009年底发布了对标UltraSPARC T2的FT-1000。

飞腾团队又花了3年时间,成功地把原本的8核设计改成了16核,在2012年底发布了FT-1500。

2010年,在对国防科大建造的“天河一号”超算进行二期扩充升级时,加入了2048颗FT-1000作为一部分机组的服务节点,是飞腾CPU在国产超算中首次使用。

2011年末ARM公司宣布了ARMv8架构诞生,在2012年中开始对外授权。

2014年10月第四代飞腾CPU兼容ARM指令集研发的FT-1500A和FT-2000系列CPU

2018年5月龙芯CPU服务器、飞腾CPU服务器以及申威CPU服务器进入政府采购名录

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Graviton是亚马逊自行研发服务器芯片,应用于在2018年11月26日推出的EC2A1虚拟服务器。

2019年12月发布Graviton2芯片,由其云计算部门设计,基于64位Arm Neoverse内核,采用7nm工艺制造,64核心,每个核心1MB二级缓存,总计64MB,所有核心共享32MB三级缓存。64个核心采用网格总线(Mesh Fabric)互连互通,合并带宽高达2TB/s。支持八通道DDR4-3200内存,支持硬件AES-256内存加密,支持64条PCIe 4.0。

推出了一系列基于Graviton2的第六代实例,包括M6g、R6g、C6g,配置不尽相同,最多256GB内存。

与第一代 Graviton 处理器相比,它们带来 7 倍的性能、4 倍的计算内核数量、2 倍的大型缓存以及 5 倍的更快内存速度。

亚马逊还将其与配备Intel至强铂金(最高3.1GHz)的第五代实例进行对比,单核心性能全面领先:SPECjvm 2008 43%(估计)、SPEC CPU 2017整数 44%(估计)、SPEC CPU 2017浮点 24%(估计)、HTTPS负载均衡 24%、内存缓存 43%(同时延迟更低)、x2664视频编码 26%、EDA模拟 54%!

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Ampere由前英特尔总裁RenéeJames创立,由凯雷集团资助,自2018年10月开始提供eMAG系列处理器。该公司于2018年初购买了AppliedMicro的基于X-Gene ARM的服务器资产,并提供定制的基于ARM v8.0架构的32核芯片,采用TSMC 台积电16FF +工艺构建,运行频率为3.3 GHz。该芯片基于X-Gene II平台并进行了优化,该公司计划在未来几年制定eMAG产品线的更新路线图。

根据Ampere产品开发路线图,新一代服务器芯片Mystique已处于开发阶段,预计2021年推出,而计划于2022年推出的芯片Siryn目前已经定义产品性能等特性。

Ampere eMAG 芯片建立在 64 位版本的 ARMv8-A 体系结构上,拥有 32 个定制处理核心,主频最高可达 3.3Ghz,联想内存密集型服务器平台有应用这款CPU。

Ampere2020年3月发布Altra处理器,拥有80个核心,功耗为210 W,采用了台积电的7nm工艺。

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Marvell公司ThunderX2服务器处理器,基于Arm v8.1架构,当前的产品包括16到32核,主频从1.6 GHz到2.5GHz。

  • 2013年Broadcom宣布开发一款多内核Arm兼容的64位服务器级系统级芯片Vulcan。2016年,这个项目被砍掉。
  • 2015年Broadcom被Avago收购,Broadcom将Arm服务器CPU业务卖给Cavium。
  • 2017年11月,Marvell正式宣布以约60亿美元的价格收购竞争对手Cavium(凯为半导体)之后Cavium接着将相应的技术重新封装为ThunderX2。
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富士通A64FX采用台积电7nm FinFET工艺制造,集成87.86亿个晶体管,但只有596个信号针脚,内部集成52个核心,包括48个计算核心、4个辅助核心(都完全一致),基于ARMv8.2-A指令集,支持SVE 512位宽度SIMD,峰值性能2.7TFlops。是前代的SPARC V9处理器1.1TFLOPS的2.5倍左右。

这款新处理器将用于日本新一代超算中,A64FX只是超算加速器,并不适合作为通用服务器芯片。

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高通(Qualcomm)创立于1985年,总部设于美国加利福尼亚州圣迭戈市,为客户提供集成了高通公司技术的芯片和软件,帮助它们轻松、快速地开发并推出产品。

  • 2015年高通宣布进军ARM服务器市场
  • 2017年11月高通发布全球首款10纳米ARM架构服务器处理器Centriq 2400系列服务器芯片,最小40核,最大48核,基于三星10nm工艺打造,采用ARM v8架构的自研Falkor CPU核心,最高设计为60MB三缓。
  • 高通退出ARM服务器芯片市场。
  • 高通投资组建的华芯通半导体在2019年4月底关闭。
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2016年AMD推出了首个64位ARM服务器芯片,即皓龙A1100,代号为“西雅图”,最多八个 64 位的 Cortex-A57 CPU 核心。

  • Opteron A1170:旗舰级,八核心,主频2.0GHz,4MB二级缓存,8MB三级缓存,支持DDR3-1600/DDR4-1866,温度范围0-80℃,热设计功耗32W。主要应用于网络服务,针对高性能需求。
  • Opteron A1150:频率降低至1.7GHz,其他同上。面向存储和网络应用,高性价比。
  • Opteron A1120:四核心,频率1.7GHz,热设计功耗25W,其他同上。面向软件开发和低性能应用。

目前AMD已停止ARM服务器CPU项目

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