关于Arm处理器体系结构在任何计算或通信市场(智能手机，个人计算机，服务器或其他市场)中扮演的角色，您需要了解的最重要的事情是：位于英国剑桥的Arm Holdings，Ltd.设计供其他人构建的处理器组件。Arm拥有这些设计以及它们的指令集的体系结构，例如64位ARM64。它的商业模式是将这些组件的知识产权(IP)和指令集许可给其他公司，使他们能够围绕它们构建自己的系统，这些系统将自己的设计和Arm的设计结合在一起。对于围绕这些芯片构建系统的客户，Arm为其完成了艰巨的任务。

Arm Holdings，Ltd.不生产自己的芯片。它没有自己的制造设施。相反，它将这些权利许可给其他公司，Arm Holdings称为“合作伙伴”。他们利用Arm的架构模型作为模板，建立使用Arm核心作为中央处理器的系统。

这些Arm合作伙伴可以设计自己的其余系统，也许制造这些系统-或将其生产外包给他人-然后将其作为自己的产品出售。许多三星和苹果的智能手机和平板电脑以及高通公司生产的基本上所有设备都利用了Arm的某些知识产权。用基于Arm的片上系统(SoC)生产的新服务器已经在与x86的竞争中取得了进展，特别是在低功耗或特殊用途的模型中。每个装有Arm处理器的设备都倾向于成为自己独特的系统，例如上面描述的多部分Qualcomm Snapdragon 845移动处理器。(高通宣布其865加5G在七月初的移动平台。)

去年8月，Arm宣布已与美国国防部的DARPA机构签署了合作伙伴协议，使五角大楼的研究团队可以出于研究目的使用Arm的技术产品组合。

NVIDIA在操作ARM方面将扮演什么角色?

9月13日，Nvidia宣布了一项以 400亿美元现金加股票交易所从母公司东京软银集团公司收购Arm Holdings，Ltd.的交易。这项交易有待欧盟，美国，日本和中国的监管机构审查，这些过程可能需要长达18个月的单独程序才能完成。

在9月14日的新闻发布会上，Nvidia首席执行官黄仁勋告诉记者，他的意图是维持Arm的现有业务模式，而不影响其现有的合作伙伴组合。然而，黄仁勋还表示，他打算将对Nvidia GPU技术的访问“添加”到Arm向合作伙伴提供的IP产品组合中，从而使Arm许可方可以访问Nvidia设计。交易宣布时尚不清楚的是，除了有机会与Nvidia竞争外，潜在合作伙伴还希望采用GPU设计。

手臂设计的目的是根据合作伙伴的独特需求在各种配置中进行混合搭配。Arm Foundry计划是Arm控股公司与半导体制造商(例如台湾的台积电和美国的Intel)之间的合作伙伴关系，为被许可方提供了多种选择，以生产采用Arm技术的系统。(相比之下，9月份的公告宣布考虑出售Arm时，传闻潜在的买家包括台积电和三星。)相比之下，Nvidia生产独家GPU设计，目的是在其选择的代工厂(最初是IBM，然后是IBM)中独家生产。主要是台积电，最近是三星。Nvidia的设计专门针对这些特定的铸造厂-例如，利用三星的Extreme Ultra-Violet(EUV)光刻工艺。

ARM与X86 CPU或NVIDIA GPU有何不同?

基于x86的PC或服务器按照一些常见的规范构建，以提高性能和兼容性。这样的PC并没有设计成组装好的。这样可以使硬件供应商的成本保持较低水平，但同时也将大多数创新和功能级别的溢价降级到了软件上，甚至在实现上也有一些细微差别。x86设备生态系统由可互换的部件组成，至少就架构而言(被允许的是，AMD和Intel处理器在相当长一段时间内都不兼容套接字)。

Arm生态系统由一些相同的组件(例如内存，存储和接口)组成，但其他方面则由为其使用的组件设计和优化的完整系统组成。

这不一定会给Arm设备，设备或服务器带来自动超越Intel和AMD的优势。自1985年以来，英特尔和x86在计算处理器领域一直占据主导地位，这是整个十年的大部分时间，而Arm芯片几乎一直都以一种或另一种形式存在-自1985年以来。它的整个历史一直是在市场上取得成功。 x86技术尚未得到充分利用，或者x86处于劣势，或者在x86根本无法适应的市场中。

对于平板电脑，最近在数据中心服务器中使用，然后在台式机和笔记本电脑中再次使用，基于Arm的设备或系统的供应商不再受制于仅仅是零件的组装商。这使得Arm与x86处理器组件之间的任何直接的，单元间的比较都显得有些琐碎，因为基于一个系统的设计，组装甚至包装方式，基于一个系统的设备或系统可以轻松，始终如一地胜过另一个系统。 。

现在被称为GPU的一类处理器起源于PC的图形协处理器，并且仍在此领域中被广泛使用。但是，很大程度上是由于Nvidia在人工智能领域的影响，GPU已被视为一类通用加速器，也是超级计算机中的主要计算组件-与而不是从属于，超级计算机。GPU的强项是能够并行执行许多指令或线程簇，从而极大地加速了许多学术任务。

根据定义和设计，尽管可以使用两者来构建系统，但Arm处理器不是GPU。去年11月，Nvidia宣布推出参考平台，该平台使系统架构师能够将基于Arm的服务器设计与Nvidia GPU加速器结合在一起。

ARM和APPLE之间有什么关系?

苹果首席执行官蒂姆·库克(Tim Cook)在WWDC 2020上宣布了其公司的芯片制造部门。

Apple Silicon是Apple目前用来描述其自己的处理器生产的短语，从去年6月开始，Apple宣布更换其x86 Mac处理器产品线。取而代之的是，据报道已经出货的Mac笔记本电脑将是一个新的片上系统，称为A12Z，代号为“ Bionic”，由Apple使用Arm许可的64位指令集生产。控股。在这种情况下，Arm不是设计师，而是Apple进行其原始设计的指令集的生产者。 人们普遍预计苹果将选择台积电作为其A12Z的制造商。

为了使MacOS 11继续运行为英特尔处理器编译的软件，新的Apple系统将运行一种称为Rosetta 2的“即时”指令翻译器。新的操作系统不是在虚拟机中运行旧的MacOS映像，而是运行新的操作系统。它将运行一个实时x86机器代码转换器，将x86代码实时重新转换为Apple现在称为Universal 2二进制代码  的中间级代码，该中间级代码仍可以运行在基于Intel的旧Mac上。该代码将在Apple外部称为“仿真器”的源中运行，但它并不是真正的仿真器，因为它不会在实际的物理计算机中模拟代码的执行(没有“通用2”芯片)。

独立性能基准测试的第一个结果将使用计划用于首款基于Arm的Mac的A12Z芯片的iPad Pro与Microsoft Surface型号进行了比较。Geekbench的结果  使仿生动力平板电脑的多核处理得分为4669(越高越好)，而奔腾动力Surface Pro X的得分为2966，酷睿i5动力Surface Pro 6的得分为3033。

苹果自己宣称的为Mac生产自己的SoC的能力，就像为iPhone和iPad一样，随着时间的推移，可以为公司节省多达60%的生产成本。当然，苹果公司通常对如何达到这一估计以及如何实现这种节省需要保持沉默。

苹果公司与Arm Holdings之间的关系可以追溯到1990年，当时苹果计算机英国公司成为创始共同利益相关者。当时的其他合作伙伴是Arm概念的发起人Acorn Computers Ltd.(稍后将进一步介绍Acorn)和定制半导体制造商VLSI Technology(以通用的半导体制造工艺命名，称为“ 超大规模集成 ”)。今天，Arm Holdings是软银的全资子公司，该公司宣布有意于2016年7月购买许可人。当时，这笔收购交易是欧洲一家科技公司最大的一笔交易。

为什么出售X86且ARM获得许可

基于Intel或AMD的x86计算机的制造商不设计也不拥有CPU知识产权的任何部分。它还不能出于自己的目的复制x86 IP。“ Intel Inside”是印章，用于证明设备制造商可以使用Intel处理器构建机器的许可证。基于Arm的设备可能设计为包含处理器，甚至可能对其处理器的体系结构和功能进行了调整。因此，Arm处理器而不是“中央处理器”(CPU)，而是被称为片上系统(SoC)。该设备的许多功能可以制造在芯片本身上，使芯片与Arm的专用内核共存，而不是在单独的处理器，加速器或扩展中围绕芯片构建。

因此，由Arm处理器运行的设备(例如Cortex系列之一)与由Intel Xeon或AMD Epyc运行的设备是不同顺序的计算机。以Arm芯片为基础的原始设备意味着完全不同。从制造商的角度来看，最重要的是，这意味着供应链有所不同，并且希望更易于管理。由于Arm对向终端用户进行营销本身没有兴趣，因此您通常不会听到太多有关“ Arm Inside”的信息。

同样重要的是，ARM芯片不一定是中央处理器。根据其系统的设计，它可能是设备控制器，微控制器(MCU)或系统中某些其他从属组件的核心。

关于Arm的商业模式及其与自己的知识产权的关系的最好解释可能是在2002年向美国证券交易委员会提交的文件中：

我们非常重视建立和维护我们产品的专有完整性。我们致力于以“无尘室”方式设计和实施我们的产品，除非严格遵守程序和明确的许可权，否则不使用属于第三方的知识产权。如果我们发现第三方对我们感兴趣的产品拥有知识产权保护，我们将采取措施购买使用该技术的许可，或者在开发我们自己的解决方案时围绕该技术进行开发，以便避免侵犯其他公司的知识产权。尽管进行了这些努力，第三方仍可能声称我们侵犯了我们将捍卫的专有权。

今天生产什么类型的Arm处理器?

为了保持竞争力，Arm提供了多种处理器核心样式或系列。其中一些针对各种用例进行了销售;其他人只预留一两个。这里需要特别注意的是，英特尔使用术语“微体系结构”，有时也用扩展名“体系结构”来指代其处理器特性和功能演进的特定阶段，例如，其最近出厂的Xeon服务器处理器是英特尔代号为Cascade Lake的微体系结构。相比之下，Arm体系结构涵盖了Arm RISC处理器的整个历史。这种体系结构的每次迭代都被称为各种事物，但是最近被称为一系列事物。话虽如此，Arm处理器的指令集却按照自己的节奏发展，每次迭代通常都使用Intel在x86：ISA上使用的相同缩写。是的，这里的“ A”代表“架构”。

英特尔为不同类别的客户生产Celeron，Core和Xeon处理器。AMD生产用于台式机和笔记本电脑的Ryzen，以及用于服务器的Epyc。相比之下，Arm会为完整的处理器设计产品，合作伙伴可以按原样使用它们，也可以为自己的目的定制这些处理器。以下是本出版物发行时Arm Holdings，Ltd.的主要设计：

皮质A已作为Arm系列产品的主力产品销售，其中“ A”代表应用。按照最初的设想，希望围绕Cortex-A构建系统的客户会想到一个特殊的应用，例如数字音频放大器，数字视频处理器，灭火系统微控制器或复杂的心率监视器。事实证明，Cortex-A最终成为了两类新兴设备的核心：单板计算机，能够针对各种应用进行编程，例如收银机处理;最重要的是智能手机 重要的是，Cortex-A处理器包括片上内存管理单元(MMU)。几十年前，这是英特尔公司将片上MMU包含在内的。s的80286 CPU在与Motorola芯片的竞争中改变了比赛，当时Motorola芯片为Macintosh提供动力。Cortex-A军械库中的主要工具是其代号为NEON的高级单指令多数据(SIMD)指令集，该指令集执行诸如访问内存和在更大的向量集上并行处理数据之类的指令。想象一下，进入加油站并为8或16个油箱装载足够的燃料，您将获得基本的想法。

Cortex-R是一类处理器，其用例范围要窄得多：主要是需要实时处理的微控制器应用程序。一个重要的例子是4G LTE和5G调制解调器，其中时间(或音乐作曲家可能更准确地称其为“速度”)是实现调制的关键因素。Cortex-R的架构经过定制，可以响应中断(触发流程运行的关注请求)，不仅快速而且可预测。这使R可以更一致，更确定地运行，这也是Arm推广其用作固态闪存大容量存储控制器的原因之一。

Cortex-M是一种更小型的外形，使其更适用于狭窄的空间：例如，汽车控制和制动系统以及具有图像识别功能的高清数码相机。M的主要用途是用作数字信号处理器(DSP)，它可以响应和管理用于声音合成，语音识别和雷达等应用的模拟信号。自2018年以来，Arm在总称Cosmos下统称其所有Cortex系列。

Ethos-N是一系列处理器，专门用于可能涉及机器学习或某些其他形式的神经网络处理的应用程序。Arm将这个系列称为神经处理器，尽管它与Google的张量处理单元的类别并不完全相同，Google本身承认它实际上是协处理器而不是独立的控制器[ PDF ]。Arm的神经处理器概念包括用于从数据中得出逻辑推理的例程，这些例程是用于图像和模式识别以及机器学习的人工智能的基础。

Ethos-U是Ethos-N的精简版，旨在像协处理器一样工作，尤其是与Cortex-A结合使用时。

Neoverse，在2018年10月推出，代表了由ARM新的，更集中精力设计出更适用于服务器核心和数据中心收留他们-特别是较小的品种。Arm在市场营销Neoverse中使用的术语是“基础设施”，虽然没有太具体，但仍然针对位于“客户边缘”的微型和微型数据中心的新兴用例，更接近最终用户实际消耗处理器能力的地方。

SecurCore是Arm设计的一类处理器，专门用于智能卡，基于USB的认证和嵌入式安全应用。

这些是系列产品，其设计已被许可他人生产处理器和微控制器。综上所述，Arm还独家许可其体系结构的某些自定义和半自定义版本，从而使这些客户端能够构建独一无二的处理器，而其他生产商则无法使用。这些特殊客户包括：

苹果公司多年来为iPhone和iPad自行制造了多种基于Arm的设计，并于去年6月宣布了适用于Mac的全新SoC(见上文);

Marvell公司，其收购芯片制造商Cavium公司于2017年11月，并从此加倍下来在ThunderX系列最初设计用于了Cavium处理器的投资;

Nvidia与Arm共同设计了两个处理器系列，最近的一个称为CArmel。Nvidia通常被称为GPU生产商，它利用CArmel设计来生产其64位Tegra Xavier SoC。该芯片为公司名为Jetson AGX Xavier的小型边缘计算设备提供了动力。

三星（Samsung）以内部品牌Exynos为其整个消费电子产品线生产各种32位和64位Arm处理器。有些使用了称为Mongoose的三星核心设计，而其他大多数则使用了Cortex-A版本。值得注意的是(或可能是臭名昭著的)三星制造了其Galaxy Note，Galaxy S和Galaxy A系列智能手机的变体，这些智能手机具有自己的Exynos SoC(在美国以外)或Qualcomm Snapdragons(仅在美国)。

高通公司（Qualcomm）最新的Snapdragon SoC模型采用称为Kryo的核心设计，这是Cortex-A的半定制版本。较早的Snapdragon型号基于称为Krait的核心设计，尽管它纯粹是高通设计，但仍正式是基于Arm的SoC。分析师估计，Snapdragon 855、855 Plus和865共同构成了全球超过一半的5G智能手机的核心。尽管高通公司确实在2017年11月批准了生产用于数据中心服务器的Arm芯片的计划，但其产品线名为Centriq，但它于2018年12月开始缩减该线的生产，当时是合资伙伴，将权利继续生产给总部位于中国的华新通半导体(HXT)。该伙伴关系于次年四月终止。

由前英特尔总裁雷尼·詹姆斯(Renee James)创办的初创公司Ampere Computing生产了称为Altra的超高核数服务器处理器产品线。在128核的Altra最高版本将开始Q4 2020取样，尽管流感大流行。

片上系统是否与芯片组相同?

从技术上讲，Arm芯片所属的处理器类别是专用集成电路(ASIC)。考虑一个硬件平台，其公共元素是一组处理核心。那不是太困难;基本上描述了曾经制造的所有设备。但是要使这些组件小型化，以便它们都可以安装在一个芯片上-在同一物理平台上-使用专用的网格总线互连。

如您所知，对于计算机，应用程序被呈现为软件。在许多设备中，例如Internet路由器，前门安全系统和“智能” HDTV，存储操作程序的存储器是非易失性的，因此我们常将其称为固件。在核心处理器为ASIC的设备中，其主要功能作为永久组件呈现在芯片上。因此，使设备成为“系统”的功能与处理器内核共享芯片，而Arm芯片可以拥有数十个。

一些分析公司已经开始使用广义的应用程序处理器(AP)来指代ASIC，但这并未普遍流行。在较随意使用的情况下，SoC也称为芯片组，尽管近年来(通常)芯片组中的芯片数量仅为一个。通常，芯片组是一个或多个处理器的集合，这些处理器共同充当一个完整的系统。CPU执行主程序，而芯片组管理连接的组件并与用户通信。在PC主板上，芯片组与CPU分开。在SoC上，主处理器和系统组件共享同一芯片。

是什么使Arm处理器架构独特?

实际上，“手臂”中的“ R”代表另一个缩写：精简指令集计算机(RISC)。其目的是利用简单性的效率，将处理器的所有功能呈现在单个芯片上。将处理器的指令集保持较小意味着可以使用较少的位数对其进行编码，从而减少了内存消耗并缩短了执行周期。早在1982年，加利福尼亚大学伯克利分校的学生就能够通过明智地选择最常使用的功能，并仅以硬件呈现这些功能，而其余功能以软件呈现的方式，产生出第一个可运行的RISC体系结构。确实，这就是使带有一组小核的SoC可行的原因：将尽可能多的功能委派给软件。

追溯地，采用x86之类的架构采用与RISC完全相反的策略，被称为复杂指令集计算机(CISC)，尽管英特尔在历史上一直避免自己使用该术语。x86的强大功能来自仅用一条指令就能完成很多工作。例如，利用Intel的向量处理，可以同时执行16个单精度数学运算或8个双精度运算。在这里，向量充当一种“串”，如果您愿意的话，可以在并行操作中遍历所有操作数并将它们堆积起来。

至少从概念上讲，这使复杂的数学变得更容易。使用RISC系统，数学运算将分解为基本原理。使用CISC架构会自动发生的所有事情-例如，在过程完成后清除活动寄存器-都需要RISC进行完整的记录步骤。但是，由于封装整个RISC指令集所需的位(二进制数字)较少，因此最终可能需要占用与在RISC处理器中编码基本操作序列相同的位数，甚至比编码所需的位数少。复杂的CISC指令，其中所有属性和参数都堆积在一起。

与Arm处理器或其他RISC芯片的相同过程相比，Intel能够并且已经证明了非常复杂的指令，并且具有更高的性能统计数据。但是有时候，这样的性能提升是以整个系统其余部分的总体性能成本为代价的，这使得RISC体系结构在通用任务上的效率比CISC更高。

然后是定制的问题。英特尔通过程序的功能增强了其更高级的CPU的功能，这些程序通常可以呈现为软件，但可以嵌入为微代码。这些例程旨在在机器代码级别上快速执行，并且可以按名称间接由该代码引用。这样，例如，一个程序需要调用一种用于在网络上解密消息的通用方法，该程序可以处理非常快的处理器代码，非常接近将执行该代码的位置。(方便地，以微代码结尾的许多例程都是性能基准测试中经常使用的例程。)这些微代码例程存储在x86内核附近的只读存储器(ROM)中。

相比之下，Arm处理器在其片上存储器中不使用数字微码。Arm替代产品的当前实现是一个称为自定义指令的概念[ PDF]。它可以包含完全由客户可定制的片上模块，这些模块的逻辑有效地被“预先解码”。这些模块在上面的臂图中用绿色框表示。调用此逻辑的所有程序要做的工作是为处理器内核找出一条从属指令，该处理器将控制权传递给自定义模块，就好像它是另一个算术逻辑单元(ALU)一样。Arm询问想要实现自定义模块的合作伙伴，以向其提供配置文件，并映射从核心到自定义ALU的自定义数据路径。仅使用这些项目，内核就可以为其自身确定依赖性和指令互锁机制。

这样一来，Arm合作伙伴就可以使用Arm核心作为起始要素为其自身构建独特的设计。

尽管Arm并未创建RISC的概念，但它与实现该概念并使其公开可用有很大关系。RISC-V是原始Berkeley体系结构的一个分支，它的核心规范是根据Creative Commons 4.0许可开放的。英伟达(Qualcomm)，三星，华为和美光科技(Micron Technology)等公司已成为RISC-V基金会的创始成员。当被问到时，英伟达首席执行官黄仁勋表示，他打算让自己的公司继续为RISC-V做出贡献，并保持其生态系统与Arm的自然分离。

服务器中Arm的增长前景

就在上个月，为日本RIKEN计算科学中心建造的富士通臂式超级计算机Fugaku(左图)在半年度500强超级计算机榜上排名第一。

但是，在x86 CPU和Arm SoC之间的所有差异中，这可能是唯一对数据中心设施经理重要的一个因素：给定两类处理器的任何一对样本，最不可能需要的是Arm芯片。主动冷却系统。换句话说，如果您打开智能手机，很可能找不到风扇。或液体冷却装置。

具有讽刺意味的是，5G无线技术的建立足以将光纤连接的建立扩展到“客户边缘”附近的位置，这是距网络运营中心最远的地方。这提供了将边缘计算设备和服务器固定在这样的点或附近的机会，但是最好没有通常与x86服务器机架一起安装的热交换器单元。

这就是Bamboo Systems之类的初创公司进来的地方。冷却系统尺寸和功率要求的根本减少，使服务器设计人员可以设计出新的思维方式，例如“缩小包装盒”。Bamboo服务器节点是一张不会比大多数人的手大很多的卡，其中八张可以安全地安装在通常支持1个(也许是2个)x86服务器的1U盒中。该公司表示，Bamboo的目标是生产服务器，该服务器使用的x86机架所需的机架空间仅为其五分之一，功耗仅为其四分之一，而性能却相当。

Arm处理器来自哪里?

橡子。确实，这就是“ A”的原意。

早在1981年，英国剑桥的一家名为Acorn Computers的公司就在推销一款基于摩托罗拉6502处理器的微型计算机(在IBM广泛使用该术语之前，我们将其称为“ PC”)，该处理器为受人尊敬的Apple II， Commodore 64，以及Atari 400和800。尽管名称“ Acorn”比“ Apple”更早出现在字母顺序列表中，但其计算机部分由BBC补贴，因此在全国范围内被称为BBC Micro。 。

所有基于6502的计算机都使用8位处理器体系结构，并且在1981年，英特尔致力于开发完全兼容的16位体系结构，以取代IBM PC / XT中使用的8086。第二年，英特尔的80286将使IBM能够生产其PC AT，从而不必更改或重新编译MS-DOS以及在DOS上运行的所有软件即可在16位体系结构上运行。这是巨大的成功，摩托罗拉无法与之匹敌。尽管Apple的第一台Macintosh基于16位的Motorola 68000系列，但其架构仅受较早的8位设计“启发”，与之不兼容。(最终，它将生产基于65C816处理器的16位Apple IIGS，但仅在几个月后，等待65816的制造商发布有效的测试模型。IIGS确实有一个“ Apple II”

橡子的工程师们想要前进的道路，而摩托罗拉则陷入了困境。在为速度不够快的6502实验出了惊人的快速协处理器之后，他们选择采用完整的32位流水线。在1983年伯克利RISC项目的领导下，他们为称为Arm1的处理器构建了一个模拟器，该模拟器非常简单，可以在BBC Micro的BASIC语言解释器上运行(尽管不是很快)。他们将与VLSI合作，并在两年后生产首个Arm1工作模型，时钟速度为6 MHz。它使用的功率很少，以至于正如一位项目工程师所讲的那样，有一天，他们注意到芯片在未连接电源的情况下仍在运行。它实际上是由通向I / O芯片的电源线泄漏供电的。

在早期阶段，Arm1，Arm2和Arm3处理器从技术上来说都是CPU，而不是SoC。但是，就今天的英特尔酷睿处理器而言，其原先的4004的体系结构后继者一样，Cortex-A是Arm1的体系结构后继者。