ARM架構(gòu)體系微處理器發(fā)展歷史及其在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用

吳瑜儒 江西軟件職業(yè)技術(shù)大學(xué)

ARM公司是一家通過出售芯片技術(shù)授權(quán)，將其微處理器的設(shè)計內(nèi)核授權(quán)給半導(dǎo)體，軟件和OEM廠商，是目前主要廣泛使用的RISC處理器代表之一，同時是全球最大的芯片架構(gòu)IP供應(yīng)商，生態(tài)合作伙伴遍布全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，形成以ARM為核心的全球最大生態(tài)體系。

一、ARM公司的發(fā)展歷史時間線如下

1978年，奧地利物理學(xué)家Hermann Hauser和英國工程師Chris Curry，在英國劍橋創(chuàng)立了一家名稱為Cambridge Processing Unit的公司，1979年，改名為Acorn計算機公司。

1982年，Acorn計算機公司為BBC發(fā)起的英國政府開展的CLP計劃（Computer Literacy Project）提供設(shè)計和生產(chǎn)名為BBC Micro的電腦，選用MOS科技公司的6502/6512處理器，內(nèi)存16-32KB，外存100-800KB。最初方案是摩托羅拉的6800，因價格原因而后又轉(zhuǎn)而向intel，要求后者提供8086的設(shè)計資料，遭拒絕后，再找到MOS公司。6800，8086，6502/6512在當(dāng)時都是優(yōu)秀的主流8bit處理器，6800和6502/6512的主頻都是1MHZ，但是6502/6512擁有一個一級指令流水線，性能要顯著高于6800和8086。另外，6502/6512也是蘋果于1976年推出的APPLE I和1977年的APPLE II的處理器。

在BBC Micro的后繼16bit計算機型號的研發(fā)過程中，Acorn公司發(fā)現(xiàn)無論是6800還是80286處理器都難以取得性能和價格的平衡。不是性能太弱，就是價格太貴。最終決定自行設(shè)計處理器。研發(fā)人員借鑒美國加州大學(xué)伯克利分校的RISC(Reduced Instruction Set Computing，精減指令集）設(shè)計思想，于1985年由Roger Wilson和Steve Furber設(shè)計了第一個32bit 6MHz的主頻的處理器，名為Acorn RISC Machine，簡稱ARM，又稱為ARM1。

ARM1問世后，因其功耗小，價格便宜，適合移動設(shè)備的特點，被當(dāng)時的蘋果公司采用，作為APPLE NEWTON MESSAGE PDA的處理器，被認(rèn)為是智能手機的鼻祖，但在當(dāng)時NEWTON的技術(shù)過于超前，最終遭致了商業(yè)失敗。因各種其它原因，喬布斯最終被蘋果公司董事會驅(qū)逐。

之后Acorn又陸續(xù)推出了ARM2，ARM3，1990年，Acorn公司正式改名為Advanced RISC Machine計算機公司，同年蘋果出資150萬英鎊，VLSI出資25萬英鎊，Acorn以自身150萬英鎊的知識產(chǎn)權(quán)和12名工程師作為原始股東入股。

剛成立時，由于銷售業(yè)績慘淡，所以ARM做出了日后不再設(shè)計和生產(chǎn)處理器，而是將芯片的設(shè)計方案轉(zhuǎn)讓給其他公司的決定，這個商業(yè)模式一直持續(xù)到了今天，讓其獲得了巨大的商業(yè)成功，這個模式今天被稱為ARM IP(Intellectual Property，知識產(chǎn)權(quán))授權(quán)模式，收取一次性技術(shù)授權(quán)費用和版稅提成，同時提供軟件，開發(fā)工具以及技術(shù)支持服務(wù)。

1997年首個ARM處理器手機諾基亞6110上市，使用德州儀器ARM授權(quán)的16位內(nèi)核的處理器，給德州儀器和ARM帶來了巨大的商業(yè)回報。

ARM隨后又推出了ARM7系列處理器，隨著當(dāng)時3G的發(fā)展，ARM迎來了高速發(fā)展，1998年，ARM公司在紐約納斯達(dá)克和倫敦證交所同時上市。

2007年， 在喬布斯回歸蘋果后，iphone誕生，初代iphone使用了三星生產(chǎn)的ARM指令架構(gòu)處理器，而在2008年，第一臺安卓手機誕生，同樣也是采用基于ARM指令架構(gòu)的處理器。

2011年，微軟的WIN10系統(tǒng)開始正式支持ARM指令集。

2016年，軟銀以243億英磅收購了ARM公司。

2018年，ARM中國公司成立。

2019年，美國商務(wù)部開始對華為進(jìn)行第一輪制裁。后續(xù)和ARM授權(quán)關(guān)系令人擔(dān)憂。

二、ARM處理器架構(gòu)

ARM處理器發(fā)展到如今，其體系結(jié)構(gòu)暨指令集架構(gòu)版本截止2020年為止共為8個版本，具體如下：

指令集架構(gòu) 處理器內(nèi)核架構(gòu)ARMv1 ARM1 ARMv2 ARM2，ARM3 ARMv3 ARM6，ARM7 ARMv4/ARMv4T Strong ARM，ARM7TDMI，ARM9TDMI ARMv5 ARM7EJ，ARM9E，ARM10E，XScale ARMv6 ARM11，ARM Cortex-M ARMv7 ARM Cortex-A，ARM Cortex-M，ARM Cortex-R ARMv8 Cortex-A3X，Cortex-A5X，Cortex-A6X，Cortex-A7X，

其中，一種指令集架構(gòu)中包括多種不同的處理器內(nèi)核家族。ARMv1和ARMv2為ARM初期的架構(gòu)。ARMv3是以ARM6和ARM7系列處理為主，目前應(yīng)用相對較少。

ARMv7其中典型的處理器為應(yīng)用了Cortex-A15內(nèi)核的三星Exynos 5250處理器和華為的麒麟920處理器。

ARMv8其中最著名的核心為A71，A72，A73和A76等大核心，以及A53，A55等中等核心，典型的代表為華為的麒麟950，，960，970和980，990系列處理器。

三、ARM面向人工智能的NPU和AIPU

在人工智能領(lǐng)域ARM主要有兩個平臺產(chǎn)品，即NPU和為中國特異化定制的AIPU，目前NPU主要是Ethos系列，有N77和N78兩個平臺，N77到目前為止沒有實際產(chǎn)品運用，N78即將會以Ethos IP的形式集成在處理器中作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。

AIPU（人工智能處理單元）是ARM中國開發(fā)的AI專核，采用為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運行及相應(yīng)的前后處理設(shè)計的專用指令集，滿足不同人工智能算法需求，融合了多種執(zhí)行粒度的指令，同時也支持也支持Arm CPU，Mali GPU，以及第三方AI處理單元，為人工智能應(yīng)用提供統(tǒng)一的運行時軟件接口。目前國內(nèi)全志科技已經(jīng)將AIPU集成在其語音處理器產(chǎn)品R328中，應(yīng)用于人工智能語音處理。