读半导体简史10ARM

读半导体简史10ARM

1. Tick-Tock

1.1. Tick-Tock战略的核心是Tick，是驱动Tock前行的源动力

  • 1.1.1. 在Tick-Tock战略顺利实施的这段时间里，Intel在处理器微架构与半导体工艺制程两个领域，打遍天下无敌手，引领PC产业快速更迭，直至一骑绝尘

1.2. 细分流水线的执行步骤有助于提高主频，提升指令流水线性能

  • 1.2.1. 超标量流水线

1.3. 片面提高主频非但不能提高流水线的执行效率，有时反而适得其反

1.4. 另一个制约主频提升的是功耗

  • 1.4.1. 功耗与主频的提升成正比，主频越高功耗越大，而一个集成电路能支撑的最大功耗有限

  • 1.4.2. 功耗问题的解决，已经超出计算机体系结构的能力范围，是半导体材料与制作工艺的用武之地

1.5. 在指令流水线优化中，一个非常关键的策略是乱序执行(Out-of-order execution)

  • 1.5.1. 现代处理器乱序执行的完整概念由IBM的Tomasulo，于1966年在System/360大型机的设计过程中提出，并于1990年在IBM的Power1处理器中实现

  • 1.5.2. 现代计算机体系结构中，乱序执行的要点是“执行过程乱序”​，在执行完毕后依然“顺序退出流水线”​

1.6. Nehalem微架构

  • 1.6.1. Nehalem微架构的大获全胜，一是因为“Tick”​，二是因为“Tock”​

  • 1.6.2. 2007年，Intel将半导体工艺制程升级到45nm，领先当时所有集成电路制作厂商，工艺的升级使芯片得以集成更多的晶体管

  • 1.6.3. Nehalem略微优化了指令流水线，却对存储器层次结构进行了一次体系变革，加快内部Cache的读取速度，扩展外部Cache的容量，此外还引入了QPI(Quick Path Interconnection)总线

  • 1.6.4. 基于Nehalem微架构制作的Nehalem-EX处理器，最多可以集成8个微架构，这8个微架构可以共享同一个外部Cache，并保证Cache的共享一致

1.7. Cache

  • 1.7.1. 产业界通常将微架构内部的Cache称为内部Cache(Inner Cache)，而将微架构之外的Cache称为外部Cache(Outer Cache)

  • 1.7.2. Cache越大命中率越高，对微架构性能提升越明显

  • 1.7.3. 不同层次的Cache之间，进行数据淘汰时涉及许多算法

  • 1.7.4. 伴随着处理器系统需要保持Cache一致性的微架构数量逐步增多，多个微架构间进行高效互连的难度剧增，加大了Cache层次结构的设计难度

1.8. Intel强化了System/360大型机时代提出的，将架构与实现分离的成功经验

  • 1.8.1. 直到今天，服务器产品依然是Intel的重要利润来源

1.9. 2006年6月27日，Intel将手机处理器产品，作价6亿美金出售给了Marvell

  • 1.9.1. 再伟大的公司也不能同时跨越两个时代之巅，大型机时代的IBM是这样，PC时代的Intel也是这样

1.10. 2015年，Intel发布基于14nm工艺制程的Skylake微架构后，Tick-Tock战略的执行步伐近乎陷于停滞

1.11. 2021年，Intel终于攻克10nm工艺制程，进展之慢甚至令竞争对手震惊

  • 1.11.1. 尽管Intel的10nm与台积电的7nm性能相当，但是此时台积电5nm工艺制程已经准备量产

  • 1.11.2. 昔日的对手AMD凭借与台积电的合作，再次挑战Intel

1.12. 第三次危机

  • 1.12.1. 不仅在半导体工艺制程上落后台积电

  • 1.12.2. 在x86处理器微架构层面也逐步被AMD赶超

  • 1.12.3. 以“每秒钟交易次数”为核心的设计思想，与人工智能时代倡导的“每秒钟运算次数”为中心的设计理念格格不入

  • 1.12.4. Intel的竞争者，除了Tick层面的台积电，Tock层面的AMD、英伟达，还有一个永远的对手—ARM

2. ARM

2.1. 1978年，Acorn Computers公司在这样的政治背景之下，成立于英国的剑桥

  • 2.1.1. 公司的三个联合创始人，Herman Hauser、Chris Curry和Andy Hopper

2.2. RISC架构因为结构精简，成为Acorn的首选

2.3. 大名鼎鼎的6502微处理器，是由名为WDC的处理器公司的创始人一个人开发的，这个公司通过IP(Intellectual Property)方式，将产品授权给其他大型公司，发展得异常健康

  • 2.3.1. 照搬WDC的模式，只进行处理器的设计，使用IP授权这种商务模式

  • 2.3.2. 还有BBC Micro计算机做后盾，与WDC公司相比更具优势

2.4. 1983年10月，Acorn决定将RISC技术作为主攻方向，启动了一个名为“Acorn RISC Machine”的处理器研制计划，这颗处理器简称为ARM

2.5. 1985年4月26日，第一颗ARM处理器，即ARM1，千呼万唤始出来

2.6. 1986年发布的ARM2没有激起波澜

2.7. 1989年发布的ARM3更加如此，没有公司使用ARM3开发产品

  • 2.7.1. 一些公司持观望态度将ARM3交与研发人员评估

  • 2.7.2. 更多的公司甚至不知道ARM3的存在

2.8. 1988年，Acorn的联合创始人Hermann Hauser离开了Olivetti，Andy Hopper比他更早一段时间离开

2.9. 1990年11月，Olivetti旗下的Acorn Computers、苹果和VLSI公司联合重组ARM

  • 2.9.1. 其中VLSI是ARM处理器的半导体制作公司，苹果入股ARM则基于一个战略考虑

  • 2.9.2. 重组后的公司继续沿用ARM作为简称，但已不再是Acorn RISC Machine，而是Advanced RISC Machine

2.10. 仅用300万美元便拥有了ARM公司43%股份的苹果，也并没有把宝完全押在ARM身上

  • 2.10.1. 苹果的重心是在1991年，与IBM和Motorola共同组建的AIM联盟

  • 2.10.2. 苹果的前几代Macbook使用这个联盟开发的PowerPC处理器，并非ARM

  • 2.10.3. 1998年，ARM公司在英国和美国上市后，苹果逐步卖出了所持有的ARM股份

2.11. 1993年，ARM迎来重大转机，德州仪器和Cirrus Logic先后加入ARM阵营

  • 2.11.1. 德州仪器给予了ARM雪中送炭的帮助

  • 2.11.1.1. 德州仪器没有选择Intel或其他强大的RISC厂商，与他们合作更似与虎谋皮

  • 2.11.2. 当时，德州仪器正在说服一家不算太知名的芬兰公司诺基亚，一同进入移动通信市场

  • 2.11.2.1. 诺基亚从伐木起家，20世纪60年代进入电子信息产业

  • 2.11.2.2. 80年代进入电视、PC与GSM手机市场

  • 2.11.2.3. 90年代，诺基亚切入通信领域，从GSM基站开始，逐步渗透到手持终端领域，准备与美国通信巨头摩托罗拉一较高下

  • 2.11.3. 德州仪器已经成长为巨人，在DSP(Digital Signal Processing)数字信号处理领域处于领袖地位

  • 2.11.3.1. 与手机基带信号处理相关的应用，几乎都在使用这家公司的DSP芯片，但是德州仪器没有制作处理器的经验

  • 2.11.4. ARM迎来了上天赐予的机会，通过与诺基亚和德州仪器的密切合作，ARM完全确立了基于微架构授权的商业模式

2.12. ARM7微架构较小的尺寸，使其获得了较低的功耗与价格，适合手持式设备的应用场景

  • 2.12.1. 1997年，Nokia正式发布使用ARM7架构的6110手机

  • 2.12.2. 诺基亚凭借这一系列手机，击败了如日中天的摩托罗拉，最后使得这家公司放弃了自行研发的68K处理器，加入ARM阵营

2.13. 手机的功能主要是通话与短信，还未演进成为智能手机，总体量并不算很大

  • 2.13.1. AMD的异军突起，及其与Intel的竞争，构建了处理器领域一道最炫目的风景线，而高端服务器领域则属于DEC

  • 2.13.2. DEC发布的Alpha系列处理器，即便放到21世纪，设计理念依然并不落后

  • 2.13.3. DEC本就是为21世纪设计处理器，在Alpha21x64的编号中，​“21”代表的是21世纪，而“64”指64位处理器

2.14. 1995年，DEC公司在获得ARM架构的完整授权后，将其升级为StrongARM微架构，并于第二年发布了基于StrongARM微架构的SA-110处理器

  • 2.14.1. DEC公司的帮助使ARM架构抵达前所未有的高度

  • 2.14.2. 许多公司开始使用SA-110处理器制作手持式设备

2.15. 1996年，ARM8正式发布，与ARM7微架构相比，在没有显著提高功耗的前提下，性能提高接近一倍，却依然无法和DEC的StrongARM微架构抗衡

2.16. 1997年，具有里程碑意义的ARM9微架构正式发布

  • 2.16.1. ARM9具有非常漫长的生命期，在2022年的今天，依然有不少公司，基于ARM9微架构设计嵌入式处理器

2.17. 1997年，DEC公司最终将StrongARM微架构出售给了Intel

  • 2.17.1. Intel如获至宝，投入大量人力，将StrongARM微架构升级为XScale微架构，强势进军所有嵌入式领域

  • 2.17.2. XScale微架构的成功使得更多的应用程序向ARM生态集中，使其进一步壮大

  • 2.17.3. 在Intel的推动下，XScale微架构广泛应用于嵌入式领域，包括用于手持终端的PXA处理器、网络通信的IXP处理器与存储领域的IOP处理器

  • 2.17.4. Intel的强势出击，愈发扩大了ARM阵营的势力范围

2.18. ARM10微架构的失利，没有使ARM公司大伤元气，XScale归根结底基于ARM体系，与ARM指令集兼容，能够运行在XScale微架构的程序可以轻易移植到其他ARM微架构中

  • 2.18.1. ARM公司似乎有一个宿命，几乎所有以偶数结尾的微架构，其结局都不算太好

2.19. Intel的强势出击，愈发扩大了ARM阵营的势力范围

  • 2.19.1. 摩托罗拉的68K、AIM的PowerPC、MIPS等嵌入式处理器，一个接着一个败下阵来，为ARM微架构未来的腾飞扫平了障碍

2.20. 2002年9月，ARM与三星签订了一项合作协议，允许三星完全访问当前与未来ARM开发的所有IP，而且未限定期限

  • 2.20.1. 将三星从ARM的一个客户，提升为能够左右ARM微架构发展方向的全天候合作伙伴

  • 2.20.2. 同年10月，ARM11微架构发布

  • 2.20.2.1. ARM11采用了在现代处理器中常用的优化方法，如指令的动态分支预测，对存储器层次结构的改进等

  • 2.20.2.2. 相对于ARM7与ARM9是一个不小的技术飞跃

  • 2.20.2.3. 基于ARM11微架构的处理器始终在稳步推进，伴随半导体制作工艺的提升，性能逐步提高，功耗逐步下降

  • 2.20.3. 世界上所有主流处理器厂商拥抱了ARM微架构

2.21. ARM生态已经从XScale微架构中获得了足够的能量，不再依赖任何厂商，他们的命运牢牢掌握在自己手中

  • 2.21.1. Intel将用于手持终端的PXA处理器，作价六亿美元出售给Marvell

  • 2.21.2. Intel将用于网络通信的IXP处理器，转让于一个初创公司

  • 2.21.3. Intel用于存储领域的IOP处理器则无疾而终

2.22. 从ARM7开始，历经StrongARM、ARM9与XScale之后，ARM的生态已不可撼动，并且无孔不入，从玩具车使用的智能控制器到手机、汽车领域的高端应用，都在使用ARM微架构

2.23. 2007年6月29日，乔布斯发布iPhone1手机​，使用基于ARM11微架构的处理器，开启了一个属于智能手机的时代

  • 2.23.1. 基于ARM9或者XScale微架构的手机，在通话与短信的基础上，添加了少许智能部件，并不是真正意义上的智能手机

  • 2.23.2. 在iPhone1出现前夕，ARM11微架构使用的主频已超过500MHz

  • 2.23.3. 在半导体存储领域，NAND Flash的快速更新迭代，使智能手机获得了足够大的存储容量，能够容纳更多的应用程序与数据

2.24. 在ARM11微架构之后，ARM公司使用新的命名方式，将ARM微架构替换为Cortex微架构

  • 2.24.1. Cortex微架构分为三大系列：用于微控制器领域的M系列、用于实时系统领域的R系列、用于高端应用领域的A系列

2.25. 几乎所有的半导体厂商，都在使用ARM架构进行设计

  • 2.25.1. 智能手机的制造商，苹果、三星也生产基于ARM架构的处理器

  • 2.25.2. 与Intel直接竞争的不是ARM，而是组成ARM阵营的半导体公司，Intel无力与全天下的半导体厂商同时竞争

  • 2.25.3. 基于ARM微架构的PC层出不穷，服务器产品也正在逐步成型

2.26. 2016年7月18日，这个具备搭建帝国潜质的公司，最终被软银收购，落入资本手中

  • 2.26.1. 作为一个公司的ARM，依然没有笑到最后