引發(fā)芯片行業(yè)地震！ARM全新架構(gòu)如此彪悍

　　ARM近日推出全新的DynamIQ技術(shù)，并表示作為未來(lái)ARM Cortex-A系列處理器的基礎(chǔ)，基于ARM big.LITTLE技術(shù)演進(jìn)的DynamIQ技術(shù)相比上一代技術(shù)將提供更多的核心搭配方式，并覆蓋從端到云的安全、通用平臺(tái)。其中最令人感到驚訝的是ARM副總裁及計(jì)算產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理Nandan Nayampally宣稱根據(jù)ARM測(cè)算，到2020年左右搭載DynamIQ的ARM下一代芯片將比現(xiàn)在在人工智能表現(xiàn)上有50倍的性能提升。而在介紹DynamIQ技術(shù)之前先跟隨筆者一起簡(jiǎn)單了解一下移動(dòng)芯片領(lǐng)導(dǎo)者的ARM公司吧。

Fabless模式助ARM用27年完成1000億芯片出貨量

　　伴隨近些年智能手機(jī)的火熱，ARM這三個(gè)字母開(kāi)始被大眾所熟知。但大部分人所不知道的其實(shí)ARM公司的前身Acorn早在1978年就由物理學(xué)家赫爾曼·豪澤(Hermann Hauser)和工程師Chris Curry在英國(guó)倫敦正式成立。1990年ARM從Acorn分拆出來(lái)開(kāi)啟了自己的傳奇之路。借助90年代手機(jī)的快速發(fā)展，2002年基于ARM技術(shù)的芯片出貨量累計(jì)達(dá)到了10億片，而此后的15年更是如開(kāi)掛一般：2005年一年出貨量就完成10億片，2010年10億片的出貨速度縮短到了1個(gè)季度，到了2013年更是將時(shí)間進(jìn)一步縮短到只用一個(gè)月，并于2017年宣布正式達(dá)成1000億芯片出貨量的里程碑，而在輝煌成績(jī)的背后，F(xiàn)abless這種獨(dú)特的授權(quán)模式功不可沒(méi)，而Fabless到底是什么呢?

27年達(dá)成1000億芯片出貨量

　　在半導(dǎo)體芯片行業(yè)，企業(yè)的模式主要分三種，一種是從設(shè)計(jì)，到制造、封裝測(cè)試以及投向消費(fèi)市場(chǎng)一條龍全包的企業(yè)，稱為IDM(Integrated Design and Manufacture)公司，比如我們所熟知的英特爾。IDM模式的好處在于由于所有環(huán)節(jié)均一手包辦所以從IC 設(shè)計(jì)到完成IC制造所需的時(shí)間較短也不存在工藝流程對(duì)接的問(wèn)題，缺點(diǎn)也很明顯，那就是對(duì)資金的需求堪稱海量，以臺(tái)積電將要新建的18英寸晶圓廠為例，預(yù)算高達(dá)159億美元，這顯然不是一般半導(dǎo)體廠商所能承受的。

　　說(shuō)到Fabless就要提Foundry(代工廠)，F(xiàn)abless是只做設(shè)計(jì)不做生產(chǎn)，代表企業(yè)就是ARM。ARM不制造、不銷售任何芯片，只是自己設(shè)計(jì)IP，包括指令集架構(gòu)、微處理器、圖形核心、互連架構(gòu)，然后誰(shuí)喜歡誰(shuí)想要就把授權(quán)賣給誰(shuí)。至于客戶拿到ARM的IP后想怎么干完全不管。

　　而Foundry(代工廠)的代表企業(yè)臺(tái)積電和Global Foundry是只做代工不做設(shè)計(jì)。Fabless的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)靈活，設(shè)計(jì)成本低，而缺點(diǎn)則是需要與代工廠配合，比如當(dāng)你設(shè)計(jì)出10nm的芯片之后，如果代工廠工藝沒(méi)達(dá)到時(shí)你只能干著急。不過(guò)由于英特爾這類的傳統(tǒng)半導(dǎo)體大廠過(guò)去對(duì)移動(dòng)市場(chǎng)的不重視，使得沒(méi)有什么競(jìng)爭(zhēng)的ARM公司快速發(fā)展起來(lái)，而將其真正推向巔峰的則是其獨(dú)特的授權(quán)模式。

　　三大授權(quán)模式助ARM架構(gòu)百花齊放

　　ARM公司根據(jù)技術(shù)劃分的高級(jí)別類型，按照授權(quán)對(duì)象、用途來(lái)說(shuō)有很多種方式。而我們目前在市場(chǎng)上所熟知的從高到低有三種：架構(gòu)層級(jí)授權(quán)、內(nèi)核層級(jí)授權(quán)、使用層級(jí)授權(quán)。

　　ARM授權(quán)制度

　　架構(gòu)層級(jí)授權(quán)，是指可以對(duì)ARM架構(gòu)進(jìn)行大幅度改造，甚至可以對(duì)ARM架構(gòu)進(jìn)行大幅度改造，甚至可以對(duì)ARM指令集進(jìn)行擴(kuò)展或縮減，以便達(dá)到更高性能、更低功耗或更低成本等不同目的，授權(quán)費(fèi)用也最為昂貴。這方面的代表企業(yè)就是蘋(píng)果，高通和三星。

　　內(nèi)核層級(jí)授權(quán)，是指用戶可以將其所購(gòu)買的ARM核心應(yīng)用到其自行設(shè)計(jì)的芯片中。但用戶不得對(duì)其購(gòu)買的ARM核心本身進(jìn)行修改，但可以以內(nèi)核為基礎(chǔ)然后再加上自己的外設(shè)(比如基帶)，授權(quán)費(fèi)用居中，代表企業(yè)就是我們最熟知的華為麒麟處理器了。

　　華為麒麟

　　使用層級(jí)授權(quán)，擁有使用授權(quán)的用戶只能購(gòu)買已經(jīng)封裝好的ARM處理器核心，而如果想要實(shí)現(xiàn)更多功能和特性，則只能通過(guò)增加封裝之外的DSP核心的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)(當(dāng)然，也可以通過(guò)對(duì)芯片的再封裝方法來(lái)實(shí)現(xiàn))，授權(quán)價(jià)格最便宜。目前絕大部分中國(guó)企業(yè)拿到的均是這種授權(quán)。

　　三大授權(quán)模式可以滿足任何企業(yè)的任何需求，從上層市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，蘋(píng)果、三星、高通三家由于具有強(qiáng)大的芯片設(shè)計(jì)能力，可以通過(guò)使用自主架構(gòu)來(lái)形成差異性競(jìng)爭(zhēng)，而至于技術(shù)實(shí)力欠缺一籌的其他公司來(lái)也有公版架構(gòu)來(lái)選用，這就使得ARM的芯片設(shè)計(jì)制造生態(tài)圈出現(xiàn)了百花齊放百家爭(zhēng)鳴的現(xiàn)象。根據(jù)ARM公司現(xiàn)場(chǎng)公布的數(shù)據(jù)，在已出貨的1000億顆基于ARM的芯片中，有500億顆是由ARM的合作伙伴從2013年到2017年出貨的。這些數(shù)據(jù)恰好證明了ARM授權(quán)模式的成功，但與此同時(shí)也衍生出一個(gè)問(wèn)題，那就是越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始嘗試自主設(shè)計(jì)架構(gòu)，讓ARM的公版架構(gòu)面臨成為雞肋的風(fēng)險(xiǎn)。不過(guò)作為移動(dòng)SOC市場(chǎng)上除高通外唯一能同時(shí)擁有CPU和GPU技術(shù)的公司，ARM顯然更希望生態(tài)圈內(nèi)的合作伙伴能更多的使用ARM自身開(kāi)發(fā)的架構(gòu)。而隨著物聯(lián)網(wǎng)，人工智能，云計(jì)算等行業(yè)的興起，ARM也加快了自身架構(gòu)的研發(fā)速度，于是DynamIQ橫空問(wèn)世。

　　回歸單集群設(shè)計(jì)以退為進(jìn)

　　從早期為了突破單核性能的最多支持4顆核心的Mlticore單集群，到為了實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化最多支持八核心的雙集群架構(gòu)big.LITTLE，再到現(xiàn)在為了推出的DynamIQ單一集群技術(shù)?？梢钥闯鯝RM公司從始至終都秉承著高性能、低功耗、低價(jià)格的三大基礎(chǔ)原則進(jìn)行技術(shù)演進(jìn)。從雙集群到單集群的設(shè)計(jì)看似倒退實(shí)則是一次技術(shù)革命。以上一代big.LITTLE架構(gòu)為例，big.LITTLE架構(gòu)分為高性能集群和低功耗集群，每個(gè)集群最多各四顆核心。在運(yùn)行復(fù)雜大型程序時(shí)開(kāi)啟高性能集群，而在運(yùn)行簡(jiǎn)單程序時(shí)則開(kāi)啟低功耗集群，這種做法盡管可以降低功耗但在靈活性上相比DynamIQ仍然稍遜一籌，例如，1+3或者1+7的SoC設(shè)計(jì)配置都是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而這些都是在異構(gòu)計(jì)算和具有人工智能的設(shè)備上需要優(yōu)先考慮的。而全新的DynamIQ架構(gòu)可以在一個(gè)集群內(nèi)放置不同類型(按性能功耗分為：高性能高功耗和低性能低功耗)的核心來(lái)滿足例如圖像識(shí)別，語(yǔ)音識(shí)別核心，運(yùn)算核心等等不同的功能需求，每種功能對(duì)功耗自然有著不同的需求。在同一個(gè)集群內(nèi)無(wú)縫切換核心的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了在同等芯片面積下的設(shè)計(jì)靈活性。重新設(shè)計(jì)的內(nèi)存子系統(tǒng)也將提高數(shù)據(jù)讀取能力并保持節(jié)能特性。

　　回歸單集群設(shè)計(jì)提供更多核心組合方式

　　Nandan Nayampally用一個(gè)例子來(lái)表述，例如物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的智能監(jiān)控。當(dāng)有人進(jìn)屋監(jiān)控設(shè)備聽(tīng)到聲音的時(shí)候，也許是負(fù)責(zé)聲音識(shí)別的核心開(kāi)啟工作，而當(dāng)看到影子的時(shí)候也許是負(fù)責(zé)簡(jiǎn)單圖像識(shí)別例如分清是人還是物的核心開(kāi)啟工作。到了人能顯現(xiàn)的時(shí)候就是負(fù)責(zé)面部識(shí)別核心開(kāi)啟工作。DynamIQ的英文發(fā)音同單詞Dynamic完全一致，而Dynamic的中文意思正是動(dòng)態(tài)、充滿變數(shù)，相信這也是命名DyanmIQ的原因之一。