ARM架构体系微处理器发展历史及其在人工智能领域的应用

吴瑜儒 江西软件职业技术大学

ARM公司是一家通过出售芯片技术授权，将其微处理器的设计内核授权给半导体，软件和OEM厂商，是目前主要广泛使用的RISC处理器代表之一，同时是全球最大的芯片架构IP供应商，生态合作伙伴遍布全球半导体产业链，形成以ARM为核心的全球最大生态体系。

一、ARM公司的发展历史时间线如下

1978年，奥地利物理学家Hermann Hauser和英国工程师Chris Curry，在英国剑桥创立了一家名称为Cambridge Processing Unit的公司，1979年，改名为Acorn计算机公司。

1982年，Acorn计算机公司为BBC发起的英国政府开展的CLP计划（Computer Literacy Project）提供设计和生产名为BBC Micro的电脑，选用MOS科技公司的6502/6512处理器，内存16-32KB，外存100-800KB。最初方案是摩托罗拉的6800，因价格原因而后又转而向intel，要求后者提供8086的设计资料，遭拒绝后，再找到MOS公司。6800，8086，6502/6512在当时都是优秀的主流8bit处理器，6800和6502/6512的主频都是1MHZ，但是6502/6512拥有一个一级指令流水线，性能要显著高于6800和8086。另外，6502/6512也是苹果于1976年推出的APPLE I和1977年的APPLE II的处理器。

在BBC Micro的后继16bit计算机型号的研发过程中，Acorn公司发现无论是6800还是80286处理器都难以取得性能和价格的平衡。不是性能太弱，就是价格太贵。最终决定自行设计处理器。研发人员借鉴美国加州大学伯克利分校的RISC(Reduced Instruction Set Computing，精减指令集）设计思想，于1985年由Roger Wilson和Steve Furber设计了第一个32bit 6MHz的主频的处理器，名为Acorn RISC Machine，简称ARM，又称为ARM1。

ARM1问世后，因其功耗小，价格便宜，适合移动设备的特点，被当时的苹果公司采用，作为APPLE NEWTON MESSAGE PDA的处理器，被认为是智能手机的鼻祖，但在当时NEWTON的技术过于超前，最终遭致了商业失败。因各种其它原因，乔布斯最终被苹果公司董事会驱逐。

之后Acorn又陆续推出了ARM2，ARM3，1990年，Acorn公司正式改名为Advanced RISC Machine计算机公司，同年苹果出资150万英镑，VLSI出资25万英镑，Acorn以自身150万英镑的知识产权和12名工程师作为原始股东入股。

刚成立时，由于销售业绩惨淡，所以ARM做出了日后不再设计和生产处理器，而是将芯片的设计方案转让给其他公司的决定，这个商业模式一直持续到了今天，让其获得了巨大的商业成功，这个模式今天被称为ARM IP(Intellectual Property，知识产权)授权模式，收取一次性技术授权费用和版税提成，同时提供软件，开发工具以及技术支持服务。

1997年首个ARM处理器手机诺基亚6110上市，使用德州仪器ARM授权的16位内核的处理器，给德州仪器和ARM带来了巨大的商业回报。

ARM随后又推出了ARM7系列处理器，随着当时3G的发展，ARM迎来了高速发展，1998年，ARM公司在纽约纳斯达克和伦敦证交所同时上市。

2007年， 在乔布斯回归苹果后，iphone诞生，初代iphone使用了三星生产的ARM指令架构处理器，而在2008年，第一台安卓手机诞生，同样也是采用基于ARM指令架构的处理器。

2011年，微软的WIN10系统开始正式支持ARM指令集。

2016年，软银以243亿英磅收购了ARM公司。

2018年，ARM中国公司成立。

2019年，美国商务部开始对华为进行第一轮制裁。后续和ARM授权关系令人担忧。

二、ARM处理器架构

ARM处理器发展到如今，其体系结构暨指令集架构版本截止2020年为止共为8个版本，具体如下：

指令集架构 处理器内核架构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，一种指令集架构中包括多种不同的处理器内核家族。ARMv1和ARMv2为ARM初期的架构。ARMv3是以ARM6和ARM7系列处理为主，目前应用相对较少。

ARMv7其中典型的处理器为应用了Cortex-A15内核的三星Exynos 5250处理器和华为的麒麟920处理器。

ARMv8其中最著名的核心为A71，A72，A73和A76等大核心，以及A53，A55等中等核心，典型的代表为华为的麒麟950，，960，970和980，990系列处理器。

三、ARM面向人工智能的NPU和AIPU

在人工智能领域ARM主要有两个平台产品，即NPU和为中国特异化定制的AIPU，目前NPU主要是Ethos系列，有N77和N78两个平台，N77到目前为止没有实际产品运用，N78即将会以Ethos IP的形式集成在处理器中作为神经网络加速器。

AIPU（人工智能处理单元）是ARM中国开发的AI专核，采用为神经网络运行及相应的前后处理设计的专用指令集，满足不同人工智能算法需求，融合了多种执行粒度的指令，同时也支持也支持Arm CPU，Mali GPU，以及第三方AI处理单元，为人工智能应用提供统一的运行时软件接口。目前国内全志科技已经将AIPU集成在其语音处理器产品R328中，应用于人工智能语音处理。