1. ARMの歴史
ARM の開発の歴史は 1978 年に遡りますが、クリス カリー氏が勤めていた会社が経営危機に見舞われ、開発はますます悪化し、カリー氏は創業者と綿密なコミュニケーションを行った後、退職を決意しました。当時、カリーはマイクロコンピュータに非常に興味を持っており、友人のヘルマン・ハウザー（ヘルマン・ハウザー）とともにケンブリッジ・プロセッサー・ユニット株式会社を設立しました。1979年、ケンブリッジ・プロセッサー・カンパニーは社名をエイコーン・コンピューター(Acorn Computer) Co., Ltd.に変更しました。創業当初は主に電子機器の設計と製造に従事し、1981 年 12 月に最初の製品として大成功を収めた BBC マイクロコンピュータを発売しました。1985 年はエイコーン コンピュータにとって重要なマイルストーンであり、削減された命令セット、3 ミクロン プロセスを使用し、25,000 個のトランジスタを含む 32 ビット マイクロプロセッサの設計を独自に完成させました。このプロセッサは、ARM アーキテクチャである ARMv1 の出発点です。
1990年にVLSI Technology Corporationの出資により、AcornとAppleがそれぞれ43％の株式を保有してARMを設立し、以来ARMはAdvanced RISC Machinesの略称となりました。当初の ARM メンバーは数人のエンジニアで構成され、ケンブリッジの納屋に拠点を置いていました。
1996 年、ARM は収益性を達成するために、テキサス インスツルメンツ、サムスン、ノキアなどの企業と協力関係を確立しました。Nokia 6110 携帯電話の古典的なゲームである Snake は、ARM 7TDMI チップに基づいて開発されています。1998 年に ARM はナスダックに上場され、取引対象となりましたが、当時の ARM の時価総額は 10 億ドルに達していました。2004 年に、ARM は Cortex-A、R、M の 3 シリーズのプロセッサをリリースしました。注意深く読んでいる人は、これら 3 シリーズのプロセッサが ARM の 3 文字であることに気づいたかもしれません。2007 年 2 月、ARM の最初の GPU である Mali-200 が正式に市場に投入され、同年、テクノロジーの世界でもう 1 つの大きな出来事が起こりました。それは、iPhone の誕生でした。iPhoneはARMコアをベースとしたチップを搭載した画期的な電子製品と言えますが、スマートフォン時代の到来とともにARMも台頭し、2007年にはARMコア設計のチップが出荷されました。 1億を達成しました！
2016年にARMは日本のソフトバンクに買収されたが、2020年にソフトバンクはARMをエヌビディアに400億ドルで売却する計画を立てていたが、多くの規制当局の反対により取引は中止された。ARMは今後も半導体業界で中立を保つだろうチップ設計会社は IP (知的財産) 認証を提供します。
2. ARM プロセッサ ファミリ
ARM は長年にわたり、かなりの数の異なるプロセッサ製品を開発してきました。以下の図に示すように、ARM プロセッサ製品は、クラシック ARM プロセッサ シリーズ (下図の分割線の左側) と最新の Cortex プロセッサ シリーズ (下図の分割線の右側) に分類されます。そして、さまざまなアプリケーション範囲に応じて、ARM プロセッサは 3 シリーズに分類できます。
- アプリケーション プロセッサ (アプリケーション プロセッサ、下図のオレンジ色のボックス) – モバイル コンピューティング、スマートフォン、サーバー、その他の市場向けのハイエンド プロセッサ。これらのプロセッサは、非常に高いクロック周波数 (1GHz 以上) で動作し、Linux、Android、MS Windows、モバイル オペレーティング システムなどの完全なオペレーティング システムに必要なメモリ管理ユニット (MMU) をサポートします。開発を計画している製品で上記のオペレーティング システムのいずれかを実行する必要がある場合は、ARM アプリケーション プロセッサを選択する必要があります。
- リアルタイム プロセッサ (リアルタイム プロセッサ、下図の灰色のボックス) – ハードディスク コントローラ、自動車のパワートレイン、無線通信のベースバンド制御などのリアルタイム アプリケーション用の高性能プロセッサ ファミリ。ほとんどのリアルタイム プロセッサは MMU をサポートしていませんが、通常は産業用アプリケーション向けに設計された MPU、キャッシュ、その他のメモリ機能を備えています。リアルタイム プロセッサは、比較的高いクロック周波数 (例: 200MHz ～ >1GHz) で動作し、応答遅延が非常に短くなります。リアルタイム プロセッサは、フル バージョンの Linux および Windows オペレーティング システムを実行できませんが、多数のリアルタイム オペレーティング システム (RTOS) をサポートします。
- マイクロコントローラー プロセッサ – マイクロコントローラー プロセッサは通常、サイズが小さく、エネルギー効率が高いように設計されています。通常、これらのプロセッサのパイプラインは非常に短く、最大クロック周波数は非常に低くなります (ただし、200Mhz 以上で動作するプロセッサも市販されています)。また、新しい Cortex-M プロセッサ ファミリは、非常に使いやすいように設計されています。したがって、ARM マイクロコントローラ プロセッサは、マイクロコントローラおよび深く組み込まれたシステム市場で非常に成功し、人気があります。
ARM 3 シリーズ プロセッサの特性
さらに、ARM はモバイル GPU シリーズである Mali GPU も発売しました。
3. ARM 認可
ARM は知的財産 (IP) サプライヤーですが、通常の半導体企業との最大の違いは、チップの製造やエンドユーザーへの販売は行わず、パートナーがそれぞれの特徴を持ったチップを生産していることです。
大まかに言うと、ARM 認証は 3 つのレベルに分かれています。
- 階層型認可を使用する
- カーネルレベルの認可アーキテクチャ
- 命令セットレベルの認可
これら 3 つの権限レベルは順番に上昇します。チップ設計会社の要件も低いものから高いものまであり、使用できるスペースも低いものから高いものまであります。命令セット レベルの認証 (ソフト コアとも呼ばれる) が最も大きなスペースを持ち、階層的な認証が使用されます。 (ハードコアとも呼ばれる) は、プレイできるスペースが最も少ないです。(たとえば、鋳造工場 TSMC は、図面を変更せずに構築を実行できます)。
ARM の階層的認可 (ハードコア) を使用するチップ設計会社を買収するには、平たく言えば、ARM パブリック バージョン アーキテクチャを使用します。この場合、チップ設計会社は ARM のブランドを社外に持ち出す必要があります。CPU のブランドは Cortex-AXX です (XX は 2 つのアラビア数字を表し、最初の数字はアーキテクチャの世代を示し、2 番目の数字はアーキテクチャの世代を示します)アーキテクチャの微調整）、GPUはMali-GXX（XXは上記と同じを意味します）です。
これら 3 つのレベルの権限を大まかながらわかりやすい例で説明すると、次のように理解できます。
私が記事を書いたとします。私はあなたにそれを転送することだけを許可します。変更することはできません。油や酢を追加することはできません。つまり、階層的な許可を使用します。記事内で私の記事を引用することを許可します。カーネル レベルの承認; 新しい論文を形成するために記事を変更および再構成するには、アーキテクチャ レベルの承認を取得することを許可します。
特定のバージョンのスキーマレベルの認可は通常、永続的であることに注意してください。
現在、Apple、Intel、Broadcom、IBM、LG、SONY、NXP、TIなどの大企業を含む1,000社以上の企業がARMと技術ライセンス契約を結んでいます。しかし、アーキテクチャ ライセンスを購入する企業は 15 社程度しかなく、Qualcomm、Apple、Broadcom、Marvell、Huawei、Samsung などが典型的なユーザーです (また、それぞれの業界のリーダーでもあります)。
4、ARMアーキテクチャ分析
以下では、S3C2440を例に51個のシングルチップマイコンと比較・分析し、ARMアーキテクチャを詳細に分析します。
ARM 社は主に ARM シリーズ AISC プロセッサ コアを設計しており、チップの製造は行っておらず、IP コアのみを提供しています。まずアーキテクチャ、コア、プロセッサ、チップについて例を挙げて説明します: S3C2440、これは SoC チップです。CPU ではないことに注意してください。S3C2440 は、私たちがよく知っている 51 シングルチップ マイコンに似ています。 SCM、MCU、SoC という 3 つの段階を経ています。51はSCMまたはMCUに属し、S3C2440はSoCに属します まず、51シングルチップマイコンの内部構造を下図に示します。
その内部構造は、単純に CPU と周辺機器の 2 つの部分に分けることができます。2440 をもう一度見てください。
真ん中のARM920Tがそのプロセッサで、ここではプロセッサとコアという概念があると思いますが、一方はハードな概念で、もう一方はソフトな概念です。ここでの ARM920T はプロセッサであり、コアでもあります。サムスンがやっていることはこのCPU以外にもある。
アーキテクチャについてはどうですか？別の写真を見てみましょう。
左側がアーキテクチャ、右側がコアとも言えるプロセッサーです。ARM の最初で最も成功した CPU は、ARMv4 に基づいた ARM7TDMI でした。ARM アーキテクチャには、次の RISC 機能が組み込まれています。
- スキーマの読み取り/保存
- 不整列メモリアクセスをサポートしません (ARMv6 コアでサポートされるようになりました)
- 直交命令セット (任意のアクセス命令が任意のアドレッシング モードでデータにアクセス可能 直交命令セット)
- 16 × 32 ビット レジスタの大規模な配列 (レジスタ ファイル)
- 固定の 32 ビット オペレーション コード (オペコード) 長により、エンコードのコストが削減され、デコードとパイプラインの負担が軽減されます。
- ほとんどは 1 CPU サイクルで実行されます。
- 異なるバージョンのアーキテクチャが調整されます。
サムスンのように、ARMと協力している他の大手メーカーは通常、CPUとさまざまな周辺IPを組み合わせて、図面をテープに取り出すと、生産される製品も四角形でその下に多数のピンがあるものになります。これは SoC (システム オン チップ) と呼ばれます。英語の観点から見ると、いわゆるクアッドコア SoC は CPU だけを意味するのではなく、クアッドコア システムを意味します。
したがって、大手メーカーが現在行っていることは、ARM の認可を購入し、ARM プロセッサのソース コードを入手して、周辺 IP を作成 (または自分で購入または設計) し、SoC を形成してからテープに移行することです。SoC が異なればアーキテクチャも異なります (つまり、CPU が IP に接続される方法、コアとしてバスを使用するもの、コアとして DDR を使用するものなど)。そのため、HiSilicon は独立した所有権を持つ SoC アーキテクチャです。しかし、メーカーが何をしても、どんなに頑張っても、CPUには手を付けられておらず、ARMコア、つまり中央処理装置がそこにあるだけです。
V. まとめ
ポストスマートフォン時代において、ARM は急速に発展し、10 年以上で良好なエコシステムを確立し、Intel の古いパートナーである Microsoft も 2011 年に ARM アーキテクチャのサポートを発表しました。2022 年の時点で、ARM には 1,000 社を超えるパートナーがおり、スマートフォンの 95% には ARM コアベースのプロセッサが使用されており、累計出荷プロセッサ数は 2,250 億個を超えています。2000 年頃、ARM アーキテクチャ プロセッサのパフォーマンスが x86 に匹敵する、あるいは x86 を超える可能性があるなどと誰かが言ったとしたら、それは空想に等しいでしょう。そして、科学技術の発展に伴い、ARM はモバイル インターネットという大きな船に乗り、命令セット アーキテクチャの分野で新たな勢力へと徐々に成長していきます。