[品牌大傳奇] 從手機到人工智慧的 Game Changer ,ARM重新詮釋改變人類命運的新運算

在智慧手機崛起前,多數的人談到電腦,多半只知道 AMD 、 Intel 與 NVIDIA ,不過隨著智慧手機崛起, ARM 這個名字也漸漸廣為人知,不過不同於前三家以電腦為主的品牌, ARM 總給人一種蒙著神秘面紗的感覺,好像哪裡都可以聽到搭載 ARM 的核心,但卻又不是處理器的品牌,不過或許很多人並不清楚, ARM 不僅僅只是智慧手機界的霸主,從物聯網裝置到伺服器甚至汽車,處處可見 ARM 的技術。

雖然 ARM 廣為人知是智慧手機崛起後近幾年的事情,不過追溯到 ARM 的前身艾康電腦 ( Acorn Computers),則可回溯到上個世紀 1978 年,而後在 1990 年正式成立 ARM。早期的 ARM 並非主打高效能運算,而是以省電的微處理器技術為主,從省電的微處理器開始發展至今,也成為 ARM 在智慧手機能兼顧高效能與省電的基礎。

ARM 是一家很不同的公司,他不像 AMD 、 Intel 或是 NVIDIA 本身既是技術擁有者也是核心與處理器品牌, ARM 是一家所謂的 IP 技術授權公司,完全不涉及自有處理器品牌。甚麼是 IP 技術授權公司?也就是自身擁有技術但不涉及品牌實體產品,而是將技術授權給如蘋果、高通、聯發科、三星等公司,而這些公司在透過 ARM 所授權的技術,再進一步打造自己的處理器。

圖說:如 Intel 的處理器就像調理包,雖然方便但卻缺乏彈性

還是有點難懂嗎?或許用比喻的方式會簡單一些吧。假設把處理器當成商店賣的套餐, AMD 、 Intel 與 NVIDIA 就像是賣調理包的公司,進去之後所有的套餐從食材、烹飪方式、主食與配菜搭配、包裝都是由中央工廠調配完成,對消費者而言好處是打開調理包就是一道料理,雖然口味均一卻也缺乏變化。

圖說:三星 Galaxy S8 的處理器就是結合 ARM 的 Cortex-A 與 Mali GPU 搭配自身技術設計的產物

而 ARM 則像是提供食材與食譜的公司,像是蘋果、高通、聯發科與三星都可選擇要購買的是甚麼,由於 ARM 的授權還可分為只提供指令集供客戶自行修改或是微架構,有能力自行調教的客戶可以只選擇購買指令集,而在其它領域有專精的客戶則可購買已經有完整設計的微架構,再搭配自己的技術打造自己的處理器。

指令集就像是食材,食材需要經過烹飪才能食用;而微架構就如同是食譜,給了不知道如何烹調的人可以參考的方式。知道怎樣烹調的可以直接向 ARM 買食材並依照自己的專業進行烹調,不知道怎樣烹調的就連食譜一起買,按表操課也是能做出一道料理。

圖說:高通 Snapdragon 835 就是基於 ARM 指令集的半客製化自主處理器

若把處理器當成一份套餐, CPU 就宛若飯、麵等主食,而 GPU 則像是主菜,其它的部分像是 ISP 、 DSP 等就如同配菜一樣,只需要主食可以只購買主食相關的食材與食譜,而主食若要變成套餐,除了同樣向 ARM 購買以外,也可搭配自己準備的主菜與配菜,例如蘋果、高通的處理器,除了 CPU 是以基於 ARM 微架構自行設計外,其 GPU 就非 ARM 的專利技術。

圖說:聯發科 Helio X30 雖使用 ARM 標準微架構與 Mali GPU ,不過在核心配置採用獨家三叢集成為其特色

這樣的獨特模式,也造就 ARM 在市場引領創新,因為客戶可依照自身需求,省卻了如 CPU 架構這樣需要投入人力與財力進行研發的複雜部分,專注於自身擅長的領域,例如高通、聯發科等對於基頻技術的專業,或是蘋果對於架構最佳化微調的技術。

且 ARM 與 PC 處理器廠商最不同的地方,就是與客戶之間保有良好的互動關係, ARM 不僅把授權所得積極的投入新技術開發, ARM 每一次開發新技術架構前,皆是與客戶商討前瞻性的需求,以未來至少 3 到 5 年的需求,投入下一代新技術的開發,這也確保 ARM 所推出的指令集與微架構都會是客戶所需要的,這也是 ARM 之所以能夠擁有越來越多客戶合作的關鍵。

不同於 PC 世代一切以 CPU 效能為圭臬, ARM 自始都很強調根據不同需求使用不同的核心,以多種核心搭配使效率得以最大化,故 ARM 與其客戶所推出的處理器,皆整合為不同情境所需的多種核心,而每個核心的配置也都有其意義存在。

圖說: ARM 的 CPU 專利因應不同的應用分為三大類

先前也提到, ARM 不僅是智慧手機界各家處理器背後的王者,同時深入每個會用到與核心相關的地方; ARM 旗下的 CPU 分為三大類,分別是高效能運算的 Cortex-A ,重視即時性與低延遲的 Cortex-R ,以及以省電的微處理器應用為主的 Cortex-M ,這三項核心都有著不同的特質,亦可同時並存在同一顆處理器或是在同一平台的不同處理器間配合。

圖說: ARM 架構也漸漸進入伺服器領域

Cortex-A 是目前最常聽到的 ARM 微架構,也就是傳統被熟知的 CPU 中央處理器,具備執行作業系統的能力; Cortex-R 被稱為即時處理器,過去最常用於需要高精度與快速反應的硬碟馬達或是引擎供油管理,現在則因為網路技術流量提升,也被用於網路數據管理; Cortex-M 則被稱為微處理器,應用的範圍廣到驚人,從滑鼠的光學引擎、物聯網應用、智慧家電等,都有 Cortex-M 的身影。

此外,在 CPU 架構中, ARM 早意識到顧及省電與效率下,難以依靠單一種高效能 Cortex-A 核心達成,故也在智慧手機開始重視效能後,提出稱為 big.LITTLE 的核心配置設計,以一組最多四核心、以一組省電、一組高效能的核心搭配,在不同的運算需求進行切換,兼顧省電與運算效能需要。

而且今年 ARM 也將省電技術再昇華,推出從基本架構方面改善的 DynamIQ 設計,並宣布 DynamIQ big.LITTLE ,不僅讓一組內的核心最多可以達到 8 核心,同時也讓高效能與省電核心可以在同一群組中並存,使設計與運作原理變得更簡單,也使效率再次提升,更多的細節可見接下來的一圖看懂 DynamIQ 。

圖說:物聯網世代將會更大量使用到 ARM 的技術

除了提供 CPU 架構與設計以外, ARM 也提供 Mali GPU 與 Mali ISP 等技術,同時也開始著墨前幾年完全不敢想像的基於平行運算的高效能運算應用,在低能耗方面更由於物聯網概念逐漸成形,也有越來越多基於 Cortex-M 的應用出現, ARM 涵蓋的領域也更加由微至巨,這也是稱 ARM 為產業界無冕王的原因。

雖然以 ARM 獨特的模式與夥伴關係, ARM 幾乎可說在業界已獨領風潮,不過 ARM 依舊謹慎的持續發展新技術,深怕因為怠慢新技術的開發使夥伴的創新無法持續向前,2016年九月 ARM加入了關注物聯網的日本軟銀集團,在集團的助力下, ARM 持續加碼投入技術研發, 以期身為技術領軍者卻仍能戰戰兢兢如履薄冰,更是讓 ARM 能夠擁有當前局勢的關鍵。

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