ARM在物联网领域的布局分析

开始本文之前，作为背景，请1起来扼要回顾1下ARM公司近1个月的新闻发布：

-ARM公司日前宣布DesignStart计划，为支持初创公司进行创新，免费的Cortex-M0处理器IP将被给予任何希望采取ARM Cortex-M0处理器进行商业化之前的SoC元件设计、原型建模和制造的设计人员，并提供系统设计工具包（SDK），和低本钱的FPGA原型建模（995美元的Versatile? Express FPGA开发板）。

-ARM公司日前宣布，推出全新高能效的ARM Mali?⑷70图形处理器(GPU)，赋予可穿着和物联网装备媲美智能手机的视觉享受，让智能手表、家用网关和电器、工业控制面板和医疗监视器等对功耗要求严苛的产品能够展现更出色的用户界面。Mali⑷70即日起开放授权，首款搭载此GPU的装备预计将于2016年底推出。

-ARM公司日前推出ARMv8-M架构，将ARM TrustZone?技术拓展至微处理器，帮助开发者更便捷地赋予小型嵌入式装备安全性。致力于将基于ARM Cortex?-M处理器装备的安全性延伸至硬件层，确保开发者能够快速、高效地保护所有嵌入式或物联网装备。

-ARM日前发布全新Cortex-A35处理器，是目前全球最高功效的64位移动处理器，也是“每毫瓦性能”方面的佼佼者，可将ARMv8-A架构的优势整合到移动或低功耗嵌入式利用当中，例如单主板计算机和汽车电子产品。

所以，免费的ARM Cortex-M0 IP、高效能低功耗的GPU、赋予微处理器硬件安全的ARMv8-M全新架构、全球目前最高功效的64位移动处理器，短短1个月内，ARM针对物联网频频亮招，让业界重视，这1以低功耗处理技术善于、曾将我们快速带入智能移动领域的计算巨头，会在物联网全面来临的今天布下怎样的市场与技术格局？这也是EDN China想特别关注的方向。

今年适逢ARM公司成立25周年，在2015 ARM Tech论坛上，当对下1个大市场（Next Big Thing）做产业及技术展望时，ARM大中华区总裁吴雄昂就曾表示：“未来5到10年，人工智能有望被放入每一个装备，人类将迎来全面智能的时期。机器在履行层面的能力有望超过人类，云端和终端将同时具有智能，人机交互将不单单通过APP去控制，而是通过自然语言、机器学习，让机器（装备）来理解人类。固然，所有这些必须建立于“计算与信任”（Computer and Trust）的基础之上，对计算芯片将是又1波大发展，也将机器（装备）的可信赖要求提升到1定高度。”

图1：ARM在Tech论坛现场给出的IoT的成功公式

标准的成功公式，物联网也有

对这么1波大发展，如何让五花八门的IoT技术和产业得以正确发展（Get IoT Right），ARM处理器部门总经理James McNiven表达了他的看法：在步入IoT的今天，ARM仍然看到来自本钱、用户体验、生态系统的挑战。IoT的根本在于“有价值的数据”，在更大的生态系统间同享数据、相互连接，这些都需要确保足够的安全，才可能对数据产生的结果或履行有最基本的信任。其中要想让IoT到达上范围化的发展，有3大必要因素，首先互连装备必须基于共同的标准；并在任何1个层面具有安全和可信任保障；最后也需要全部生态环境共同的支持。目前看来IoT在很多领域的发展依然没有上范围，但已有很多优秀的案例在产生。对标准，已有像IPSO同盟等方面在着手。而从底层硬件架构到软件再到通讯层，建立端到真个安全机制则是ARM和其广阔的生态合作火伴在努力着手的方向。

在当天论坛上，麦迪视察到ARM给出1个有趣的成功公式，这是1个关于计算的成功公式：

图2：在PC时期成功意味着高性能/价格比；在笔记本电脑和移动装置时期，需要再加上功耗因素；在IoT时期，成功需要在上述基础上，乘以安全因素

毫无疑问，ARM在移动时期的成功得益于对功耗因素的优秀控制。但是到了IoT时期，如何再套用这个公式？让我们分别来解析1下ARM的策略与做法。

在这个成功公式背后，最直观却也是最难的就是Scale。想要在IoT复杂的细分市场中到达范围化（Scale），ARM的策略，也是ARM1直所信奉的，就是依托合作火伴，构建强大的生态系统。深谙生态系统重要性的ARM在论坛上反复强调：生态系统中千千万的合作火伴是构成产业化和范围化的关键。在物联网时期，各领域的数据需要同享，构成价值。这将直接依托于来自各领域合作火伴的气力。“ARM在这方面有巨大优势，我们有1个非常庞大的生态系统，包括我们的合作火伴，它们都有各自的专长，可以帮助解决1些不同的问题，实现差异化和专业性。”James表示。

ARM将安全深入微处理器硬件架构内部

对IoT成功公式中，如何打造信任（Trust）因素，也是ARM目前所强调的重点与难点。

解析这1因素的布局，简单来看，ARM正着手打造从处理器内部硬件安全（这1趋势目前正被引入到微控制器内部安全），并正在将之延伸到全部体系端对真个安全。

首先是对嵌入式装备最重要的微处理器，就在两周前，ARM推出了ARMv8-M架构，1个强调安全的架构。ARMv8-M将ARM TrustZone?技术拓展到了微处理器内部，希望能为基于ARM Cortex?-M处理器的嵌入式装备的安全性延伸至底层硬件层，以帮助开发者更便捷地赋予小型嵌入式装备安全，从而确保每一个IoT节点的安全。谈到TrustZone技术，James McNiven表示：“早先，我们在所有利用处理器Cortex-A系列里面有安全架构TrustZone，完全能够实现CPU中有两个状态，安全状态和普通状态，能够实现1个物理的隔离，这在15年前我们就开始采取。例如指纹辨认已从高端普及到千元机，所有指纹的辨认和对照，包括将来虹膜的辨认，都是基于TrustZone环境来做，移动支付，国内像支付宝、微信支付、银联也已把支付服务放在了基于ARM的TrustZone保护的环境里。现在我们希望基于TrustZone这样基于硬件的安全带到物联网装备上来，我们要在小的节点上实现安全架构。”

固然有别于ARM v8-A，为了适用于Cortex-M系列这类很小的处理器，V8-M架构为小处理器做了1系列的调剂（图3）。“我们需要去下降中断的时延，需要省电，要非常有效。这时候候它内部做了很多的设计，它的安全中断的时延比原来小很多。第2部份，基于硬件安全状态的切换，由于v8-A系列的TrustZone是基于软件的切换，CPU从普通状态切换到安全状态是通过1个Secure Monitor来做这类基于软件的切换，所以会有1些时延，但是TrustZone for ARMv8-M是1个硬件，不再需要这样处理，所以它的切换速度会非常快。第3，为了方便编程（包括debug），全部是基于C语言编程的。最后，也是为软件开发者方便，直接基于1个function call的调用就能够直接切到安全状态，不需要经过原来的Secure Monitor来做。”James McNiven详细解释道。这些做法的好处就是下降了安全中断时延，由于采取硬件安全切换，切换速度会比传统软件安全切换的速度快很多，更适用于微控制器的需要。

图3：ARMv8-M架构图

不但限于架构，ARM的TrustZone CryptoCell（1种硬件安全IP，有基于硬件的加解密的加速器，还有很多硬件安全的计算）系列将数据保护提升到了新的水准。这1增强的安全技术会创建1个硬件安全附加层，实现高价值资产的隔离存储，提供优化的加密法和对重要信息的生命周期管理。“我们有两个系列，CryptoCell 300系列是为基于Cortex-M的SoC做加解密的硬件加速，我们也有700系列是面向高端、基于Cortex-A系列加解密的1些底层硬件安全资源。CryptoCell是用于做1些关键信息的加密和存储，包括我们在物联网利用时，也需要处理很多需硬件加速的加解密功能。”James McNiven表示。

作为对ARMv8-M架构的补充，ARM AMBA 5 AHB5规范（1种系统互联IP，可定义SoC互联）也已推出，将TrustZone安全性基础从处理器拓展至嵌入式设计的全部系统。通过AHB5（图4），将不单单是确保处理器内部安全而是将安全延伸至全部系统。对此James McNiven解释道：“当CPU有安全状态和普通状态，就需要让全部SoC系统知道CPU处于甚么状态，AMBA 5 AHB5就是为Cortex-M系列的系统设计的，它做了1些精简和优化设计，来通知全部SoC系统，CPU现在究竟是普通状态还是安全状态，非常重要的是，我们可以指定1些安全外设，只有CPU在处理安全状态的时候才可以访问。这样不光是1个处理器的安全，通过AMBA 5 AHB5这个总线系统，可以把Flash Memory划分成，其中1部份是安全访问，另外一部份是普通访问，外设我们也能够扩大到是安全状态的访问还是普通的访问，把安全从处理器扩大到全部系统。”

图4：AHB5规范将TrustZone安全性基础从处理器拓展至嵌入式设计的全部系统

对ARM?v8-M架构的发布，我们看到来自IBM Watson IoT部门的IBM名士（IBM Fellow）John Cohn有直观的评述：“为了信任大数据，你必须明确每个小数据都是安全的。ARMv8-M架构和TrustZone技术1起，能让我们在数据搜集阶段就对数据进行安全保护，并且可以把这类信任延伸至我们全部物联网平台。安全性对ARM和IBM都很重要。将安全性设计在底层是1个正确的方式，由此我们能够共同创建1个点到点的、遭到信任的解决方案。”

不只是处理器，ARM想要布更大的局

其实，不单单是处理器的硬件安全，ARM一样在谋划上层软件安全与通讯安全、乃至于云端安全。熟习ARM的人士1定记得ARM的mbed OS和ARM在服务器端所做的工作，推出之初很多人都在猜想ARM的企图。现在看来ARM的整体谋划正愈发明显。

据James McNiven介绍，“对全部体系来说，安全是分层来实现的（图5），包括最底层的安全硬件，由CryptoCell、TrustZone乃至SecurCore来做这个安全元件（Secure element），从软件上ARM有mbed OS，还有为了通讯安全的mbed TLS，比如今天很多银行的网银系统，都是用传输层的安全协议TLS，还有最上面云端也有云真个系统mbed Device Server，来保证终端与云端间有1个端对真个全部生命周期的安全。所以需要把安全从现有的像手机这些利用处理器带到像物联网、可穿着这些新的市场，我们根据不同利用的需求，去提供分层的实现，来完成全部系统的端对真个安全。”

图5：ARM对全部体系的安全分层

在论坛当天，ARM物联网事业部产品策略总监Paul Bakker在演讲中谈到：“mbed启用程序（Enabled Program）是确保IoT硬件间互操作性成功的关键，包括mbed Classic、mbed OS、和云服务。其中，mbed OS是为了帮助IoT实现量产的，有1系列专业开发环境和工具支持（包括uVisor、yotta、mbed client）（图6）来实现全部IoT平台的安全（图7）。可以说mbed IoT平台构建了IoT数据分析可信赖的关键。”

图6：mbed OS技术概览

图7：确保IoT安全的平台

Paul Bakker还在现场展现了基于Sub-GHz与6LoWPAN技术实现智能城市参考设计的案例（图8）。其中Sub-GHz技术来实现具有鲁棒性的远距离通讯。6LoWPAN实现本地基于IP的联网（图9）。

图8：基于Sub-GHz与6LoWPAN技术实现智能城市参考设计的案例

图9：6LoWPAN实现本地基于IP的联网

CPU、GPU，功效突破才能适用更广

在物联网成功公式中，始终不变的要素是对性能与功耗的不懈寻求。乃至于很多人认为功耗问题将成为物联网某些核心领域（如IoT节点装备或可穿着装备）成功与否的关键。

“如何进1步节俭功耗，提高效能，这基本上是ARM公司上下所有人每天都在思考的问题，”ARM处理器部门市场营销总监Ian Smythe表示，“ARM仔细审视了整体系统级芯片(SoC)的每毫瓦耗能，为此，我们有许多小的做法去下降功耗，比如智能的代码履行预测能力，如果没有代码履行则不产生数据吞吐，GPU也有对流水线（pipeline）里的数据和获得类似的技术，这些数据获得和代码管理等方式被用来不断下降功耗。”

这些努力所共同催生的结果就是，在ARM全新推出的Cortex?-A35处理器成为目前全球最高功效的64位移动处理器（图10），Cortex-A35很自然地承袭了以功耗效力和体积小巧着称的Cortex-A7，功耗则较A7再降10%。迄今已有超过10亿支智能手机和平板计算机搭载Cortex-A7。此次推出Cortex?-A35，ARM和合作火伴有望对快速成长的入门级智能手机和智能手表、汽车电子在内的市场带去64位运算。

图10：Cortex-A系列布局图

具有ARMv8-A架构所具有的软件成熟性和64位运算性能。在32位移开工作负载下，Cortex-A35的性能和功效较Cortex-A7在1些性能的指标上有6%到40%的提升（图11），并在采取28纳米制程、在1GHz操作环境下运作时，每颗核的功耗小于90毫瓦。而与Cortex-A53相比，Cortex-A35每一个核能下降33%的功耗，芯片面积则减少25%。

图11：性能提升对照图

在GPU方面也是类似。可穿着和物联网装备的用户界面和显示屏幕愈来愈讲求互动性和沉醉式体验，但是芯片设计团队却面临下降功耗和缩小尺寸的挑战。“推出全新高能效的ARM Mali⑷70图形处理器(GPU)，就是希望能赋予可穿着和物联网装备媲美智能手机的视觉享受，让智能手表、家用网关和电器、工业控制面板和医疗监视器等对功耗要求严苛的产品也能够展现更出色的用户界面。我们推出的Mali⑷70，是基于ARM Mali⑷00的基础上推出的，它的功耗只有Mali⑷00的1/2，可利用在可穿着和1些低功耗的移动装备上。它可以支持的是OpenGL ES 2.0，所以在用户体验和能效比上会有很大的提升。”ARM多媒体事业部营销副总裁Dennis Laudick表示。

Mali⑷70在相同的工艺条件下，仅以1半的耗电量就可以到达Mali⑷00一样丰富的图形表现。针对屏幕分辨率优化能效，单核心配置可达640×640屏幕分辨率；下降芯片本钱，芯片尺寸比Mali⑷00缩小10%。Mali⑷70采取和Mali⑷00相同的业界标准OpenGL? ES 2.0驱动器栈，大部份的Android?、Android Wear和其他的新兴操作系统均采取OpenGL ES 2.0利用程序接口(API)和驱动栈(driver stack)。因此开发人员无需重新优化现有的利用程序。

“之所以能到达Mali⑷001半的功耗，”Dennis Laudick介绍道：“我们做了很多的修改，主要包括，1个图象有很多的像素，我们用到4个线程，4个像素可以同时进行，这样可以提高它的性能。另外我们提高了pipeline，数据线程上做了很多的修改与优化。从右侧这张图（图12）上可以看到，Mali⑷70这几代以来，在许多地方都不同程度的基于Mali⑷00架构、Mali⑷50架构上做了极大优化。Mali⑷70也能够跟Cortex-A7和Cortex-A35做很好的搭配。另外，Mali⑷70扩大了利用范围，除在手持装备上，在可穿着，乃至家庭或工业控制上也能广泛适用。其所选择的OpenGL ES 2.0，也在功耗和性能上获得更好的平衡点，从而使Mali⑷70成为1个更广泛可配置的GPU IP。”

图12：Mali⑷70在Mali450/400基础上所做的优化

请等等，在服务器、高性能计算，ARM也没闲着

谈了那末多低功耗与安全，当天的论坛，也触及到了部份ARM技术利用在服务器领域的进展情况。

对ARM在服务器领域的进展，James McNiven表示，“在演讲中曾分享过1张巴塞罗那超级计算中心的照片（图13），就是目前1个很好的ARM在服务器方面的例子。同时ARM也与美国的1些机构包括HPC在做1些超级计算的事情。另外一方面，目前全球知名的提供云服务的厂商和服务供应商都在使用ARM相干的1些服务器技术。我们也看到许多芯片合作火伴也有很多新的产品陆续向市场供应，刚刚提到了几个，包括海思、博通、高通、Cavium，AppliedMicro，大家可以关注1下它们最近的新闻。早上的演讲还分享了现在ARM自己公司的网站也运营在基于ARM技术的服务器上（ARM.com on ARM图14），1方面也希望通过这个向市场证明基于ARM的服务器是可行的。”

图13：巴塞罗那超级计算中心

图14：ARM.com on ARM-based Server