ARM发展史

5月23日,ARM 宣布将切断与华为及其子公司的一切业务往来。

此新闻一发出,意味华为未来可能将受制于无法使用 ARM 的升级版和下一代指令集架构,手机业务将引来不小的打击。为什么这个影响这么大呢,那就得聊聊ARM是谁了。

ARM是谁?

ARM 是全球领先的半导体知识产权 (IP) 提供商。全世界超过 95% 的智能手机、平板电脑、智能汽车、可穿戴设备等等都采用 ARM 架构。说到芯片大家可能更熟悉英特尔(Intel),但是ARM是一家足以让英特尔畏惧的芯片公司。

1978年12月5日,奥地利籍物理学博士赫尔曼·豪泽(Hermann Hauser)和他的英国工程师Chris Curry,在英国剑桥创办了CPU公司(Cambridge Processing Unit),主要业务是为当地市场供应电子设备。

1979年,在经营逐渐进入轨道之后,这家公司给自己换了个名字,叫做Acorn Computer Ltd(艾康计算机公司)。起“Acorn�”这个名字的原因,是因为电话目录的“Acorn”和“Apple”在同一页,又能排在“Apple”的前面。

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1980年,英国BBC电视台策划了一系列关于计算机的电视节目。但导演发现一个问题:怎么给没见过电脑的观众画饼?此时,大洋彼岸的苹果公司已经推出适于个人使用的微型电脑。Apple-II电脑在70年代末创造出销售神话,从而开发出个人电脑这个新市场。个人电脑在美国风靡,温吞吞的英国人节奏却慢了一拍。对于英国人来说,计算机还是限于科研、国防、制造领域的高科技设备,和自己的生活没有太大关系。美国舶来的个人电脑都售价不菲。英国人可不想用一年的下午茶来换一台用途不明的机器。这种情况下,无论BBC主持人怎样能说会道,只能凭空想象的电视观众估计也熬不过5分钟。幸好,BBC是英国传媒业的龙头,不会轻易地放弃。BBC公开招标,想要资助一家公司开发便宜的微型计算机。

Acorn中标。按照现在的标准看,Acorn很不靠谱。这家公司才成立了两年,规模也很小。Acorn的起家业务是给赌博机生产控制器。这些控制器拥有运算和存储组件,勉强算是电脑。但控制器执行的是固定的程序,距离多功能的个人电脑还有相当的距离。就在BBC招标时,Acorn正在开发一款个人电脑的原型机,成本也符合BBC的预期。于是,这款原型机被重新命名为BBC Micro。

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中标之后,Acorn就开始干了起来。结果,很快他们就发现,自己产品的硬件设计并不能满足需求。当时,中央处理器的发展潮流,正在从8位变成16位。Acorn并没有合适的芯片可以用。一开始,他们打算使用美国国家半导体和摩托罗拉公司的16位芯片,但是评估之后,发现这货售价太贵,一台500英镑的电脑,处理器芯片就占到100英镑。于是他们打算去找当时如日中天的英特尔(Intel),希望对方提供一些80286处理器的设计资料和样品。然而,英特尔冰冷地拒绝了他们。

备受打击的Acorn公司,一气之下决定自己干,自己造芯片。

经过多年的艰苦奋斗,来自剑桥大学的才华横溢的计算机科学家Sophie Wilson和Steve Furber为Acorn完成了处理器的设计。

对于这块芯片,Acorn给它命名为Acorn RISC Machine。这就是大名鼎鼎的“ARM”三个字母的由来。

Acorn是公司名称,Machine是机器,那RISC是什么意思呢?

精简指令集

RISC的意思,就是简化指令集计算机,Reduced Instruction Set Computer。

它是相对于“复杂指令集(CISC,Complex Instruction Set Computer)”的一个概念。早期的芯片全部是CISC架构,它的设计目的是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。这种架构会增加芯片结构的复杂性和对芯片工艺的要求,但对于编译器的开发十分有利。目前主要是Intel和AMD在使用CISC架构。

RISC是在CISC指令系统基础上发展起来的,有人对CISC机进行测试表明,各种指令的使用频度相当悬殊,最常使用的是一些比较简单的指令,它们仅占指令总数的20%,但在程序中出现的频度却占80%,经典的二八定律啊。针对CISC的这些弊病,美国加州大学伯克利分校的帕特逊教授等人提出了精简指令的设想,即指令系统应当只包含那些使用频率很高的少量指令,并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言,于是就按照这个原则发展而成的计算机被称为精简指令集计算机,简称RISC。

尽管Acorn基于RISC研发出来了自己的处理器ARM1,在各种指标上却还是被当时的Intel吊打,只有一个指标比Intel的好,就是能耗贼低,这也是以后ARM起飞的关键。

稳步发展

1990 年11 月27 日,苹果出资了150 万英镑,Acorn 本身则以150 万英镑的知识产权和12 名芯片工程师技术入股,另一个芯片厂商VLSI 出资25 万英镑。Acorn 公司正式被改组为ARM计算机公司,英文名是Advanced RISC Machines

在成立后的那几年,ARM业绩平平,工程师们也人心惶惶,害怕随时都会失业。于是ARM决定改变他们的产品策略——他们不再生产芯片,转而以授权的方式,将芯片设计方案转让给其他公司,即“Partnership”开放模式。

所以,授权费和版税就成了ARM的主要收入来源。除此之外,就是软件工具和技术支持服务的收入。

正是ARM的这种授权模式,极大地降低了自身的研发成本和研发风险。它以风险共担、利益共享的模式,形成了一个以ARM为核心的生态圈,使得低成本创新成为可能。

1991年,ARM将产品授权给英国GEC Plessey半导体公司。

1993年,ARM将产品授权给Cirrus Logic和德州仪器(Texas Instruments,TI)。

与德州仪器的合作,给ARM公司带来了重要的突破。而且,也给ARM公司树立了声誉,证实了授权模式的可行性。

此后ARM的目标一直没有改变,着重生产体积小、能耗低的芯片,并打造一个庞大而多样的生态系统。并且不遗余力地与其他企业结盟。越来越多的公司参与到这种授权模式中,与ARM建立了合作关系,包括苹果、高通、三星电子等等。

抓住机遇,起飞

1994年,ARM迎来了自己的黄金机遇——移动电话时代来临了。诺基亚被建议在即将推出的GSM手机上应用TI的基于ARM的系统设计。考虑到内存空间,Nokia反对使用ARM,因生产的总体系统成本有限。于是ARM专门开发出16位的定制指令集,缩减了占用的内存空间。该设计由TI授权并出售给诺基亚。诺基亚6110是第一部采用ARM处理器的GSM手机,上市后获得了极大的成功。ARM7成为了ARM的旗舰移动设计,此后被授权给超过165家公司。自1994年以来这些公司生产了超过100亿个芯片。在这一波浪潮中,ARM是赚得盆满钵满。

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1998年4月17日,业务飞速发展的ARM控股公司,同时在伦敦证交所和纳斯达克上市。

2007年,在乔帮主的带领下,真正的划时代产品出现了,iphone 发布了。第一代iPhone,就是使用了ARM设计、三星制造的芯片。事实上,Intel曾有机会拿下iPhone。在iPhone诞生之前,苹果就和Intel达成战略合作关系,并把Intel处理器应用于苹果电脑。苹果也有意委托Intel开发iPhone的处理器。只是Intel的内部并不看好iPhone,担心收不回投资成本。又一次,ARM的开放战胜了Intel式的封闭。

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2008年,谷歌推出了Android(安卓)系统,也是基于ARM指令集。谷歌的加入,刺激出一众安卓手机厂商。寻求快速迭代的安卓厂商很自然地选用开放的ARM处理器。手机市场的狂飙让Intel人心不稳。苹果又一次补刀,在平板电脑iPad上再次跳过Intel,使用了ARM处理器。

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2016年7月18日,曾经投资阿里巴巴的孙正义和他的日本软银集团,以243亿英镑(约309亿美元)收购了ARM集团。

总结

可以看到ARM创业初期还是比较惨的,一直蛰伏着,等待时机成熟之后就一发不可收拾了。

其实Intel也是有好几次能抓住这个机会的,但是Intel 这么多年习惯的模式是生产制造几十、几百美元的处理器,在这个价位上的生产制造毛利率高得吓人。而正是丰厚的毛利率使得 Intel 敢于付出高昂的代价研发下一代处理器技术和生产线制程,从而保持领先竞争对手至少一个代际的技术优势。比如当 Intel 的主流 Core 系列的制程是 22nm,同时期的 ARM 还处于 40nm 到 32nm 或者 32nm 到 28nm 的过渡阶段,而 Intel 已经在新建 14nm 的生产线了。

反观一片 ARM 处理器才卖几美元,利润率微薄,即便出货量大不少,却也不能满足 Intel 这样的巨鳄的胃口,更不能让它保持目前的「高研发/高毛利相互驱动」的商业模式。不玩自家的游戏规则,Intel 沦为二三流厂商那是分分钟可能发生的危险。Intel 管理层不希望看到这个未来,Intel 的股东们更不希望。

现在ARM主攻在移动和嵌入式市场,而Intel则主攻桌面和服务器市场,但是双方都有进入对方领域的想法和动作,看来这一场仗是迟早的事了。

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