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芯片春秋: ARM前世今生

2018-05-06 17:21 小枣君


      1978年,一家名字叫CPU的公司,悄悄在英国剑桥诞生。不要惊讶,这个CPU,和我们经常所说的电脑里那个CPU是两回事。


Central Processing Unit(中央处理器)


      CPU公司的全称,是Cambridge Processor Unit,字面意思是“剑桥处理器单元”。CPU公司的创始人,是一个名叫Hermann Hauser的奥地利籍物理学博士,还有他的朋友,一个名叫Chris Curry的英国工程师。


Hermann Hauser和Chris Curry


      CPU公司成立之后,主要从事电子设备设计和制造的业务。他们接到的第一份订单,是制造赌博机的微控制器系统。这个微控制器系统被开发出来后,称之为Acorn System 1。


Acorn System 1


      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。Acorn是什么意思?橡子。对,就是冰河世纪里面,那只松鼠一直在追的那个东东。


      


      Acorn Computer Ltd公司的商标,里面就有一个橡子。之所以叫Acorn,还有一个有趣的说法,就是因为他们想在电话黄页里排在Apple(苹果)公司的前面。在Acorn System 1之后,他们又陆续开发了System 2、3、4,还有面向消费者的盒式计算机Acorn Atom。


Acorn Atom


      到了1981年,公司迎来了一个难得的机遇: 英国广播公司BBC打算在整个英国播放一套提高电脑普及水平的节目,他们希望Acorn能生产一款与之配套的电脑。这个计划非常宏大,英国政府也参与其中(购机费的一半将由政府资助),电脑一旦采购,将进入英国的每一间教室。


      接下这个任务之后,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,经过评估后,他们发现了两个缺陷:


  • 第一,芯片的执行速度有点慢,中断的响应时间太长。

  • 第二,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。当时,Acorn公司的研发人员从美国加州大学伯克利分校找到了一个关于新型处理器的研究: 简化指令集,恰好可以满足他们的设计要求。


      在此基础上,经过多年的艰苦奋斗,来自剑桥大学的计算机科学家Sophie Wilson和Steve Furber最终完成了微处理器的设计(前者负责指令集开发,后者负责芯片设计)。


Sophie Wilson和Steve Furber


      对于这块芯片,Acorn给它命名为Acorn RISC Machine。嗯,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?


      前面说过,他们是基于“简化指令集”技术做出的芯片。RISC的意思,就是简化指令集计算机,Reduced Instruction Set Computer。这里解释一下,到底“简化指令集”有什么意义。它是相对于“复杂指令集CISC(complex instruction set computer)”的一个概念。


      早期的处理器都是CISC架构(包括英特尔的处理器),随著时间推移,有越来越多的指令集加入。由于当时编译器的技术并不纯熟,程序都会直接以机器码或是组合语言写成,为了减少程序的设计时间,逐渐开发出单一指令,复杂操作的程序代码。设计师只需写下简单的指令,再交给CPU去执行。


      但是后来有人发现,整个指令集中,只有约20%的指令常常会被使用到,大约占了整个程序的80%;剩余80%的指令,只占了整个程序的20%(典型的二八原则)。


      于是,1979年美国加州大学伯克利分校的David Patterson教授提出了RISC的想法,主张硬件应该专心加速常用的指令,较为复杂的指令则利用常用的指令去组合。


      简单来说,CISC任务处理能力强, 适合桌面电脑和服务器。RISC通过精简CISC指令种类,格式,简化寻址方式,达到省电高效的效果,适合手机、平板、数码相机等便携式电子产品。



      当时研发出来的第一款处理器芯片的型号,被定为 ARM1。我们来对比一下ARM1和当时Intel的80286处理器(也就是常说的286):



      可以看出来,ARM1和80286各有所长。但是,就在同一年,1985年10月,英特尔发布了80386。在80386面前,ARM1就只有被吊打的份了。


Intel 80386


      32位,27.5万个晶体管,频率为12.5MHz,后提高到33MHz。让ARM直接在性能上和x86系列硬杠,显然是不现实的。ARM有意无意地选择了与Intel不同的设计路线: Intel持续迈向x86高效能设计,ARM则专注于低成本、低功耗的研发方向。


      扯远了,继续回来说BBC要的那款电脑。前面说了,BBC在1981年就提出需求,如果等到1985年ARM1出来,那岂不是黄花菜都凉了?所以,在ARM1问世之前,Acorn其实已经提供了解决方案给BBC。当时,Acorn的电脑,临时采用了MOS 6502处理器(由MOS科技研发的8位微处理器)。


MOS 6502处理器  

BBC Micro


      到了1984 年,大约80%的英国学校都配有这款电脑。Acorn公司彻底在大英帝国老百姓面前刷了一把存在感。后来,ARM处理器被研发出来之后,用在了BBC Micro的后续型号中。


BBC Micro电脑里面的ARM芯片


      在ARM1之后,Acorn陆续推出了好几个系列,例如ARM2,ARM3。时间又继续往前推移。1990年,Acorn为了和苹果合作,专门成立了一家公司,名叫ARM。


LOGO可以说是相当简洁了


      注意,这里的ARM是公司名称,不是芯片名称。这个ARM的完全拼写也不一样,是Advanced RISC Machines。


  • 前面的芯片名称:Acorn RISC Machine

  • 现在的公司名称:Advanced RISC Machines


      ARM是一家合资公司,苹果投了150万英镑,芯片厂商VLSI投了25万英镑,Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。尽管如此,ARM的起步还是比较寒酸。他们最开始的办公地点,是一个谷仓。


      不过,谷仓的内部环境还算不错。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。



      在这个情况下,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。没想到正是这种模式,开创了属于ARM的全新时代。


      注意,下面这段是重点!


      ARM所采取的是IP(Intellectual Property,知识产权)授权的商业模式,收取一次性技术授权费用和版税提成。具体来说,ARM有三种授权方式:处理器、POP以及架构授权。

 

      处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器,对方不能改变原有设计,但可以根据自己的需要调整产品的频率、功耗等。

 

      POP(processor optimization pack处理器优化包)授权是处理器授权的高级形式, ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商,方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器。

 

      架构授权是ARM会授权合作厂商使用自己的架构,方便其根据自己的需要来设计处理器(例如后来高通的Krait架构和苹果的Swift架构,就是在取得ARM的授权后设计完成的)。



      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。对于半导体公司来说,授权费和版税到底有多少呢?一次性技术授权费用在100万-1000万美元之间,版税提成比例一般在1%-2%之间。


      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。当ARM提出这种合作模式之后,开始了尝试: 


      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,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。其中就包括三星、夏普等公司。在此基础上,ARM坚定了授权模式的决心,并着手设计更多性价比高的产品。


      1993年,苹果公司推出了一款新型掌上电脑产品: Newton。ARM公司开发的ARM6芯片被用于该产品之中。


Apple Newton Message Pad

现在被认为是PDA和智能手机的鼻祖


      但是很遗憾,因为Newton技术过于超前,加上一些用户体验上的缺陷,所以未能被市场接受,后来以失败告终。但ARM积累了经验,继续改良技术。没过多久,ARM迎来了自己的黄金机遇——移动电话时代来临了。


      ARM首先迎来了一个大客户: 诺基亚Nokia。


      当时,诺基亚被建议在即将推出的GSM手机上使用德州仪器的系统设计,而这个设计是基于ARM芯片的。因为内存空间的问题,诺基亚一开始对ARM是拒绝的。为此,ARM专门开发出16位的定制指令集,缩减了占用的内存空间。


      就这样,诺基亚6110成为了第一部采用ARM处理器的GSM手机,上市后获得了极大的成功。


Nokia 6110: 相信有不少人用过或见过


      ARM后来又跟着推出了ARM7等一系列芯片,授权给超过165家公司。随着移动手机的井喷式普及,ARM赚得盆满钵满,不亦乐乎。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。


ARM在纳斯达克上市


      在ARM公司上市之后,处于后乔布斯时代的苹果公司,逐步卖掉了所持有的ARM股票,把资金投入到ipod产品的开发上。鉴于苹果研究人员对ARM芯片架构非常熟悉,ipod也继续使用了ARM芯片。


Apple ipod


      众所周知,在乔帮主的带领下,ipod取得了巨大的商业成功。这还没完,在2007年,真正的划时代产品出现了,那就是iPhone。苹果iPhone的出现,彻底颠覆了移动电话的设计,开启了全新的时代。


第一代iPhone,使用ARM设计、三星芯片


      Iphone的热销,App Store的迅速崛起,让全球移动应用彻底绑定在ARM指令集上。紧接着,2008年,谷歌推出了Android(安卓)系统,也是基于ARM指令集。至此,智能手机进入了飞速发展阶段,ARM也因此奠定了在智能手机市场的霸主地位。


      同年,ARM芯片的出货量达到了一百亿颗。


      2011年,就连传统Wintel联盟(windows +intel)的微软,也宣布Windows8平台将支援ARM架构。想必英特尔一定是连肠子都悔青了。



      其实,正是英特尔一步一步将ARM送上了如今无法取代的位置。90年代,高通想和英特尔合作,英特尔认为手机市场太小,拒绝了合作。后来,苹果的第一代iPhone一开始也想和英特尔合作,英特尔还是以相同的理由拒绝了。结果,移动设备市场被英特尔拱手让人,现在想追也追不回来了。


      2010年6月中,苹果公司向ARM董事会表示有意以85亿美元的价格收购ARM公司,但遭到ARM董事会的拒绝。


      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。


孙正义


      至此,ARM成为软银集团旗下的全资子公司。不过,软银集团表示,不会干预或影响ARM未来的商业计划和决策。


      最后,小枣君觉得有必要和大家简单介绍一下ARM的产品体系。这一块确实有点乱,很多业内人士都容易混淆。ARM11芯片之前,每一个芯片对应的架构关系如下: 


实际的芯片型号并不止这些


      ARM11芯片之后,也就是从ARMv7架构开始,ARM的命名方式有所改变。新的处理器家族,改以Cortex命名,并分为三个系列,分别是Cortex-A,Cortex-R,Cortex-M。呵呵,发现了没,三个字母又是A、R、M。


Cortex-A系列(A: Application)


      针对日益增长的消费娱乐和无线产品设计,用于具有高计算要求、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域,如智能手机、平板电脑、汽车娱乐系统、数字电视等。


Cortex-A系列


Cortex-R系列 (R: Real-time)


      针对需要运行实时操作的系统应用,面向如汽车制动系统、动力传动解决方案、大容量存储控制器等深层嵌入式实时应用。


Cortex-R系列


Cortex-M系列(M: Microcontroller) 


      该系列面向微控制器领域,主要针对成本和功耗敏感的应用,如智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、家用电器、消费性产品和医疗器械等。


Cortex-M系列


      其实,除了上述三大系列之外,还有一个主打安全的Cortex-SC系列(SC:SecurCore),主要用于政府安全芯片。好啦,讲了那么多,来做个总结。


      总之,ARM之所以能有今天的地位,既有外部的机遇因素,也有内部的战略因素。他们选择了一条和英特尔截然相反的道路。英特尔一直以来坚持的是重资产的、封闭的全产业链商业模式,而ARM是轻资产的、开放的合作共赢模式。


      对ARM来说,合作伙伴的成功就意味着自己的成功。与ARM开展业务往来的每家公司均与ARM建立了“双赢”的共生关系。


ARM 合作社区包含 1200 多位伙伴


      ARM在低功耗方面的DNA,刚好赶上了移动设备爆发式发展的时代,最终造就了它的辉煌。在即将到来的万物互联时代,可以预见,ARM极有可能取得更大的成功。不知道大家从ARM的故事里学到了什么。我有几点体会如下:


  • 1 人被逼急了,什么都干得出来。

  • 2 你一直自以为的弱点,很可能是你的优点。

  • 3 如果你干不过你的对手,就想办法团结更多的朋友。


      好啦,今天就到这里。感谢大家耐心观看!


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