ARM 成长史:杀出奇才辈出的七十年代
2020-07-18 15:47

ARM 成长史:杀出奇才辈出的七十年代

假如你是一位年纪轻轻、野心勃勃,但必须从零开始的创业者,你有一次可以回到IT产业的任何一个时期白手起家的机会,你会选择哪个时期?我想你一定会选择那激动人心的七十年代。


如果说五十年代属于半导体技术初生而电子管计算机如日中天的时代,六十年代属于半导体产业初兴和商业市场大型机兴起的时代,那么七十年代,就将迎来IT产业消费级市场的黎明。而此时所诞生的几家公司,在今天依然执掌着IT世界版图的牛耳。


1975年,保罗·艾伦和比尔·盖茨开始了创业,并在第二年创办了Micro-Soft,1978年正式改名为Microsoft,也就是今天的微软。


1976年4月1日,史蒂夫·乔布斯和儿时伙伴史蒂夫·沃兹尼亚克,在加利福尼亚州的乔布斯父母家中的车库内,共同创立了苹果电脑公司。


1979年,刚刚从英国剑桥大学博士毕业的赫尔曼·豪泽与克里斯·克里一起成立了Acorn电脑公司。


(Acorn Computer Ltd标志)


微软和苹果在今天的地位不必多言,而这个产自英国的Acorn电脑,很多人却并不熟悉。如果我们说Acorn电脑正是今天为几十亿的移动终端芯片提供系统架构的ARM公司的前身的话,大家可能会有恍然大悟的感觉。


我们知道,苹果开启了个人电脑的时代,但却因为乔帮主的一意孤行,败给了走Wintel联盟路线的IBM、康柏、戴尔等企业,苹果的Mac至今仍是PC时代的小众代表。而Acorn电脑也没能穿越它的辉煌年代而活在今天,但却为世界留下ARM这家公司,成为支撑苹果、安卓等智能移动终端的澎湃算力的基石。



2020年6月,苹果在WWDC 2020上宣布,要将带有ARM指令集的自研芯片搭载到Mac产品上面,彻底实现移动端和PC端底层计算架构的打通。苹果的这一选择,似乎是一场完美的轮回。要知道,ARM公司正是由Acorn电脑和苹果公司以及一家半导体代工企业VLSI一起创办的。


这一期我们将回到Acorn诞生的历史现场,重新来看下成就ARM的因缘际遇,以及ARM处理器架构所开启的移动时代。


奇才辈出:造就ARM的Acorn电脑


回到70年代初,当时电脑还只是一种只是被大型企业和政府机构所使用的昂贵设备,而发明和制作个人电脑自然是当时电子爱好者最时髦的一件事情了。


当乔布斯在见识到年长他几岁的沃兹在制作电脑的才华之后,就似乎认定了个人电脑这条路了。终于在1976年,他俩将苹果1号的样机制作了出来,并成功的卖出了第一批苹果电脑。


当初乔布斯坚持要用苹果作为公司的名称,据说一来是他在印度苦修的两年主要靠吃苹果度日,苹果成为他力量的来源;二来是苹果公司将来会排在电话黄页靠前的位置。


这一充满“机灵劲”的想法,似乎也启发了Acorn的两位创始人豪泽和克里,他们在1979年为公司取名Acorn,也就是橡果的意思,主要也是希望他们的个人电脑业务像橡果那样成长为一棵生机盎然的橡树。同时,他们也希望自己在电话黄页上的排名排在苹果的前面。


谁能想到,这样两家以“果实”命名的公司,能够分别成为智能移动终端以及移动终端处理器领域的巨擘。


而当时,一切才刚刚开始。无论是车库里整天捣鼓电子器件的技术爱好者,还是英国剑桥培养出的一位物理学博士和一个没什么技术背景的营销天才,竟然都可以涉足个人电脑这个代表当时IT产业前途远大的方向,可见一个产业之初的遍地生机和草莽气息。


对于Acorn而言,除了两位野心勃勃的创始人,紧接着登场的两个人物更加至关重要。一位是Acorn的首位技术员苏菲·威尔逊,加入Acorn时,她才刚刚从剑桥大学数学系本科毕业。简单来说,她是Acorn电脑最早的开发者,也是ARM架构指令集的首位开发者。另一位则是传奇工程师史蒂夫·福巴尔,他先是与威尔逊一起用一周时间拿出让BBC满意的微机的原型设计,之后他又与威尔逊一起负责了ARM处理器的开发,他负责芯片的设计。


真的是时代造就天才,天才也造就时代。


Acorn推出的第一代廉价个人电脑——Acorn Atom帮助它初步打开了家庭市场。而真正让Acorn在微机市场站稳脚跟的就是1981年拿下BBC Micro的130万英镑的订单。这一项目离不开克里斯的积极争取,赫尔曼在内部的成功斡旋,成功激发了威尔逊和福巴尔的潜能。在BBC团队再次前来考察前,两人使用了当时还在研发中的Acorn Proton版本为雏形,花了五天五夜时间做出了BBC Micro实体原型机。此后,BBC Micro大获成功,一共卖出去150万台,还在1984年获得了英国的女王技术奖(Queen‘s Award of Technology)。


(2008年,BBC Micro纪念活动上项目参与者的合影)


而推动Acorn自己研发处理器的契机则是,IBM在1983年推出面向商业市场的第二代微型机之后,Acorn也有意要进入微型机商业市场。但是原来应用于BBC Micro上的莫斯泰克公司的2MHz的6502处理器以无法满足新的硬件需求,而市面上又没有让Acorn满意的处理器。


据说,当时威尔逊和福巴尔找了当时所有可能用到的芯片,觉得英特尔的286芯片还不错。当他们向英特尔提出合作,想要拿到286芯片的授权时,被英特尔断然拒绝。这一拒绝的代价就是英特尔为新世纪培养出一个梦魇一般的对手。


机遇的天平正好向Acorn倾斜。当时,加州大学伯克利分校在大卫·帕特森教授主持下,提出的“伯克利精简指令集计划(Berkeley RISC Plan)” 白皮书。威尔逊和福巴尔正是受此启发,开始为新一代的BBC微电脑开发基于RISC的32位微处理器芯片。


(苏菲·威尔逊在介绍ARM开发过程)


1983年10月,ARM计划正式启动。沿着RISC架构精简思路,威尔逊很快就用BBC Basic编写出首个ARM的原型。经过历时18个月的研发和测试,终于在1985年4月,Acorn的芯片代工厂VLSI公司生产出了第一块使用RISC指令集的ARM芯片,这里ARM的全称还是Acorn RISC Machine。


(BBC Micro上的ARM-1芯片)


1985年4月26日下午1点,第一批ARM芯片从VLSI回来,被直接投入到开发系统中,并经过一两次调整后启动。在下午3点,屏幕中显示出:“ Hello World,I am Arm”。全球第一款商业 RISC 处理器——ARM-1在Acorn电脑公司成功运行。


不过,此时的Acorn电脑公司则因为经营失误而大幅亏损,Acorn不得不在1985年将自己的近一半股权以1200万英镑的低价转让给意大利的Olivetti电脑公司,用以偿还债务。在ARM芯片成功研制之后,Acorn以ARM开发系统作和一款Acorn Archimedes系统为商用产品进行销售。


此后,Acorn电脑的发展已经波澜不惊。因为在1990年,由Acorn电脑公司、苹果公司和那家代工厂VLSI合作创办的ARM(全称是Advanced RISC Machines Ltd)公司成立了。


新的历史进程和荣光将属于ARM。


RISC的星火:ARM选对了赛道


在继续ARM的故事前,我们有必要简单聊下指令集这个生僻的领域。


1961年,IBM在小沃森的支持下,由副总裁文森特·利尔森牵头,准备投入50亿美元进行IBM360电脑的开发。1964年,IBM 360系列电脑研制成功,成为划时代的产品。


而在研制过程中,IBM攻克了计算机指令集、集成电路、可兼容操作系统、数据库等一系列软硬件难关,也为此申请了300多项专利技术。其中,System-360系统,所集成的全新通用指令集架构(Universal Instruction Set Architecture),成为计算机发展史上第一种商用的指令集架构。


(IBM System360大型机)


可以说,指令集的本质,就是硬件和软件代码之间沟通的一套“标准语言”。处理器就是那个核心硬件,操作系统就是基础软件。电脑中运行的的软件就要基于指令集的架构而开发,才能够达成正常运行的效果。这一从处理器到操作系统,再到基础应用软件的搭建模式,便是以指令集架构为基础的一种“标准语言”的兼容生态。


我们常说的处理器架构,就是说以指令集架构为基础搭建起来的处理器。一旦指令集和操作系统组合绑定,将形成其他玩家难以逾越的“生态墙”。现在我们知道,引领PC时代最牢不可破的“生态墙”就是由英特尔x86处理器和微软Windows操作系统所构建的Wintel联盟。而移动互联时代的“生态墙”正是由ARM的RISC指令集架构形成的移动端处理器生态和Android、iOS操作系统构建起的ARM联盟。


指令集系统在发展过程中,分化出两个截然不同的优化方向:复杂指令系统计算(Complex Instruction Set Computing,CISC)和精简指令系统计算(Reduced Instruction Set Computing,RISC)。


CISC就是通过设置一些功能复杂的指令,把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现,以此来提高计算机的执行速度,其特点是设计复杂,功耗高,指令的执行时间不同,其优势在于高计算性能。而RISC的设计思路是尽量简化计算机指令功能,只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令,而把较复杂的功能用一段子程序来实现,其特点是每条指令执行时间相同,可以减少指令的平均执行周期,提高工作主频速度,另外一个优点就是功耗极低,但在通用性计算上面不及CISC。


(著名的英特尔8086处理器)


尽管在80年代,学术界认为CISC已经过时。但是由于英特尔在开发8086处理器时还没有RISC指令集,所以采用了CISC的设计,此后英特尔的处理器系列都采用了CISC指令集。


此后由于可观的收入,使得英特尔可以持续高投入到CISC处理器的研发,保证了其处理器性能比RISC处理器性能的持续超越,最终赢得了在PC电脑处理器上面的霸主地位。


在八十年代,PC处理器市场上还有摩托罗拉、IBM、SUN、SGI、DEC和HP都在生产自己的RISC处理器,但由于彼此竞争,大打价格战,最终无力与英特尔的CISC处理器竞争,纷纷倒戈。幸好,RISC的微光仍在ARM保存。


(1990年,ARM公司初创时期的办公地点)


1990年新成立的ARM公司,只有12名工程师参与,其中还并不包括开山鼻祖的威尔逊和福巴尔。办公地点是只是一座位于剑桥的谷仓。Acorn公司和苹果公司各占43%的股份,VLSI占了剩余股份,并成为ARM的半导体代工者,也成为第一个获得ARM授权的芯片厂商。


(搭载ARM-6处理器的苹果Newton 掌上电脑)


1993年,ARM在和苹果合作开发一款搭载ARM处理器的苹果Newton MessagePad(一款过于超前的产品)中再次遭遇市场的冷遇。ARM公司意识到企业的成功不能依赖个别产品。


当时,ARM从摩托罗拉青睐的新任CEO鲁宾·沙克斯比创造性地推出了IP授权的商业模式。此后,芯片生产厂商只需从ARM公司获得ARM处理器的授权,并支付前期许可费和后期生产芯片的专利使用费,就可以获得RISC指令集处理器的IP版权以及绝大多数的收益。而ARM公司也不用在承受产品开发失败或销售不利而带来的经营风险。


这是一个互惠、双赢的商业创新,也为以后RISC芯片产业高度分工和加速发展奠定了基础。


1993年,ARM与德州仪器、三星、夏普等半导体巨头的合作,为ARM的推广树立了声誉,也证实了IP授权的商业模式的可行性。


(摩托罗拉6110搭载了ARM-7处理器)


此时,ARM的发展也赶上了移动设备革命的“天时地利”。当时诺基亚6110成为第一部采用ARM处理器的GSM手机。为符合诺基亚减少内存的要求,ARM专门开发了16位的定制指令集,大幅缩减了内存,并最终由德州仪器生产和出售给了诺基亚。而6110上市获得了极大的成功。高通、飞思卡尔、DEC 相继加入ARM-7的授权阵营,后来授权给超过170家公司,至今一共生产出超过100亿颗芯片。ARM-7也成为ARM在移动处理器的旗舰系列。


1998年,ARM公司同时在美国和英国上市。短短几个月内,ARM就成为估值超过10亿美元的上市公司,放到今天就是妥妥的独角兽,但这仅仅只是ARM腾飞的开始。


乘势生长:ARM开启了移动时代


尽管在2001年,互联网行业市场的股市崩盘,整个行业股价大幅下跌,ARM收入也出现锐减,但是ARM并未元气大伤。这一年,沃伦·伊斯特接替萨克斯比,成为ARM控股的CEO,ARM也开始实施未来五年的路线图计划。ARM成为RISC处理器架构标准的目标正在实现。


(ARM Cortex-A15芯片)


上市之后的ARM,有了充足的资金开启更高端的处理器的设计。2001年,ARM-926EJ-S推出,这一IP被授权给超过100家公司,出货量达50亿颗。此后,ARM又陆续推出了ARM-10、ARM-11系列架构。2005年,意识到除了像ARM-9这样的高端处理器市场,还有像低成本低功耗的微控制器市场。所以,ARM又提出了Cortex产品线,并将处理器架构分为:


面向高性能的 Cortex-A、面向实时控制场景的 Cortex-R,以及面向微控制器市场的 Cortex-M。



此后,随着iPhone智能手机的热销以及Android系统的推出,全球进入了智能移动手机的时代,而ARM也即将随着苹果以及一众安卓厂商和移动芯片厂商的支持,而登上移动终端时代的“王座”。由于ARM处理器占据移动终端设备市场90%的份额,ARM每年的出货量从2013年的每年100亿台上涨到现在每年的200亿台。


(ARM的合作生态)


至此,ARM终于走出了一条与英特尔完全不同商业模式、不同市场定位的道路。二者似乎本应在各自的市场领域发展,可以“井水不犯河水”。但随着PC电脑市场的饱和与移动互联时代到来,英特尔早已把注意力投向移动设备领域,而ARM也将自己的处理器伸向英特尔占据的服务器市场。


英特尔早在1997年就从DEC手中买下了StrongARM授权,并把StrongARM升级为Xscale。然而英特尔并没有为XScale采用高度集成的设计模式,导致性能强悍但是功耗过高。2005年,英特尔又拒绝了来自苹果的处理器设计订单,次年因为业务收缩,将XScale出售,等于将占领移动处理器的机会拱手相让,错过了马上到来的移动时代。


等到英特尔再次意识到ARM的威胁之后,想以x86设计的嵌入式Soc——Atom来迎战ARM生态的时候,只能是一败涂地了。


再次开战的这一年是2011年,当时微软宣布,在下一版的视窗操作系统正式支持ARM处理器,这让英特尔x86处理器的市场地位开始发生动摇。到2016年,由于巨额亏损,英特尔停掉了Atom生产线,而ARM芯片的历史出货量达到了惊人的1000亿。当然,ARM生态在向x86系统所占据的服务器市场的进攻中,也是屡屡折戟沉沙。


(ARM面向高性能服务器应用的Neoverse芯片)


现在,在移动终端市场,体量巨大的英特尔也难以对ARM产生任何威胁。随着移动设备和PC设备的边界日益模糊,数据中心也在寻求更多样、更高性能、低耗能的服务器出现,ARM却再一次向PC处理器芯片、服务器芯片以及AI芯片发起新的冲锋。


同时,随着万物互联的智能时代的到来,越来越多的物联网设备都将搭载不止一颗的嵌入式芯片。而这也正是ARM所擅长领域,不过这也是英特尔想要在未来重点突围的新战场。


此后,我们将看到在ARM生态高歌猛进当中,将在英特尔所坚守的领域以及正在到来的智能物联的领域,展开一场全面战争。


ARM成功的“天时地利人和”


ARM之所以能够取得今天的市场地位和商业成就,主要是归功于其建立的创新商业模式——IP授权模式。


与英特尔的重资产、高利润的垄断模式不同,在移动终端领域中,低成本、微利润的处理器是无法支撑这一重度投入模式的。而ARM开创的授权模式,将芯片的架构、设计(Fabless,如高通、英伟达、华为海思)和生产(Foudary,如台积电)分开,既分摊了成本,又提高了生产效率和新工艺迭代的速度,从而也形成了日益繁荣的ARM生态。


(采用ARM架构的苹果芯片)


ARM公司根据芯片设计公司不同的需求和能力,提供了三种不同的对外授权模式,包括:


第一种,处理器授权。买下IP的芯片设计企业只需按照ARM设计好的芯片图纸生产即可。


第二种,处理器优化包和物理IP包授权。芯片设计企业可以直接拿到一系列设计方案,完成芯片的生产,但是自由度更低,处理器类型、代工厂和工艺都由ARM规定好了。


第三种,架构和指令集授权。针对实力雄厚的芯片设计企业,如苹果、高通、三星和华为海思,他们可以直接购买ARM的架构和指令集,自行设计和ARM指令集兼容的处理器。


目前,ARM在全球拥有1000多家处理器授权合作企业、320家处理器优化包和物理IP包授权伙伴,15家架构和指令集授权企业。在众多授权企业的支持下,ARM处理器2015年的出货量达到了150亿个,历史出货总量超过了1000亿个。


ARM每次在研发新一代处理器IP时,最多会挑选三家合作伙伴。这些被选中的公司能更早地了解ARM的设计,会在新产品研发上占据领先地位,但它们也要帮助ARM进行调试、测试,并向ARM提供反馈,ARM也因此能够确保顺利研发,加快应用的速度。


而在盈利模式上,ARM的利润完全依赖IP授权,利润完全取决于授权人、伙伴、客户能卖出的芯片数量,这样就与芯片的设计、生产、销售的企业紧密绑定,合力实现产品的利益最大化,实现共赢。



在处理器发展方向的选择上,ARM所选择的RISC指令集处理器曾在与英特尔选择的CISC指令集交锋中暂时落败,但无疑RISC代表的低功耗的趋势更符合移动时代的发展方向。


现在,RISC指令集的这一优势更加明显。也就是处理器在低功耗的情况下努力突破性能的极限,要比在保持性能提升的情况下降低能耗,是一件更有优势的进程。ARM的处理器芯片向英特尔的处理器芯片领域扩展,正是这一趋势的最好注脚。


总结以上,可以看到,移动时代爆发代表的天时,RISC先进性能代表的地利、ARM创新商业模式代表的人和,共同构成了今天ARM的繁荣生态和全球事业版图。

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