芯片破壁者（五）：Acorn和ARM所發(fā)現(xiàn)的移動時代

假如你是一位年紀輕輕、野心勃勃，但必須從零開始的創(chuàng)業(yè)者，你有一次可以回到 IT 產(chǎn)業(yè)的任何一個時期白手起家的機會，你會選擇哪個時期？我想你一定會選擇那激動人心的七十年代。

如果說五十年代屬于半導體技術(shù)初生而電子管計算機如日中天的時代，六十年代屬于半導體產(chǎn)業(yè)初興和商業(yè)市場大型機興起的時代，那么七十年代，就將迎來 IT 產(chǎn)業(yè)消費級市場的黎明。而此時所誕生的幾家公司，在今天依然執(zhí)掌著 IT 世界版圖的牛耳。

1975 年，保羅·艾倫和比爾·蓋茨開始了創(chuàng)業(yè)，并在第二年創(chuàng)辦了 Micro-Soft，1978 年正式改名為 Microsoft，也就是今天的微軟。

1976 年 4 月 1 日，史蒂夫·喬布斯和兒時伙伴史蒂夫·沃茲尼亞克，在加利福尼亞州的喬布斯父母家中的車庫內(nèi)，共同創(chuàng)立了蘋果電腦公司。

1979 年，剛剛從英國劍橋大學博士畢業(yè)的赫爾曼·豪澤與克里斯·克里一起成立了 Acorn 電腦公司。

（Acorn?Computer?Ltd 標志）

微軟和蘋果在今天的地位不必多言，而這個產(chǎn)自英國的 Acorn 電腦，很多人卻并不熟悉。如果我們說 Acorn 電腦正是今天為幾十億的移動終端芯片提供系統(tǒng)架構(gòu)的 ARM 公司的前身的話，大家可能會有恍然大悟的感覺。

我們知道，蘋果開啟了個人電腦的時代，但卻因為喬幫主的一意孤行，敗給了走 Wintel 聯(lián)盟路線的 IBM、康柏、戴爾等企業(yè)，蘋果的 Mac 至今仍是 PC 時代的小眾代表。而 Acorn 電腦也沒能穿越它的輝煌年代而活在今天，但卻為世界留下 ARM 這家公司，成為支撐蘋果、安卓等智能移動終端的澎湃算力的基石。

2020 年 6 月，蘋果在 WWDC 2020 上宣布，要將帶有 ARM 指令集的自研芯片搭載到 Mac 產(chǎn)品上面，徹底實現(xiàn)移動端和 PC 端底層計算架構(gòu)的打通。蘋果的這一選擇，似乎是一場完美的輪回。要知道，ARM 公司正是由 Acorn 電腦和蘋果公司以及一家半導體代工企業(yè) VLSI 一起創(chuàng)辦的。

這一期我們將回到 Acorn 誕生的歷史現(xiàn)場，重新來看下成就 ARM 的因緣際遇，以及 ARM 處理器架構(gòu)所開啟的移動時代。

奇才輩出：造就 ARM 的 Acorn 電腦

回到 70 年代初，當時電腦還只是一種只是被大型企業(yè)和政府機構(gòu)所使用的昂貴設(shè)備，而發(fā)明和制作個人電腦自然是當時電子愛好者最時髦的一件事情了。

當喬布斯在見識到年長他幾歲的沃茲在制作電腦的才華之后，就似乎認定了個人電腦這條路了。終于在 1976 年，他倆將蘋果 1 號的樣機制作了出來，并成功的賣出了第一批蘋果電腦。

當初喬布斯堅持要用蘋果作為公司的名稱，據(jù)說一來是他在印度苦修的兩年主要靠吃蘋果度日，蘋果成為他力量的來源；二來是蘋果公司將來會排在電話黃頁靠前的位置。

這一充滿“機靈勁”的想法，似乎也啟發(fā)了 Acorn 的兩位創(chuàng)始人豪澤和克里，他們在 1979 年為公司取名 Acorn，也就是橡果的意思，主要也是希望他們的個人電腦業(yè)務(wù)像橡果那樣成長為一棵生機盎然的橡樹。同時，他們也希望自己在電話黃頁上的排名排在蘋果的前面。

誰能想到，這樣兩家以“果實”命名的公司，能夠分別成為智能移動終端以及移動終端處理器領(lǐng)域的巨擘。

而當時，一切才剛剛開始。無論是車庫里整天搗鼓電子器件的技術(shù)愛好者，還是英國劍橋培養(yǎng)出的一位物理學博士和一個沒什么技術(shù)背景的營銷天才，竟然都可以涉足個人電腦這個代表當時 IT 產(chǎn)業(yè)前途遠大的方向，可見一個產(chǎn)業(yè)之初的遍地生機和草莽氣息。

對于 Acorn 而言，除了兩位野心勃勃的創(chuàng)始人，緊接著登場的兩個人物更加至關(guān)重要。一位是 Acorn 的首位技術(shù)員蘇菲·威爾遜，加入 Acorn 時，她才剛剛從劍橋大學數(shù)學系本科畢業(yè)。簡單來說，她是 Acorn 電腦最早的開發(fā)者，也是 ARM 架構(gòu)指令集的首位開發(fā)者。另一位則是傳奇工程師史蒂夫·福巴爾，他先是與威爾遜一起用一周時間拿出讓 BBC 滿意的微機的原型設(shè)計，之后他又與威爾遜一起負責了 ARM 處理器的開發(fā)，他負責芯片的設(shè)計。

真的是時代造就天才，天才也造就時代。

Acorn 推出的第一代廉價個人電腦——Acorn Atom 幫助它初步打開了家庭市場。而真正讓 Acorn 在微機市場站穩(wěn)腳跟的就是 1981 年拿下 BBC Micro 的 130 萬英鎊的訂單。這一項目離不開克里斯的積極爭取，赫爾曼在內(nèi)部的成功斡旋，成功激發(fā)了威爾遜和福巴爾的潛能。在 BBC 團隊再次前來考察前，兩人使用了當時還在研發(fā)中的 Acorn Proton 版本為雛形，花了五天五夜時間做出了 BBC Micro 實體原型機。此后，BBC Micro 大獲成功，一共賣出去 150 萬臺，還在 1984 年獲得了英國的女王技術(shù)獎（Queen‘s Award of Technology）。

（2008 年，BBC?Micro 紀念活動上項目參與者的合影）

而推動 Acorn 自己研發(fā)處理器的契機則是，IBM 在 1983 年推出面向商業(yè)市場的第二代微型機之后，Acorn 也有意要進入微型機商業(yè)市場。但是原來應(yīng)用于 BBC Micro 上的莫斯泰克公司的 2MHz 的 6502 處理器以無法滿足新的硬件需求，而市面上又沒有讓 Acorn 滿意的處理器。

據(jù)說，當時威爾遜和福巴爾找了當時所有可能用到的芯片，覺得英特爾的 286 芯片還不錯。當他們向英特爾提出合作，想要拿到 286 芯片的授權(quán)時，被英特爾斷然拒絕。這一拒絕的代價就是英特爾為新世紀培養(yǎng)出一個夢魘一般的對手。

機遇的天平正好向 Acorn 傾斜。當時，加州大學伯克利分校在大衛(wèi)·帕特森教授主持下，提出的“伯克利精簡指令集計劃（Berkeley RISC Plan）”?白皮書。威爾遜和福巴爾正是受此啟發(fā)，開始為新一代的 BBC 微電腦開發(fā)基于 RISC 的 32 位微處理器芯片。

（蘇菲·威爾遜在介紹 ARM 開發(fā)過程）

1983 年 10 月，ARM 計劃正式啟動。沿著 RISC 架構(gòu)精簡思路，威爾遜很快就用 BBC Basic 編寫出首個 ARM 的原型。經(jīng)過歷時 18 個月的研發(fā)和測試，終于在 1985 年 4 月，Acorn 的芯片代工廠 VLSI 公司生產(chǎn)出了第一塊使用 RISC 指令集的 ARM 芯片，這里 ARM 的全稱還是 Acorn RISC Machine。

（BBC?Micro 上的 ARM-1 芯片）

1985 年 4 月 26 日下午 1 點，第一批 ARM 芯片從 VLSI 回來，被直接投入到開發(fā)系統(tǒng)中，并經(jīng)過一兩次調(diào)整后啟動。在下午 3 點，屏幕中顯示出：“ Hello World，I am Arm”。全球第一款商業(yè) RISC 處理器——ARM-1 在 Acorn 電腦公司成功運行。

不過，此時的 Acorn 電腦公司則因為經(jīng)營失誤而大幅虧損，Acorn 不得不在 1985 年將自己的近一半股權(quán)以 1200 萬英鎊的低價轉(zhuǎn)讓給意大利的 Olivetti 電腦公司，用以償還債務(wù)。在 ARM 芯片成功研制之后，Acorn 以 ARM 開發(fā)系統(tǒng)作和一款 Acorn Archimedes 系統(tǒng)為商用產(chǎn)品進行銷售。

此后，Acorn 電腦的發(fā)展已經(jīng)波瀾不驚。因為在 1990 年，由 Acorn 電腦公司、蘋果公司和那家代工廠 VLSI 合作創(chuàng)辦的 ARM（全稱是 Advanced RISC Machines Ltd）公司成立了。

新的歷史進程和榮光將屬于 ARM。

RISC 的星火：ARM 選對了賽道

在繼續(xù) ARM 的故事前，我們有必要簡單聊下指令集這個生僻的領(lǐng)域。

1961 年，IBM 在小沃森的支持下，由副總裁文森特·利爾森牽頭，準備投入 50 億美元進行 IBM360 電腦的開發(fā)。1964 年，IBM 360 系列電腦研制成功，成為劃時代的產(chǎn)品。

而在研制過程中，IBM 攻克了計算機指令集、集成電路、可兼容操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等一系列軟硬件難關(guān)，也為此申請了 300 多項專利技術(shù)。其中，System-360 系統(tǒng)，所集成的全新通用指令集架構(gòu)（Universal Instruction Set Architecture），成為計算機發(fā)展史上第一種商用的指令集架構(gòu)。

（IBM?System360 大型機）

可以說，指令集的本質(zhì)，就是硬件和軟件代碼之間溝通的一套“標準語言”。處理器就是那個核心硬件，操作系統(tǒng)就是基礎(chǔ)軟件。電腦中運行的的軟件就要基于指令集的架構(gòu)而開發(fā)，才能夠達成正常運行的效果。這一從處理器到操作系統(tǒng)，再到基礎(chǔ)應(yīng)用軟件的搭建模式，便是以指令集架構(gòu)為基礎(chǔ)的一種“標準語言”的兼容生態(tài)。

我們常說的處理器架構(gòu)，就是說以指令集架構(gòu)為基礎(chǔ)搭建起來的處理器。一旦指令集和操作系統(tǒng)組合綁定，將形成其他玩家難以逾越的“生態(tài)墻”?，F(xiàn)在我們知道，引領(lǐng) PC 時代最牢不可破的“生態(tài)墻”就是由英特爾 x86 處理器和微軟 Windows 操作系統(tǒng)所構(gòu)建的 Wintel 聯(lián)盟。而移動互聯(lián)時代的“生態(tài)墻”正是由 ARM 的 RISC 指令集架構(gòu)形成的移動端處理器生態(tài)和 Android、iOS 操作系統(tǒng)構(gòu)建起的 ARM 聯(lián)盟。

指令集系統(tǒng)在發(fā)展過程中，分化出兩個截然不同的優(yōu)化方向：復雜指令系統(tǒng)計算(Complex Instruction Set Computing，CISC)和精簡指令系統(tǒng)計算(Reduced Instruction Set Computing，RISC)。

CISC 就是通過設(shè)置一些功能復雜的指令，把一些原來由軟件實現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的指令系統(tǒng)實現(xiàn)，以此來提高計算機的執(zhí)行速度，其特點是設(shè)計復雜，功耗高，指令的執(zhí)行時間不同，其優(yōu)勢在于高計算性能。而 RISC 的設(shè)計思路是盡量簡化計算機指令功能，只保留那些功能簡單、能在一個節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行完成的指令，而把較復雜的功能用一段子程序來實現(xiàn)，其特點是每條指令執(zhí)行時間相同，可以減少指令的平均執(zhí)行周期，提高工作主頻速度，另外一個優(yōu)點就是功耗極低，但在通用性計算上面不及 CISC。

（著名的英特爾 8086 處理器）

盡管在 80 年代，學術(shù)界認為 CISC 已經(jīng)過時。但是由于英特爾在開發(fā) 8086 處理器時還沒有 RISC 指令集，所以采用了 CISC 的設(shè)計，此后英特爾的處理器系列都采用了 CISC 指令集。

此后由于可觀的收入，使得英特爾可以持續(xù)高投入到 CISC 處理器的研發(fā)，保證了其處理器性能比 RISC 處理器性能的持續(xù)超越，最終贏得了在 PC 電腦處理器上面的霸主地位。

在八十年代，PC 處理器市場上還有摩托羅拉、IBM、SUN、SGI、DEC 和 HP 都在生產(chǎn)自己的 RISC 處理器，但由于彼此競爭，大打價格戰(zhàn)，最終無力與英特爾的 CISC 處理器競爭，紛紛倒戈。幸好，RISC 的微光仍在 ARM 保存。

（1990 年，ARM 公司初創(chuàng)時期的辦公地點）

1990 年新成立的 ARM 公司，只有 12 名工程師參與，其中還并不包括開山鼻祖的威爾遜和福巴爾。辦公地點是只是一座位于劍橋的谷倉。Acorn 公司和蘋果公司各占 43%的股份，VLSI 占了剩余股份，并成為 ARM 的半導體代工者，也成為第一個獲得 ARM 授權(quán)的芯片廠商。

（搭載 ARM-6 處理器的蘋果 Newton?掌上電腦）

1993 年，ARM 在和蘋果合作開發(fā)一款搭載 ARM 處理器的蘋果 Newton MessagePad（一款過于超前的產(chǎn)品）中再次遭遇市場的冷遇。ARM 公司意識到企業(yè)的成功不能依賴個別產(chǎn)品。

當時，ARM 從摩托羅拉青睞的新任 CEO 魯賓·沙克斯比創(chuàng)造性地推出了 IP 授權(quán)的商業(yè)模式。此后，芯片生產(chǎn)廠商只需從 ARM 公司獲得 ARM 處理器的授權(quán)，并支付前期許可費和后期生產(chǎn)芯片的專利使用費，就可以獲得 RISC 指令集處理器的 IP 版權(quán)以及絕大多數(shù)的收益。而 ARM 公司也不用在承受產(chǎn)品開發(fā)失敗或銷售不利而帶來的經(jīng)營風險。

這是一個互惠、雙贏的商業(yè)創(chuàng)新，也為以后 RISC 芯片產(chǎn)業(yè)高度分工和加速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1993 年，ARM 與德州儀器、三星、夏普等半導體巨頭的合作，為 ARM 的推廣樹立了聲譽，也證實了 IP 授權(quán)的商業(yè)模式的可行性。

（摩托羅拉 6110 搭載了 ARM-7 處理器）

此時，ARM 的發(fā)展也趕上了移動設(shè)備革命的“天時地利”。當時諾基亞 6110 成為第一部采用 ARM 處理器的 GSM 手機。為符合諾基亞減少內(nèi)存的要求，ARM 專門開發(fā)了 16 位的定制指令集，大幅縮減了內(nèi)存，并最終由德州儀器生產(chǎn)和出售給了諾基亞。而 6110 上市獲得了極大的成功。高通、飛思卡爾、DEC 相繼加入 ARM-7 的授權(quán)陣營，后來授權(quán)給超過 170 家公司，至今一共生產(chǎn)出超過 100 億顆芯片。ARM-7 也成為 ARM 在移動處理器的旗艦系列。

1998 年，ARM 公司同時在美國和英國上市。短短幾個月內(nèi)，ARM 就成為估值超過 10 億美元的上市公司，放到今天就是妥妥的獨角獸，但這僅僅只是 ARM 騰飛的開始。

乘勢生長：ARM 開啟了移動時代

盡管在 2001 年，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)市場的股市崩盤，整個行業(yè)股價大幅下跌，ARM 收入也出現(xiàn)銳減，但是 ARM 并未元氣大傷。這一年，沃倫·伊斯特接替薩克斯比，成為 ARM 控股的 CEO，ARM 也開始實施未來五年的路線圖計劃。ARM 成為 RISC 處理器架構(gòu)標準的目標正在實現(xiàn)。

（ARM?Cortex-A15 芯片）

上市之后的 ARM，有了充足的資金開啟更高端的處理器的設(shè)計。2001 年，ARM-926EJ-S 推出，這一 IP 被授權(quán)給超過 100 家公司，出貨量達 50 億顆。此后，ARM 又陸續(xù)推出了 ARM-10、ARM-11 系列架構(gòu)。2005 年，意識到除了像 ARM-9 這樣的高端處理器市場，還有像低成本低功耗的微控制器市場。所以，ARM 又提出了 Cortex 產(chǎn)品線，并將處理器架構(gòu)分為：

面向高性能的 Cortex-A、面向?qū)崟r控制場景的 Cortex-R，以及面向微控制器市場的 Cortex-M。

此后，隨著 iPhone 智能手機的熱銷以及 Android 系統(tǒng)的推出，全球進入了智能移動手機的時代，而 ARM 也即將隨著蘋果以及一眾安卓廠商和移動芯片廠商的支持，而登上移動終端時代的“王座”。由于 ARM 處理器占據(jù)移動終端設(shè)備市場 90%的份額，ARM 每年的出貨量從 2013 年的每年 100 億臺上漲到現(xiàn)在每年的 200 億臺。

（ARM 的合作生態(tài)）

至此，ARM 終于走出了一條與英特爾完全不同商業(yè)模式、不同市場定位的道路。二者似乎本應(yīng)在各自的市場領(lǐng)域發(fā)展，可以“井水不犯河水”。但隨著 PC 電腦市場的飽和與移動互聯(lián)時代到來，英特爾早已把注意力投向移動設(shè)備領(lǐng)域，而 ARM 也將自己的處理器伸向英特爾占據(jù)的服務(wù)器市場。

英特爾早在 1997 年就從 DEC 手中買下了 StrongARM 授權(quán)，并把 StrongARM 升級為 Xscale。然而英特爾并沒有為 XScale 采用高度集成的設(shè)計模式，導致性能強悍但是功耗過高。2005 年，英特爾又拒絕了來自蘋果的處理器設(shè)計訂單，次年因為業(yè)務(wù)收縮，將 XScale 出售，等于將占領(lǐng)移動處理器的機會拱手相讓，錯過了馬上到來的移動時代。

等到英特爾再次意識到 ARM 的威脅之后，想以 x86 設(shè)計的嵌入式 Soc——Atom 來迎戰(zhàn) ARM 生態(tài)的時候，只能是一敗涂地了。

再次開戰(zhàn)的這一年是 2011 年，當時微軟宣布，在下一版的視窗操作系統(tǒng)正式支持 ARM 處理器，這讓英特爾 x86 處理器的市場地位開始發(fā)生動搖。到 2016 年，由于巨額虧損，英特爾停掉了 Atom 生產(chǎn)線，而 ARM 芯片的歷史出貨量達到了驚人的 1000 億。當然，ARM 生態(tài)在向 x86 系統(tǒng)所占據(jù)的服務(wù)器市場的進攻中，也是屢屢折戟沉沙。

（ARM 面向高性能服務(wù)器應(yīng)用的 Neoverse 芯片）

現(xiàn)在，在移動終端市場，體量巨大的英特爾也難以對 ARM 產(chǎn)生任何威脅。隨著移動設(shè)備和 PC 設(shè)備的邊界日益模糊，數(shù)據(jù)中心也在尋求更多樣、更高性能、低耗能的服務(wù)器出現(xiàn)，ARM 卻再一次向 PC 處理器芯片、服務(wù)器芯片以及 AI 芯片發(fā)起新的沖鋒。

同時，隨著萬物互聯(lián)的智能時代的到來，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都將搭載不止一顆的嵌入式芯片。而這也正是 ARM 所擅長領(lǐng)域，不過這也是英特爾想要在未來重點突圍的新戰(zhàn)場。

此后，我們將看到在 ARM 生態(tài)高歌猛進當中，將在英特爾所堅守的領(lǐng)域以及正在到來的智能物聯(lián)的領(lǐng)域，展開一場全面戰(zhàn)爭。

ARM 成功的“天時地利人和”

ARM 之所以能夠取得今天的市場地位和商業(yè)成就，主要是歸功于其建立的創(chuàng)新商業(yè)模式——IP 授權(quán)模式。

與英特爾的重資產(chǎn)、高利潤的壟斷模式不同，在移動終端領(lǐng)域中，低成本、微利潤的處理器是無法支撐這一重度投入模式的。而 ARM 開創(chuàng)的授權(quán)模式，將芯片的架構(gòu)、設(shè)計（Fabless，如高通、英偉達、華為海思）和生產(chǎn)（Foudary，如臺積電）分開，既分攤了成本，又提高了生產(chǎn)效率和新工藝迭代的速度，從而也形成了日益繁榮的 ARM 生態(tài)。

（采用 ARM 架構(gòu)的蘋果芯片）

ARM 公司根據(jù)芯片設(shè)計公司不同的需求和能力，提供了三種不同的對外授權(quán)模式，包括：

第一種，處理器授權(quán)。買下 IP 的芯片設(shè)計企業(yè)只需按照 ARM 設(shè)計好的芯片圖紙生產(chǎn)即可。

第二種，處理器優(yōu)化包和物理 IP 包授權(quán)。芯片設(shè)計企業(yè)可以直接拿到一系列設(shè)計方案，完成芯片的生產(chǎn)，但是自由度更低，處理器類型、代工廠和工藝都由 ARM 規(guī)定好了。

第三種，架構(gòu)和指令集授權(quán)。針對實力雄厚的芯片設(shè)計企業(yè)，如蘋果、高通、三星和華為海思，他們可以直接購買 ARM 的架構(gòu)和指令集，自行設(shè)計和 ARM 指令集兼容的處理器。

目前，ARM 在全球擁有 1000 多家處理器授權(quán)合作企業(yè)、320 家處理器優(yōu)化包和物理 IP 包授權(quán)伙伴，15 家架構(gòu)和指令集授權(quán)企業(yè)。在眾多授權(quán)企業(yè)的支持下，ARM 處理器 2015 年的出貨量達到了 150 億個，歷史出貨總量超過了 1000 億個。

ARM 每次在研發(fā)新一代處理器 IP 時，最多會挑選三家合作伙伴。這些被選中的公司能更早地了解 ARM 的設(shè)計，會在新產(chǎn)品研發(fā)上占據(jù)領(lǐng)先地位，但它們也要幫助 ARM 進行調(diào)試、測試，并向 ARM 提供反饋，ARM 也因此能夠確保順利研發(fā)，加快應(yīng)用的速度。

而在盈利模式上，ARM 的利潤完全依賴 IP 授權(quán)，利潤完全取決于授權(quán)人、伙伴、客戶能賣出的芯片數(shù)量，這樣就與芯片的設(shè)計、生產(chǎn)、銷售的企業(yè)緊密綁定，合力實現(xiàn)產(chǎn)品的利益最大化，實現(xiàn)共贏。

在處理器發(fā)展方向的選擇上，ARM 所選擇的 RISC 指令集處理器曾在與英特爾選擇的 CISC 指令集交鋒中暫時落敗，但無疑 RISC 代表的低功耗的趨勢更符合移動時代的發(fā)展方向。

現(xiàn)在，RISC 指令集的這一優(yōu)勢更加明顯。也就是處理器在低功耗的情況下努力突破性能的極限，要比在保持性能提升的情況下降低能耗，是一件更有優(yōu)勢的進程。ARM 的處理器芯片向英特爾的處理器芯片領(lǐng)域擴展，正是這一趨勢的最好注腳。

總結(jié)以上，可以看到，移動時代爆發(fā)代表的天時，RISC 先進性能代表的地利、ARM 創(chuàng)新商業(yè)模式代表的人和，共同構(gòu)成了今天 ARM 的繁榮生態(tài)和全球事業(yè)版圖。

至于 ARM 與中國芯片產(chǎn)業(yè)的合作與糾葛，我們將另起篇章來探討。