ARM发家史:无名者的逆袭

2023-05-15 10:34:40 digiproto
ARM架构(Advanced RISC Machine,高级精简指令集计算机),属于典型的RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集)处理器架构家族,广泛应用于如工业控制、移动通信等领域内的多种嵌入式系统设计中,具有低耗能、低成本、高性能等优点。截至2021年底,ARM芯片产量已超2000亿,稳居智能手机市场霸主地位。那么,它背后的公司到底是怎样发展起来的呢?
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▲图1 ARM Logo


01

创立初期:抓住机会

1978年12月,剑桥大学物理学博士Hermann Hauser和英国工程师Chris Curry在英国伦敦成立了CPU(Cambridge Processor Unit,剑桥处理器单元)公司。公司接到的第一笔技术咨询订单,是为威尔士的Ace Coin Equipment公司设计一款基于微处理器的赌博机控制器。


1979年,CPU公司改名为Acorn Computer Ltd(橡果计算机公司)。公司开发了Acorn Computer(后更名为Acorn System 1),是面向工程、实验室用户和专业计算机爱好者的半专业计算机系统,体型小巧,售价低廉。继它之后,Acorn公司又相继研制了Acorn System 2-5,以及同样售价低廉的家用电脑——Acorn Atom。


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▲图2:Atom是Acorn公司首款配备完整键盘的家用电脑。


平淡的发展在20世纪80年代初,发生了转折。当时,BBC(British Broadcasting Corporation,英国广播公司)继续教育部门提出了开办计算机知识培训课程的想法,决定制作纪录片《微型计算机》(the Mighty Micro)的续集。该续集中英国国家物理实验室的Christopher Evans 博士关于微型计算机革命的言论,引起了英国政府和BBC企业部的兴趣,他们决定为配套的BBC Micro计算机系统拟定标准。几经周折,最终决定由Acorn公司来开发BBC Micro。


1981年12月,BBC micro成功问世,并直接主导了当时英国的教育计算机市场,其销量使Acorn公司的利润从1979年的3000英镑飙升到了1983年6月的860万英镑。


1984年4月,Acorn公司获得了BBC女王技术奖。该奖项特别赞扬了BBC Micro的先进设计,并称赞Acorn公司“开发了具有许多创新功能的微型计算机系统”。

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▲图3  BBC Micro初

02

自主研发:设计自己的芯片

上世纪80年代对计算机界意义非凡。


1981,IBM(International Business Machines Corporation,万国商业机器公司)公司推出PC(Personal Computer,个人计算机),它的问世从根本上改变了台式计算机市场:过去5年主要针对个人爱好和游戏的市场,开始转变为计算机作为必备商业工具的市场。


由于早期处理器的8位设计根本无法满足市场需求,32位设计开始进入市场,如Motorola Inc(摩托罗拉)的68000型中央处理器和National Semiconductor(美国国家半导体公司)的NS32016微处理器。


1983年,Apple Inc.(苹果公司)推出Mac时代前的产品Apple Lisa——全球首款同时采用图形用户界面(GUI,Graphical User Interface)和鼠标的个人电脑,并暗示未来属于GUI。Lisa的价格为9935美元,在当时可谓是非常昂贵。

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▲图4  Apple Lisa


在此背景下,Acorn公司为自己在市场上的竞争设定了目标:生产一台性能是BBC Micro 十倍,但价格相同的的机器。在对市面上的16位芯片评估后,工程师们得出以下结论:


第一,当前16位芯片性能较低,中断后响应时间长;

第二,生产成本太高,处理器芯片占用了整机1/5的成本,价格优势无从谈起。


在向英特尔公司发起的80286芯片授权请求遭到拒绝后,Acorn公司做出了改变命运的决定:设计自己的芯片。受到加州大学伯克利分校提出的“伯克利精简指令集计划(Berkeley RISC Plan)”白皮书的启发,剑桥大学计算机科学家Sophie Wilson和Steve Furber为Acorn公司新一代的BBC Micro计算机开发基于RISC的32位微处理器芯片。该芯片被命名为Acorn RISC Machine(ARM)。盛行至今的ARM便是由此得名。

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▲图5 ARM芯片

03

调整策略:IP授权模式

1983年10月,Acorn RISC Machine计划正式开始,曾为Acorn公司提供ROM(Read-Only Memory,只读存储器)和定制芯片的VLSI科技公司(Very Large Scale Integration Technology, Inc.)被选为“芯片合作伙伴”。


1985年4月26日,VLSI科技公司生产出第一片ARM芯片(ARM1),运行频率为 6 MHz。ARM1最初被作为BBC Micro的协处理器,负责运行芯片开发所需的仿真软件。它也被用于支持芯片各项功能的开发,以及加速ARM2开发时需要用到的CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计)软件。Wilson随后用ARM汇编语言重新编写了BBC Basic,ARM版的BBC Basic代码十分紧凑,成为测试ARM模拟器的极佳工具。继ARM1后,Acorn公司又陆续推出了ARM2-11、ARM Cortex系列的处理器版本和ARMv系列的架构版本。


1990年,Acorn公司为与Apple公司合作,成立了名为ARM(Advanced RISC Machines)的公司。由于成立初期业绩平平,ARM公司决定以IP(Intellectual Property,知识产权)授权模式作为公司盈利主要来源,该模式的利润主要取决于被授权厂商卖出的芯片数量。这种共担风险、共享利益的模式,使得企业间必须要合力实现产品的利益最大化,也促使低成本的技术创新。


1993年,ARM公司将产品授权给Cirrus Logic(凌云逻辑)公司和TI(Texas Instruments,德州仪器)公司。与TI公司的合作为ARM公司建立了良好口碑,并验证了授权模式的可行性。此后,与ARM公司合作并获得授权的公司越来越多,其中包括富士通、三星等著名企业。


1994年移动设备革命期间,ARM公司占尽天时地利。诺基亚6110是首款应用ARM处理器的GSM(Global System for Mobile Communications,全球移动通信系统)手机,面世后取得了巨大成功。之后,ARM公司又推出了ARM7等系列芯片,授权企业超过165家。1998年4月17日,ARM控股公司在英国伦敦证交所和美国纳斯达克同时上市。

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▲图4 ARM庞大的合作版图


04

成为市场霸主

ARM公司上市后,Apple公司逐步卖出了早年参股所持股份,但其产品依然使用ARM架构。2007年,划时代电子产品——iPhone诞生了,它的出现完全打破了传统手机的设计。第一代iPhone使用了由ARM公司设计的芯片。随着iPhone的强势热销和App Store的快速普及,全球苹果用户的移动应用被彻底绑定在ARM指令集上。

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2008年,谷歌公司发布了基于ARM指令集的Android操作系统。凭借其开源特点和谷歌软件生态,它迅速占领手机操作系统市场。同年,ARM芯片总出货量超过100亿颗。


2012年,微软公司发布的Windows8操作系统首次支持ARM架构芯片,这标志着英特尔x86处理器的市场主导地位不再坚固。


2016年7月,日本软银集团以约309亿美元全现金方式收购ARM公司,ARM公司成为软银集团旗下的全资子公司。


2020年9月,英伟达公司宣布出价400亿美元收购ARM公司。因担心造成严重竞争问题使ARM公司无法保持中立,该收购案遭到监管机构和大型企业(如高通、微软、谷歌等)的一致反对。


2022年2月7日,英伟达公司和软银集团宣布终止双方此前达成的ARM公司股份交易协议,收购案正式宣告失败,同时软银集团将推动ARM公司上市。


截至2021年底,ARM硅芯片合作伙伴累计出货量已超过2000亿颗芯片,达到了历史前所未有的水平。


纵观ARM公司发展的30余年,其之所以能从无名者逆袭成市场霸主,是因其既在创业初期及时调整商业策略,创造了成功的商业模式,也在发展中期善于抓住时代的机遇,利用合作资源迅速进行市场扩张。它轻资产、开放的合作共赢姿态,成功与所有合作伙伴建立了双赢关系;ARM处理器的低功耗特点,也契合了移动设备市场爆发时期的需要。以上种种最终造就了ARM公司和ARM处理器现在的辉煌。


在即将来临的万物互联时代,让我们期待ARM有更出色的表现。


参考文献

[1]. 《追寻ARM的起源——Acorn电脑简史》

[2]. 《「芯历史」ARM如何成为半导体“顶流”?》

[3]. https://en.wikipedia.org/wiki/Arm_Ltd.




标签: ARM 处理器
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