ARM架构的崛起,智能手机SoC发展史

ARM架构的崛起,智能手机SoC发展史

一梦 / 2022-09-13 10:02:5280489

手机的高通骁龙处理器、联发科天玑处理器、苹果A系列处理器、三星Exynos处理器、华为麒麟处理器,大家或多或少都有些了解,但是有人知道吗?其实他们大多采用的都是ARM架构,即便不是ARM架构,也是源自ARM指令集研发而来,比如今年的骁龙8处理器、天玑9000处理器均采用的是最新ArmV9架构。为什么ARM在手机处理器领域这么火呢?今天就和大家来聊一聊。

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ARM诞生

在1978年,由工程师Chris Curry与物理学博士Hermann Hauser两位30多岁的年轻人,在英国剑桥成立了Cambridge Processing Unit(中文直译:剑桥处理单元),同年公司改名为Acorn Computer Ltd,也就是ARM公司的前身,起初是为类如老虎机等游戏机设计微处理器控制器,后来有钱之后开始做微型计算机,推出的第一款微型计算机Acorn Atom。

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在1981年,Acorn 迎来了第一次发展的机遇,拿下了BBC英国广播公司一个微型计算机的大订单,采用了MOS 6502的8位微核处理器,在同年12月份,Acorn推出了BBC micro微型计算机,一经发布直接主导了当时英国的计算机教育市场,大获成功,这也奠定了Acorn发展的基础。在1984年,Acorn公司还获得了BBC女王技术奖,表扬了BBC micro的先进设计。

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在1983年,Acorn想要进入微型机商业市场,但是当时采用的6502处理器无法满足新的硬件需求,在当时处理器上有两个选择,一是采用摩托罗拉公司的16位芯片,但这款芯片价格高而且执行速度慢,另外一个选择是英特尔的80286芯片,但是被英特尔无情的拒绝,或许是嫌弃当时Acorn公司太小。

可能是因为英特尔的拒绝,刺激到了Acorn,决定自己搞芯片,这也是Acorn公司改变命运的关键时刻。

随后,Hermann Hauser邀请剑桥大学计算机科学家Sophie Wilson和Steve Furber,经过不断努力研发之后,在1985年,Acorn开发了基于RISC指令集的32位微处理器,被命名为Acorn RISC Machine(简称:ARM),由芯片代工厂VLSI公司生产。

RISC的全称是精简指令集计算机,由于支持的指令简单、这也意味着高效与低功耗而且价格便宜,因而设计低功耗处理器也是ARM的强项,这也奠定了ARM处理器在手机等移动设备的基础。

但是在1985年的时候,此时Acorn公司由于经营问题导致大幅亏损。在1990年,由Acorn计算机公司、苹果计算机、VLSI Technology合资成立了ARM(全称:Advanced RISC Machines)公司。当时Acorn提供工程师、苹果提供资金、VLSI Technology则提供设备,由此真正的ARM诞生了。

授权芯片

但是在ARM公司成立初期,业务发展一般般,虽然ARM架构的功耗与成本都低,但当时推出的产品线也因为性能问题被英特尔的X86架构吊打。比如在1993年,苹果首款掌上电脑Apple Newton采用ARM 610 RISC CPU以及640KB的RAM和4MB的ROM,体验并不如意,手写识别率很低,售价高昂令人望而止步。

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这个时候,ARM引入IP商业模式,自己不制造芯片,将芯片设计方案授权给半导体公司,收取前期的授权费以及后期生产芯片的专利使用费,好处是将风险降低,与其它公司建立互惠互利的关系,共同努力实现利益最大化,同时也推动了芯片上市的步伐。

在1993年,ARM公司将产品授权给凌云逻辑(Cirrus Logic)与德州仪器(TI),其中与德州仪器的合作取得了重要的突破,为ARM公司树立了声誉,同时也证明了IP授权的商业模式可行性,随后与ARM合作的公司也越来越多,包括德州仪器、三星、夏普等半导体的巨头。

杀入手机市场

到了20世纪90年代,属于移动电话的时代到来,ARM拿下了当时手机的大佬——诺基亚。在1994年,第一部采用ARM处理器的GSM手机——诺基亚6110,上市之后大获成功,随后高通、飞思卡尔、美国DEC公司也相继加入了ARM-7的授权阵营,ARM-7也成为了ARM的旗舰移动设计。

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借助ARM授权的德州仪器,在起初的手机市场占据了绝对的主导地位,TI(德州仪器)旗下的OMAP1710处理器在诺基亚Symbian系统大获成功之后,也是陆续推出了一系列的OMAP处理器,旗下的OMAP系列处理器也一直是诺基亚、多普达等手机的御用CPU。

在这种“天时地利”的发展机遇下,ARM也迎来了高速的发展,到了1998年,ARM公司同时在英国与美国上市,上市之后股价飙升,几个月内就成为了价值超十亿美元的公司,而这不过是ARM腾飞的开始。

智能手机时代

到了21世纪,随着iPhone手机的热销以及Android系统的推出,智能手机发展迅猛,开始进入全民智能移动手机时代,功耗低、续航长成为手机的主要需求,而这需求正好是ARM架构的长处,芯片行业出现爆发式的增长,这也让支持苹果手机以及安卓手机芯片的ARM,一跃成为了手机行业的王者。

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首款iPhone就是采用的ARM公司设计的芯片,但是这款芯片不是苹果自己研发的,而是外包给了三星,但是由于苹果没有自己的芯片专家,导致三星为自己提供的芯片性能一般,这个时候乔布斯意识到想要取得领先优势,自研芯片一定是最为重要的一环节,于是开始组建芯片研发团队。

这个时候可能有人注意到了,苹果不是ARM公司的联合创始人之一吗?没错,但是在1997年,苹果由于经营惨淡,为了更好发展,乔布斯出售了苹果持有的ARM股份。

到了2008年,苹果收购了一家微处理器设计公司,同年获得了ARM芯片技术授权,开始了基于ARM架构的芯片自研之路。2010年,苹果发布的iPhone4上采用了A4处理器,采用三星45nm制程工艺,800MHz的ARM Cortex-A8的单核心处理器,但是该款处理器上还能看到不少三星的影子,因而不过还算不上真正的自研芯片。

2013年,苹果推出了采用ARM-v8 64位指令集以及自家Cyclone架构的A7处理器,主频为1.3GHz,采用三星28nm制程工艺,打开了手机处理器64位的大门,同时能效比实现了对ARM Cortex A系列的反超,具有跨时代的意义,这也打得当时安卓手机阵营措手不急。

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2013年,高通启用新的命名以及划分方案,提出骁龙200、骁龙400、骁龙600以及骁龙800系列,开始注重品牌化,提出了类似Intel Inside的概念。而这随后,手机厂商在发布新机时,也是开始习惯介绍“采用高通骁龙处理器”,尤其是高端旗舰手机,直至现在依旧如此。

2014年年底,高通匆忙发布了64位处理器——骁龙810,CPU使用的是ARM的4颗Cortex-A75以及4颗Cortex-A53,采用20nm制程工艺,但是这款处理器在2015年上市之后,手机表现非常差,发热严重,成为一代“经典”,而骁龙810也被冠以“火龙”的称号。

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随后2016年,高通推出了基于ARMv8指令集自主研发的Kyro架构,随后的骁龙835、骁龙845、骁龙855、骁龙865均采用魔改ARM架构的CPU内核。明明大家都是采用ARM架构,为什么苹果处理器就这么强呢?

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第一种:苹果采用的是架构/指令集层级授权,可以根据现有的架构或者指令集进行二次定制修改,苹果就是只是采用了ARM的指令集,其它全部自研,包括CPU、GPU等微架构,都是根据ARM的指令集自己研发,依靠自身的研发技术,实力最强。高通的Kyro也是基于ARMv7指令集自研的微架构。

第二种:高通属于采用了ARM的指令集,CPU源于ARM公版架构开发而来,起初CPU确实基于ARM指令集自研了不少架构,不过现在高通貌似选择放弃了自研,统一选择ARM公版架构,比如最近骁龙8、骁龙8+处理器都采用的ARM最新Arm v9架构。另外在GPU则采用了的是Adreno GPU,是高通此前从ATI公司收购而来的。

第三种:大部分处理器其实都是直接采用了ARM的公版架构,比如华为的麒麟系列、联发科天玑处理器还有紫光展锐处理器,基本没有自研也没有进行二次开发,简单来说就是直接拿过来使用,自研技术最低。

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ARM未来

在2016年,日本软银集团以溢价43%,约309亿美元全现金方式收购ARM公司,使得ARM公司成为软银集团旗下的全资子公司,收购的原因无非就是看中了ARM的发展潜力,在收购ARM时软银的孙正义也表示,“物联网与人工智慧(AI)将是软银的下一波成长动力”,所以也有人说软银收购ARM就是孙正义“对物联网的非理性狂热”。

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可能大家对日本软银集团不太熟悉,但是这是一家全球科技界的投资人,孙正义在当时被称为是“日本的比尔盖兹(Bill Gates)”,曾经主导过多场大型的收购案,比如阿里巴巴在2020年也获得了日本软银集团的投资。

在2018年的时候,ARM对中国业务拆分,在中国深圳成立了一个中方控股合资的安谋中国公司(后来改名为安谋科技),独立运营,其中中方控股51%,ARM持股49%。而安谋中国的商业方式上,一是可以自研新的IP产品,二是在国内市场开展ARM IP业务。

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为什么ARM会成立一个Arm中国公司呢?

一:看重了中国市场的高速发展机遇,有资料显示Arm有25%的营收是来自于中国,而且近十年来,Arm中国区的出货量增长达到170倍。

二:出售Arm中国51%的股权,还可以帮助软银套现;

三:满足我国对于芯片产业强调“自主可控”的需求,避免一些政治问题,同时规避垄断风险。

四:更接地气,更好服务中国市场,同时防止RISC-V开源架构渗入中国市场(虽然没能防住,阿里巴巴、华为、中兴等国内科技厂商都在开始拥抱RISC-V开源架构)。

不过后来ARM与安谋中国后来爆发了内部控制权之争,ARM与中国合伙人厚朴投资以“危害到了安谋中国的发展、公司股东以及利益相关者”的理由尝试罢免安谋中国董事长、CEO、法定代表人吴雄昂,最终未能成功,而安谋科技也将继续以一家独立运营的公司,继续发展自研IP,推动ARM IP在中国市场落地,支持中国半导体行业的发展。

在2020年的时候,软银宣布将ARM出售给英伟达,为什么软银会突然放弃前景蒸蒸日上的ARM呢?来自软银财报数据,ARM在2017年-2019年营收基本没有增长,进入了平缓期。可能是因为软银投资面过广、资金耗费过大再加上疫情等原因,软银在2019年亏损125亿美元。虽然ARM发展前景很好,但是现阶段发展过慢,却又很值钱,可以卖出一个好价钱,出售给英伟达可以实现快速回血。

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但是涉及到垄断等原因,此次收购受到监管部门的极力反对,高通、谷歌、微软等科技巨头也纷纷反对,于2022年,英伟达和软银不得已宣布终止ARM收购,但保留了英伟达Arm 20年的授权。一旦英伟达收购ARM对于我国也会产生很大的影响,比如华为目前被限制的是芯片制造,如果ARM被英伟达收购,很可能会出现华为芯片设计也遭到限制,因为华为的麒麟芯片就是采用ARM公版架构,当然涉及到的我国企业远不止华为一家。

在收购被迫停止后,软银也发布公告称:“ Arm不仅在手机革命中成为创新中心,而且在云计算、汽车、物联网和虚拟世界中也成为创新中心,并已进入第二个增长阶段,我们将借此机会开始准备将Arm上市,并取得更大的进展。”同时表示在截至2023年3月31日的财政年度内公开发行Arm股票。

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如今ARM开始走向全面计算,除了手机、平板电脑以外,还覆盖可穿戴设备、高性能计算、汽车电子、物联网等领域。从软银2019年财报来看,ARM架构在手机占据90%以上市场、物联网也占据了90%的市场、车内娱乐与驾驶辅助系统占据了75%以上的市场,市场份额非常的大,以如今ARM的芯片行业地位,未来ARM势必会成为全球最具有价值的半导体公司之一,只希望软银可以支撑到那一天。


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