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ARM架構的崛起,智能手機SoC發展史

前沿科技 3年前 (2022) 虛像
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手機的高通驍龍處理器、聯發科天璣處理器、蘋果 A 系列處理器、三星 Exynos 處理器、華為麒麟處理器,大家或多或少都有些了解,但是有人知道嗎?其實他們大多采用的都是 ARM 架構,即便不是 ARM 架構,也是源自 ARM 指令集研發而來,比如今年的驍龍 8 處理器、天璣 9000 處理器均采用的是最新 ArmV9 架構。為什么 ARM 在手機處理器領域這么火呢?今天就和大家來聊一聊。

ARM架構的崛起,智能手機SoC發展史

ARM 誕生

在 1978 年,由工程師 Chris Curry 與物理學博士 Hermann Hauser 兩位 30 多歲的年輕人,在英國劍橋成立了 Cambridge Processing Unit(中文直譯:劍橋處理單元),同年公司改名為 Acorn Computer Ltd,也就是 ARM 公司的前身,起初是為類如老虎機等游戲機設計微處理器控制器,后來有錢之后開始做微型計算機,推出的第一款微型計算機 Acorn Atom。

ARM架構的崛起,智能手機SoC發展史

在 1981 年,Acorn 迎來了第一次發展的機遇,拿下了 BBC 英國廣播公司一個微型計算機的大訂單,采用了 MOS 6502 的 8 位微核處理器,在同年 12 月份,Acorn 推出了 BBC micro 微型計算機,一經發布直接主導了當時英國的計算機教育市場,大獲成功,這也奠定了 Acorn 發展的基礎。在 1984 年,Acorn 公司還獲得了 BBC 女王技術獎,表揚了 BBC micro 的先進設計。

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在 1983 年,Acorn 想要進入微型機商業市場,但是當時采用的 6502 處理器無法滿足新的硬件需求,在當時處理器上有兩個選擇,一是采用摩托羅拉公司的 16 位芯片,但這款芯片價格高而且執行速度慢,另外一個選擇是英特爾的 80286 芯片,但是被英特爾無情的拒絕,或許是嫌棄當時 Acorn 公司太小。

可能是因為英特爾的拒絕,刺激到了 Acorn,決定自己搞芯片,這也是 Acorn 公司改變命運的關鍵時刻。

隨后,Hermann Hauser 邀請劍橋大學計算機科學家 Sophie Wilson 和 Steve Furber,經過不斷努力研發之后,在 1985 年,Acorn 開發了基于 RISC 指令集的 32 位微處理器,被命名為 Acorn RISC Machine(簡稱:ARM),由芯片代工廠 VLSI 公司生產。

RISC 的全稱是精簡指令集計算機,由于支持的指令簡單、這也意味著高效與低功耗而且價格便宜,因而設計低功耗處理器也是 ARM 的強項,這也奠定了 ARM 處理器在手機等移動設備的基礎。

但是在 1985 年的時候,此時 Acorn 公司由于經營問題導致大幅虧損。在 1990 年,由 Acorn 計算機公司、蘋果計算機、VLSI Technology 合資成立了 ARM(全稱:Advanced RISC Machines)公司。當時 Acorn 提供工程師、蘋果提供資金、VLSI Technology 則提供設備,由此真正的 ARM 誕生了。

授權芯片

但是在 ARM 公司成立初期,業務發展一般般,雖然 ARM 架構的功耗與成本都低,但當時推出的產品線也因為性能問題被英特爾的 X86 架構吊打。比如在 1993 年,蘋果首款掌上電腦 Apple Newton 采用 ARM 610 RISC CPU 以及 640KB 的 RAM 和 4MB 的 ROM,體驗并不如意,手寫識別率很低,售價高昂令人望而止步。

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這個時候,ARM 引入 IP 商業模式,自己不制造芯片,將芯片設計方案授權給半導體公司,收取前期的授權費以及后期生產芯片的專利使用費,好處是將風險降低,與其它公司建立互惠互利的關系,共同努力實現利益最大化,同時也推動了芯片上市的步伐。

在 1993 年,ARM 公司將產品授權給凌云邏輯(Cirrus Logic)與德州儀器 ( TI ) ,其中與德州儀器的合作取得了重要的突破,為 ARM 公司樹立了聲譽,同時也證明了 IP 授權的商業模式可行性,隨后與 ARM 合作的公司也越來越多,包括德州儀器、三星、夏普等半導體的巨頭。

殺入手機市場

到了 20 世紀 90 年代,屬于移動電話的時代到來,ARM 拿下了當時手機的大佬——諾基亞。在 1994 年,第一部采用 ARM 處理器的 GSM 手機——諾基亞 6110,上市之后大獲成功,隨后高通、飛思卡爾、美國 DEC 公司也相繼加入了 ARM-7 的授權陣營,ARM-7 也成為了 ARM 的旗艦移動設計。

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借助 ARM 授權的德州儀器,在起初的手機市場占據了絕對的主導地位,TI(德州儀器)旗下的 OMAP1710 處理器在諾基亞 Symbian 系統大獲成功之后,也是陸續推出了一系列的 OMAP 處理器,旗下的 OMAP 系列處理器也一直是諾基亞、多普達等手機的御用 CPU。

在這種 " 天時地利 " 的發展機遇下,ARM 也迎來了高速的發展,到了 1998 年,ARM 公司同時在英國與美國上市,上市之后股價飆升,幾個月內就成為了價值超十億美元的公司,而這不過是 ARM 騰飛的開始。

智能手機時代

到了 21 世紀,隨著 iPhone 手機的熱銷以及 Android 系統的推出,智能手機發展迅猛,開始進入全民智能移動手機時代,功耗低、續航長成為手機的主要需求,而這需求正好是 ARM 架構的長處,芯片行業出現爆發式的增長,這也讓支持蘋果手機以及安卓手機芯片的 ARM,一躍成為了手機行業的王者。

ARM架構的崛起,智能手機SoC發展史

首款 iPhone 就是采用的 ARM 公司設計的芯片,但是這款芯片不是蘋果自己研發的,而是外包給了三星,但是由于蘋果沒有自己的芯片專家,導致三星為自己提供的芯片性能一般,這個時候喬布斯意識到想要取得領先優勢,自研芯片一定是最為重要的一環節,于是開始組建芯片研發團隊。

這個時候可能有人注意到了,蘋果不是 ARM 公司的聯合創始人之一嗎?沒錯,但是在 1997 年,蘋果由于經營慘淡,為了更好發展,喬布斯出售了蘋果持有的 ARM 股份。

到了 2008 年,蘋果收購了一家微處理器設計公司,同年獲得了 ARM 芯片技術授權,開始了基于 ARM 架構的芯片自研之路。2010 年,蘋果發布的 iPhone4 上采用了 A4 處理器,采用三星 45nm 制程工藝,800MHz 的 ARM Cortex-A8 的單核心處理器,但是該款處理器上還能看到不少三星的影子,因而不過還算不上真正的自研芯片。

2013 年,蘋果推出了采用 ARM-v8 64 位指令集以及自家 Cyclone 架構的 A7 處理器,主頻為 1.3GHz,采用三星 28nm 制程工藝,打開了手機處理器 64 位的大門,同時能效比實現了對 ARM Cortex A 系列的反超,具有跨時代的意義,這也打得當時安卓手機陣營措手不急。

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2013 年,高通啟用新的命名以及劃分方案,提出驍龍 200、驍龍 400、驍龍 600 以及驍龍 800 系列,開始注重品牌化,提出了類似 Intel Inside 的概念。而這隨后,手機廠商在發布新機時,也是開始習慣介紹 " 采用高通驍龍處理器 ",尤其是高端旗艦手機,直至現在依舊如此。

2014 年年底,高通匆忙發布了 64 位處理器——驍龍 810,CPU 使用的是 ARM 的 4 顆 Cortex-A75 以及 4 顆 Cortex-A53,采用 20nm 制程工藝,但是這款處理器在 2015 年上市之后,手機表現非常差,發熱嚴重,成為一代 " 經典 ",而驍龍 810 也被冠以 " 火龍 " 的稱號。

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隨后 2016 年,高通推出了基于 ARMv8 指令集自主研發的 Kyro 架構,隨后的驍龍 835、驍龍 845、驍龍 855、驍龍 865 均采用魔改 ARM 架構的 CPU 內核。明明大家都是采用 ARM 架構,為什么蘋果處理器就這么強呢?

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第一種:蘋果采用的是架構 / 指令集層級授權,可以根據現有的架構或者指令集進行二次定制修改,蘋果就是只是采用了 ARM 的指令集,其它全部自研,包括 CPU、GPU 等微架構,都是根據 ARM 的指令集自己研發,依靠自身的研發技術,實力最強。高通的 Kyro 也是基于 ARMv7 指令集自研的微架構。

第二種:高通屬于采用了 ARM 的指令集,CPU 源于 ARM 公版架構開發而來,起初 CPU 確實基于 ARM 指令集自研了不少架構,不過現在高通貌似選擇放棄了自研,統一選擇 ARM 公版架構,比如最近驍龍 8、驍龍 8+ 處理器都采用的 ARM 最新 Arm v9 架構。另外在 GPU 則采用了的是 Adreno GPU,是高通此前從 ATI 公司收購而來的。

第三種:大部分處理器其實都是直接采用了 ARM 的公版架構,比如華為的麒麟系列、聯發科天璣處理器還有紫光展銳處理器,基本沒有自研也沒有進行二次開發,簡單來說就是直接拿過來使用,自研技術最低。

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ARM 未來

在 2016 年,日本軟銀集團以溢價 43%,約 309 億美元全現金方式收購 ARM 公司,使得 ARM 公司成為軟銀集團旗下的全資子公司,收購的原因無非就是看中了 ARM 的發展潛力,在收購 ARM 時軟銀的孫正義也表示," 物聯網與人工智慧 ( AI ) 將是軟銀的下一波成長動力 ",所以也有人說軟銀收購 ARM 就是孫正義 " 對物聯網的非理性狂熱 "。

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可能大家對日本軟銀集團不太熟悉,但是這是一家全球科技界的投資人,孫正義在當時被稱為是 " 日本的比爾蓋茲 ( Bill Gates ) ",曾經主導過多場大型的收購案,比如阿里巴巴在 2020 年也獲得了日本軟銀集團的投資。

在 2018 年的時候,ARM 對中國業務拆分,在中國深圳成立了一個中方控股合資的安謀中國公司(后來改名為安謀科技),獨立運營,其中中方控股 51%,ARM 持股 49%。而安謀中國的商業方式上,一是可以自研新的 IP 產品,二是在國內市場開展 ARM IP 業務。

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為什么 ARM 會成立一個 Arm 中國公司呢?

一:看重了中國市場的高速發展機遇,有資料顯示 Arm 有 25% 的營收是來自于中國,而且近十年來,Arm 中國區的出貨量增長達到 170 倍。

二:出售 Arm 中國 51% 的股權,還可以幫助軟銀套現;

三:滿足我國對于芯片產業強調 " 自主可控 " 的需求,避免一些政治問題,同時規避壟斷風險。

四:更接地氣,更好服務中國市場,同時防止 RISC-V 開源架構滲入中國市場(雖然沒能防住,阿里巴巴、華為、中興等國內科技廠商都在開始擁抱 RISC-V 開源架構)。

不過后來 ARM 與安謀中國后來爆發了內部控制權之爭,ARM 與中國合伙人厚樸投資以 " 危害到了安謀中國的發展、公司股東以及利益相關者 " 的理由嘗試罷免安謀中國董事長、CEO、法定代表人吳雄昂,最終未能成功,而安謀科技也將繼續以一家獨立運營的公司,繼續發展自研 IP,推動 ARM IP 在中國市場落地,支持中國半導體行業的發展。

在 2020 年的時候,軟銀宣布將 ARM 出售給英偉達,為什么軟銀會突然放棄前景蒸蒸日上的 ARM 呢?來自軟銀財報數據,ARM 在 2017 年 -2019 年營收基本沒有增長,進入了平緩期??赡苁且驗檐涖y投資面過廣、資金耗費過大再加上疫情等原因,軟銀在 2019 年虧損 125 億美元。雖然 ARM 發展前景很好,但是現階段發展過慢,卻又很值錢,可以賣出一個好價錢,出售給英偉達可以實現快速回血。

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但是涉及到壟斷等原因,此次收購受到監管部門的極力反對,高通、谷歌、微軟等科技巨頭也紛紛反對,于 2022 年,英偉達和軟銀不得已宣布終止 ARM 收購,但保留了英偉達 Arm 20 年的授權。一旦英偉達收購 ARM 對于我國也會產生很大的影響,比如華為目前被限制的是芯片制造,如果 ARM 被英偉達收購,很可能會出現華為芯片設計也遭到限制,因為華為的麒麟芯片就是采用 ARM 公版架構,當然涉及到的我國企業遠不止華為一家。

在收購被迫停止后,軟銀也發布公告稱:" Arm 不僅在手機革命中成為創新中心,而且在云計算、汽車、物聯網和虛擬世界中也成為創新中心,并已進入第二個增長階段,我們將借此機會開始準備將 Arm 上市,并取得更大的進展。" 同時表示在截至 2023 年 3 月 31 日的財政年度內公開發行 Arm 股票。

ARM架構的崛起,智能手機SoC發展史

如今 ARM 開始走向全面計算,除了手機、平板電腦以外,還覆蓋可穿戴設備、高性能計算、汽車電子、物聯網等領域。從軟銀 2019 年財報來看,ARM 架構在手機占據 90% 以上市場、物聯網也占據了 90% 的市場、車內娛樂與駕駛輔助系統占據了 75% 以上的市場,市場份額非常的大,以如今 ARM 的芯片行業地位,未來 ARM 勢必會成為全球最具有價值的半導體公司之一,只希望軟銀可以支撐到那一天。

原文地址:http://www.myzaker.com/article/632058bc8e9f0913b969f801

版權聲明:虛像 發表于 2022年9月13日 pm8:27。
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