集微网 · 2022年02月14日

【芯历史】ARM如何成为半导体“顶流”?(上)

芯历史──纵览国内外半导体产业发展历程,挖掘行业奇闻趣事,以古鉴今,探寻产业未来发展之道。

集微网报道,近日,在多方监管机构的反对之下,英伟达收购英国芯片企业Arm的交易以失败告终。这也将早已是圈内“红人”的ARM公司再次推向大众焦点。事实上,作为手机背后霸主的ARM公司一直是业内“顶流”般的存在,关于它的任何风吹草动都挑动着科技圈的神经。

回顾ARM的发展史,这家顶级的半导体公司是如何成立的?它独树一帜的“IP授权”商业思路因何而来?这家曾被誉为“英国高科技皇冠上的明珠”的企业又是为何被软银收购,并被英伟达盯上的?带着这些疑问,我们一起走进ARM的历史。

“前传”:启于一家电脑公司

有些事,或许冥冥之中自有安排。

1978年,在英国剑桥,因工作因素失去人生方向的32岁的工程师Chris Curry与30岁的奥地利籍的物理学博士Hermann Hauser结识。志向相投的两人在1978年12月5日正式创办CPU公司(Cambridge Processing Unit,字面意思是“剑桥处理器单元”)。在创建初期,公司主要从事当地市场的电子设备设计和制造的业务。

为了拿下当时巨大的“赌博机微处理器控制器”业务,1979年3月,“Acorn System 1”被发明了出来了,其核心是6502 CPU,频率为1MHz,内存刚刚超过1K。

这款产品取得了成功,公司开始盈利。同年公司改名为“Acorn Computer Ltd”。而之所以取名“Acorn ”,这里面也暗含着他们的“小心思”—比Apple(苹果)公司要更早出现在字母排序的名单上。Acorn也即是后来鼎鼎大名的ARM公司的前身。

1981年,Acorn迎来了英国广播公司BBC的大单。当时BBC打算在整个英国播放一套提高电脑普及水平的节目,他们希望Acorn能生产一款与之配套的电脑。值得一提的是,也正是这个大单让Acorn与英特尔结下了“梁子”,并促进了ARM未来的发展。

当时,为了达到BBC订单的要求,Acorn先后采用美国国家半导体和摩托罗拉的16位芯片,但在速度方面都不达标。为此,Acorn找到英特尔,希望对方可以提供写80286的设计资料和样品。这个要求遭到了英特尔的无情拒绝。吃了一鼻子灰的Acorn决定自己造芯片。在不久的未来将证明这对英特尔来说是一个非常糟糕的决定。不知道英特尔如果知道未来的Acorn能成为自己最强劲的竞争对手之一会不会因此而捶胸顿足?

最终,为了完成订单,Acorn采用了MOS 6502的处理器,推出了BBC微型计算机,并取得了很大的成功。

这次事件之后,Acorn决定建立自己的32位微处理器。终于,在1985年4月26日,来自剑桥大学的计算机科学家Sophie Wilson和Steve Furber最终完成了微处理器的设计,并将其命名为Acorn RISC Machine,这也就是“ARM芯片”(全称是Acorn RISC Machine,Acorn是公司名称,Machine是机器,RISC是精简指令集计算机)

第一个ARM芯片是一个25K晶体管设计,采用3um技术,32位、6MHz的处理器,也被定为ARM1。随后,第一批ARM芯片被直接投入到开发系统中,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。

到了1990年11月27日,苹果和 Acorn 的芯片合作商 VLSI 与 Acorn 一起合作,将 ARM 部门拆分出去建立了一家名为 Advanced RISC Machines 的新公司,这让 ARM 这个简写形式保留了下来。这三家联合颠覆产业模式,放弃高性能、花哨的半导体芯片,转而专注于更小、低功耗的的芯片。经过商讨,苹果投了150万英镑,VLSI投了25万英镑,Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股,ARM公司正式成立。

“穷则思变”:商业模式改变带来巨大成功

《易经》有云:“穷则变,变则通,通则久”,世间的真理总是相通的。

ARM刚成立的时候,产品线上的产品基本都被英特尔的X86架构芯片吊打。在1993年,苹果公司曾推出基于ARM处理器的Apple Newton,但是很不幸,这款产品并不出色,很多缺陷大大降低了其实用性。

认真反思之后,ARM认识到:想要成功就不能依赖个别产品。于是从此之后,ARM改变了自己的商业模式,自己不再生产芯片,而是将自己的方案授权给更多芯片厂商,收取前期授权费和专利使用费。这使得ARM与所有这些公司建立了互惠互利的合伙关系,有效加快了其芯片上市的速度。

具体来说,ARM有三种授权方式:处理器、POP以及架构授权。

其中,处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器,对方不能改变原有设计,但可以根据自己的需要调整产品的频率、功耗等。POP(processor optimization pack,处理器优化包)授权是处理器授权的高级形式,ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商,方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器。架构授权是ARM会授权合作厂商使用自己的架构,方便其根据自己的需要来设计处理器(例如后来高通的Krait架构和苹果的Swift架构,就是在取得ARM的授权后设计完成的)。

“共享风险的商业模式、乐观积极的态度,便是ARM与众不同的营销理念”,ARM软件技术总监Rod Crawford曾这样说道,这意味着“你的成功就是我们的成功”。

对于ARM的这种商业模式,在集微访谈对Codasip高级市场总监Roddy Urquhart的采访中,他也提到:“80年代中期,ARM从一家英国PC公司开始转型,变成了处理器专利知产授权的模式,这在当时是相当具有革命性的。在80年代中期,如果你想要设计一个处理器,一般思路是设计一个芯片并把它制造出来,而他们的模式则是将知产专利授权给半导体或系统公司,所以他们不将半导体公司视为竞争对手,而是合作伙伴。”

正是ARM的这种授权模式,极大地降低了自身的研发成本和研发风险,并获得了获得了几乎整个移动芯片市场,让向来强势的英特尔,久久无法攻破ARM的防线,当然这些也是后话了,让我们继续回到ARM的发展故事当中。

“黄金机遇”:开启移动时代

1993年,ARM连接与德州仪器、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。

此后不久,ARM就迎来了自己的黄金机遇——移动电话时代来临了,并拿下了诺基亚这个大客户。回顾ARM的发展,进入移动领域可以说是整个ARM发展中最为重要的一环。·

20世纪90年年代,正值移动设备革命期间,小型移动设备已成现实。在这场革命中,ARM占尽天时地利。

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。

随后,高通、飞思卡尔(2015年被恩智浦收购)、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。

业务飞速发展的ARM控股公司,于1998年4月17日,同时在伦敦证交所和纳斯达克上市。这家英国小型半导体公司,上市之后,几个月间就一跃成为价值十亿美金的公司。

进入21世纪之后,由于iOS和安卓两大阵营横空出世,手机的发展进入快车道,导致芯片行业的出货量呈现爆炸式增长,ARM处理器占领了全球手机市场。数据显示,全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。

关于ARM的故事还不止步于此,到了21世纪,ARM不仅推出了ARM Cortex系列处理器,还面临着两次重大并购。不管是软银的收购还是软银将ARM“易主”英伟达,都受到了ARM创始人Hermann Hauser的炮轰:ARM出售给日本科技巨头软银是“英国科技界悲伤的一天”、英伟达收购ARM收购“将是一场灾难”……ARM的收购为何激起业界如此大的水花?为何市值千亿美元的国际巨头争买20多亿美元营收小公司?欢迎继续关注我们下集的文章。

(校对/holly)

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