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一家年营收不足20亿美元的公司，是如何卡苹果、三星、 华为、高通脖子的？丨芯征程
The following article is from 36氪Pro Author 杨逍 Lina
文 | 杨逍
编辑 | Lina
封面来源 | ARM中国官网从2020年至今，ARM一直处于风口浪尖，先是传出ARM和ARM中国的换帅风波；后有英伟达官宣计划收购ARM，引起全行业抵抗、不满。进入2021年，将整个IT世界搅得不安的ARM，倒是仍不紧不慢、极其有节奏地接连官宣产品。就在前几天的5月25日，ARM还发布3款CPU和3款GPU核心设计，为ARM笔记本、高端手机处理器、智能手表等产品提供新解决方案。ARM是一家“小公司”，至今年营收不超过20亿美元。可ARM又是一家“大公司”，从苹果到三星，从华为到高通，全球超过90%以上的手机芯片里都有着它的技术，几乎卡住了全世界的“脖子”。随着公司业务的扩展，如今，ARM的影响力已经先后进入了手机、电脑、数据中心、物联网、自动驾驶等不同领域，含有ARM技术的芯片累计出货超过1900亿颗，连起来可以绕地球25圈。本文将回望ARM发展历程，看一看这家以赌博机计算机系统起家的公司，是如何发展为藏身于产品最底层的隐形王者的，又为何会以一再被迫“卖身”，陷入了长久的动荡之中。Hello World，I am Arm
1979年，刚刚从英国剑桥大学博士毕业的赫尔曼·豪泽和克里斯·克里在英国成立了Acorn电脑公司，也就是ARM的前身。而Acorn成立三年前，比尔·盖茨成立了微软，史蒂夫·乔布斯成立了苹果。这批未来将在IT产业消费级市场叱咤风云的公司开始登场历史舞台。1982年，BBC播出纪录片《强大的微处理》后，产生了巨大的轰动效应。这个纪录片向英国观众介绍了电脑时代即将来临，为了鼓励民众学习计算机，BBC想为电脑爱好者推出一款价位适中的英国产设备。剑桥的Acorn拿下了这个订单。Acorn将这款为微型电脑命名为BBC Micro。令人意想不到的是，BBC Micro大卖，成为当时最受欢迎的电脑设备之一，销量从预计的1.2万台一路疯涨到150万台，BBC Micro还于1984年获得了英国科学技术桂冠——女王技术奖。（BBC Micro）
Acorn一炮而红，在微型机市场上露了脸。依靠BBC Micro的销售，Acorn的利润从1979年的3000英镑飙升到1983年6月的860万英镑。当时的微型机（个人电脑）跟现在的电脑不可同日而语。万维网还没有出现，它既不能用来实时与人沟通，也无法检索信息。然而，它却是人类生产力的一大飞跃。当时，它已经可以进行简单的文字处理、表格计算工作，还有了早期的编曲软件、图像处理软件等。Acorn公司所打造的BBC Micro主要面向国内的学校类客户、电脑爱好者，市场空间不大。相比之下，商用市场有着更为巨大市场体量与想象空间。当时，IBM推出的第二代微型机在商业市场混得如鱼得水，Acorn见状蠢蠢欲动，打起了这块大蛋糕的主意。Acorn的商业电脑设计方案需要使用第二块处理器与BBC Micro平台协同工作，但Acorn认为，BBC Micro上采用的摩斯太克公司6502处理器无法承担这个重任，但他们也一直没有找到能接替的芯片。Acorn倒是看上了英特尔的286芯片，可英特尔拒绝合作。无奈之下，Acorn走上了自研处理器的道路。可正是这一看似不起眼的决策，拉开了Acorn芯片未来称霸全球的序幕。由于资源不足，为避开和英特尔、IBM等巨头竞争，Acorn选择了RISC技术路线（精简指令集），与英特尔主导的x86架构相比，它不仅开发难度低，而且低成本、低性能、低功耗。1983年10月，ARM正式启动芯片研发。经过18个月的研发测试，Acorn在芯片代工厂VLSI公司生产出第一块使用RISC指令集的ARM芯片，这个“ARM”不是ARM公司，而是Acorn RISC Machine的首字母缩写。1985年4月26日下午3点，第一批ARM芯片投入到开发系统，屏幕上出现了“Hello World，I am Arm”字样，全球第一款商业RISC处理器ARM1成功运行了。最初，这款ARM1芯片主要用途是作为BBC Micro的协处理器运行芯片开发所需的仿真软件，也被用于支持芯片（VIDC, IOC, MEMC）的开发，和加速ARM2开发时所用到的CAD软件。芯片的成功让Acron研发团队鼓足了信心，继续朝着商业化的路径努力。然而，谁也没想到，在处理器芯片研发成功前一年，家用电脑市场突然崩溃，家用电子游戏机和家用电脑公司Atari（雅达利）被出售，苹果电脑濒临破产，Acorn的日子也很不好过。在此之前，由于供应商产能工艺不足，Acorn一直都被产能问题困扰，如1983年Acorn拿下30万份订单，供应商却只供给了3万台机器。好不容易到1994年供应商产能上来了，家用电脑市场崩溃，销量骤减，Acorn一下子堆积了25万台机器。同期，Acorn还投入大量资金进行处理器研发工作，Acorn出现严重的现金流问题。1985年，Acorn不得不以1200万英镑低价将一半的股权转让给意大利的Olivetti电脑公司，用以偿还债务。归于 Olivetti旗下后，Acorn宣布停止美国市场的销售，并将剩余的美版BBC微电脑都卖了墨西哥的一家公司。到1990年，苹果要给代号为Newton的项目寻找低功耗处理器。这款产品的设定是全球第一款平板电脑，对产品耗电量、成本、全静态操作等性能要求较高，Acorn的ARM处理器是市面上仅有的能满足苹果要求的芯片。独占手机市场鳌头
真正让ARM在市场上站稳脚跟的，是移动智能设备的发展。英特尔凭借高性能的x86处理器在PC市场独占鳌头，ARM的产品难以望其项背。但在移动设备市场，这个优势反而成了劣势。移动设备看重功耗和续航能力，英特尔x86架构高功耗优势成了快速掉电劣势。ARM架构低功耗、高续航的好处显现了出来。ARM在手机领域的发展大致可分为两个阶段。第一阶段，1993年-2006年，在IP授权商业模式之下，ARM的RISC处理器逐渐被大量芯片厂商、手机公司采用。1993年，ARM推出了全新的ARM7处理器核心。ARM过往产品的坏运气仿佛都是在为这款产品蓄力。基于ARM7的ARM7-TDMI成为明星作品，这款产品基于32位微处理器，搭载了Thumb指令集，将代码密度提升了35%，内存占用仅和16位处理器相当。同年，意识到不能仅依靠个别产品发展后，ARM提出IP授权的商业模式：ARM只向客户提供处理器授权，不直接提供芯片产品；芯片生产厂商可通过支付前期许可费和后期生产芯片的专利使用费，获得ARM处理器的授权。ARM所提供的业务简单来说，就是对外销售芯片设计图纸。苹果、三星、高通、华为、联发科这些芯片公司将ARM的图纸买回来，再添加上自己的修改设计，从而打造出自己的芯片。其IP授权有三种，架构授权、POP（processor optimization pack，处理器优化包）、处理器使用授权。架构授权授权指合作厂商可以根据ARM架构，自行设计处理器； POP指ARM会为合作厂商提供优化后的处理器，方便客户在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器； 处理器使用授权则是指厂商不能更改原有设计，只能调整产品频率、功耗等，自由度较低。
寻找第二增长曲线
ARM靠收取授权费为生，虽然它在手机领域市场占比较高，但全球手机市场几乎陷入增长停滞状态，ARM必须找到新的增长点。ARM最早盯上的是PC市场。2010年，英特尔入侵手机领域时，原本觉得可以和平相处的ARM觉得有被冒犯到，开始反向进军PC市场。ARM公司前总裁Tudor Brown表示：“英特尔公司想通吃电脑和手机两块市场，我们要说NO！为什么它进入我的地盘，我就不能直接跑到PC市场上去呢？”英特尔在芯片研发、设计、制造上一条龙的强势地位，给各环节公司造成压力。当ARM CEO Warren East放话“希望能在未来的12个月内，在服务器市场看到一些我们的东西”后，传统、封闭的PC生态圈被拉开了一个口子，ARM吸引了IBM、戴尔等计算机厂商的目光。踏出和ARM合作第一步的是微软。看到采用ARM架构的苹果iPad大火后，微软对平板电脑这个产品种类觊觎不已。2011年，微软在CES展会上推出了Windows RT操作系统，一款基于32位Arm架构的PC操作系统，代号Windows on Arm（WoA）。次年6月，微软在洛杉哥发布了一款名为Surface RT的产品，它融合了笔记本电脑和平板的形态；搭载了NVIDIA 推出的基于ARM架构的 Tegra 3 T30 四核处理器；在操作系统搭载了Windows RT 操作系统。（M1芯片）
搭载了M1芯片的Macbook，续航能力可达无线上网15小时。根据苹果公布的测试数据，基于ARM架构的M1的性能，已超越英特尔的高阶i9处理器。和微软不同，在尝试ARM这件事上，微软的态度是不断尝试、不放弃、两边游离；苹果的态度则是研究多年、要一击必中。从2010年发布的第一款iPad开始，苹果就开始在iPad和iPhone 4上使用自研芯片A4处理器。也是从这时开始，苹果开始了对ARM架构的自主设计、研发。这意味着，到令业内人士震惊的M1芯片出来，苹果用了整整10年时间研究和研发ARM架构。苹果M1电脑发布前不久，ARM还推出了它决心征战PC市场的产品Cortex-X1核心，这款产品牺牲了芯片面积与功耗，更多专攻性能的核心，一改以往ARM核心IP均衡PPA的设计哲学。同年12月，微软再次在推进ARM的路上跑起来，推出能兼容64位x86应用的基于ARM架构的Windows 10操作系统。Surface Pro X等使用ARM架构处理器的设备，将正式支持包括ARM32、ARM64、x86和x64在内的完整代码体系。英特尔之所以在PC市场风头无两，是因为软件层面的操作系统和上层应用软件都是基于x86架构研发的，在ARM架构上运行会出现适应不佳的情况。而ARM 的Cortex-X1核心和微软在操作系统上的动作意味着，从2012年就开始的基于ARM架构的Windows设备在软件兼容性、实用性上的不足，可以补足了。ARM耕耘多年的PC市场，终于可以看到曙光。在PC市场之外，数据中心也是ARM觊觎已久的领域。从2011年开始，ARM公司就尝试进入服务器市场，Cavium、高通、AMD、华芯通半导体等国内外公司都曾和ARM合作进军服务器市场，都以失败告终。Cavium的ARMv8服务器芯片ThunderX（2014年面世）有低负载却高功耗的问题；高通Centriq 2400服务器（2017年面世）出货仅半年，服务器芯片负责人就离职，高通退出服务器市场；AMD的Opteron A1100服务器（2014年面世）反响平平；华芯通半导体推出可商用服务器芯片昇龙4800（2018年面世），但高通退出服务器市场后，这家高通投资的公司就关门了。接连的打击并没有让ARM放弃该市场，2018年，ARM首次推出面向这些数据中心的专门IP——面向云到边缘基础设施产品Neoverse，开始了面向数据中心处理器市场第二次进军。此后，不少面向基础设施市场的芯片设计企业基于Neoverse推出芯片产品，云计算厂商也开始推出基于ARM架构的自研芯片。亚马逊云AWS推出Graviton处理器（2018年推出），华为云推出“Hi1620”的ARM服务器计算芯片（2018年推出），也就是鲲鹏920的ARM服务器芯片。2020年年底，据彭博社援引内部人士消息，微软也正在筹备用于 Azure 云服务器上的ARM 芯片不过10多年来，英特尔几乎是全球服务器市场的唯一CPU供应商，其市场份额长期超过90%。AMD的EPYC（霄龙）服务器芯片让英特尔市场下降，但AMD采用的也是x86架构。AMR若想在服务器市场有所发展，仍需补足生态空缺。除移动设备、服务器以外，ARM也将物联网看作未来大有所为的发展空间。
物联网应用需要低成本、低功耗的芯片，Arm架构低功耗特性与物联网市场的需求非常契合。软银收购孙正义花320亿美元收购ARM，也正是看中其在物联网领域的发展空间。
ARM 2013年就有物联网事业部了，当年8月，ARM就收购了曾领导低成本、低功耗设备标准6LoWPAN制定芬兰物联网软件创业公司Sensinode，在物联网市场布局。
到2018年，Arm布局物联网的步伐开始加快，收购和产品发布同步推进：6月收购物联网连接管理技术公司Stream Technologies；8月收购数据分析公司Treasure Data，获得连接管理的能力和 汇总、解析大量第三方分散、孤立数据的能力。当年，ARM还接连发布了Pelion物联网平台和物联网操作系统Mbed Linux OS，形成了完整的芯片IP、操作系统、云平台服务的产品体系。
Arm公司2017年的一份PPT显示，基于Arm架构设计的物联网设备控制器达90%，占有率较高。
不过，ARM在物联网领域的发展也并不顺畅。物联网市场的发展速度并不像想象中的快，市场难以一下子做大。孙正义曾预计，到2025年，物联网市场的规模将达到11万亿美元，但IDC数据显示，2020年全球物联网市场规模也才1.36万亿美元。
此外，同指令集架构的RISC-V虎视眈眈，其开源特性和架构优势，让很多行业人士觉得，它可以在AIoT时代大有作为。RISC-V的领先厂商SiFive和IP厂商CEVA合作，开发面向智能家居、汽车、机器人、安保、增强现实、工业和物联等一系列边缘智能SoC。这正是ARM所物联网所聚焦的领域。
自动驾驶领域是ARM进入最晚的领域。2018年12月，ARM才正式宣布进入自动驾驶领域。到如今，高通、德州仪器、 恩智浦、瑞萨等基于 ARM 发布的多款芯片亦在车机芯片中大量落地。ARM预计，到2029年，能参与的市场空间将达到2320亿美元，而目前收入不到20亿美元的ARM，离天花板还有着无尽的空间。