Arm芯片三十五年

“Hello world，I am Arm”，1985年4月26日，Arm第一颗芯片正式问世！自此Arm真的给了世界一个大大的问候，此后的35年里，Arm的芯片如同“蒲公英的种子”跨过了大洋彼岸，将花开在了世界各处。长达数几十年Arm一直处于手机处理器的领主地位，但随着物联网时代的来临，“同门师兄”RISC-V渐渐地危及到了其地位，在滚滚的历史长河中，Arm又将如何自处？且听笔者细细道来。

源起英国公司Acorn

说到Arm的发展，离不开两大重要人物：一个是Sophie Wilson，一个是Steve Furber。

1970年代，一位名叫Wilson的剑桥数学专业害羞的年轻学生成为Arm起源的种子。1978年，Wilson还是个沉默寡言、留着长发的数学和计算机专业本科生。她发明的第一款电子设备是为Harrogate一家公司制造的喂牛器，它以MOS 6502为基础。

今天的Sophie·Wilson（来源：博通）

后来Wilson开始设计个人电脑，并认识了Hermann Hauser。1979年3月，Hauser创建了Acorn Computers公司，Wilson设计了Acorn公司第一款产品Acorn's System One.它与当时的喂牛器一样也是基于6502，具有512字节的RAM。并在Wilson毕业以后，Hauser任命她为首席设计师，工资少的可怜，但Hauser为其画了个大饼：“你看这是多好的一个展现自我的机会”！Wilson抓住了这个机会，使人人都能买得起电脑成为了现实。

Acorn's System One（来源：Chris's Acorns）

Wilson的故事暂时告一段落，让我们来看另一个传奇人物——Steve Furber。要说Furber就要先提Sinclair无线电公司，1961年7月25日，Clive Sinclair创立了Sinclair 无线电公司，主要业务是开发和销售计算器等电子设备。

现在的Steve Furber（来源：工程技术研究所）

1977年，Apple II和其他机型一起出现在美国，但在当时这些机型在英国都不是普通人能“买得起”的。巧合的是，Clive Sinclair在1978年带着他的MK14加入这个赛道，注意，Sinclair的MK14可不是你吃鸡游戏中的MK14。

当时这个MK14设计非常仓促，价格也非常实惠，仅为39.95英镑，主要针对低端市场。那时Sinclair对计算机还没有特别的热情，他只是雇佣了一位名叫Steve Furber的毕业生，用这家处理器制造商的概念验证原理图组装了一台机器。当时的Furber正在攻读空气动力学博士学位，但他熟练使用烙铁，并对微处理器产生了浓厚的兴趣。

参考板：Sinclair的1978 MK14

MK14研发出来以后，据wiki百科资料显示，当时Sinclair公司的另一个工程师Chris Curry建议进一步开发该套件，但无法说服Sinclair，Curry遂离职并与Hauser于1978年12月创立了Cambridge Processor Unit（CPU）公司。

但MK14出人意料的超越了在技术上更先进、价格更贵的竞争对手Acorn System One。而且他的成功足以使Sinclair改变主意，来专心于生产一种新的微型计算机。于是就有了1980年的ZX80，次年又生产了ZX81。Hauser 也感受到了竞争压力，并让他的团队致力于开发Acorn系统的后续产品——Acorn Atom，是的，没错，与现在英特尔的CPU名字相同。

Acorn Atom（来源：Archivus）

到1981年中，Sinclair的ZX81和Acorn Atom纷纷进入了市场，当时Acorn还在开发一款名为“Proton”的Atom后续产品。但Acorn和Sinclair并不是唯一的竞争对手，因为市面上逐渐有20~30种不同型号的微型计算机，而且它们都是不兼容的。

然而这种不兼容性对计算机程序来说是个大问题。此时英国广播公司(BBC)决定要有自己的标准机器，并起名叫做BBC Micro。为此，BBC广发“英雄帖”，Acorn的联合创始人Chris Curry抢先一步，并向BBC夸下海口，Acorn将能够做出一种完全符合要求的机器。“艺高人胆大”，说的就是Chris Curry，因为当时Proton不过是一个电路图。

此时Furber也加入了Atom团队。Wilson和Furber两人在接下来的一周左右的时间内就将微型计算机的原型机组装在一起，这款基于老化的MOS 6502处理器的BBC Micro造出来了，合同也敲定了。这个BBC Micro在1984年得到了女王技术奖。

Acorn Proton，也就是BBC Micro

Wilson和部长肯尼斯·贝克（Kenneth Baker）在1981年BBC Micro发行会上

与大名鼎鼎的英国广播公司BBC的合作，使得Acorn一时间名声大噪，但此时的Wilson和Furber还是Acorn公司的无名英雄，他们还面临下一个挑战：为Micro选择合适的CPU。

第一款Arm芯片问世

到1983年，意识到8-bit 6502处理器使用寿命已到，Wilson和Furber开始试验可用的16-bit处理器来驱动他们的下一代计算机。并决定开发当时不被看好的RISC结构的处理器，于是Wilson和Furber开始拜访处理器制造商。

1980年代中期的Wilson和Furber

对6502的喜爱也让他们二人在1983年10月来到了亚利桑那州菲尼克斯市的西部设计中心，此时设计师Bill Mensch正在那里设计一种支持24bit寻址的芯片，参与设计的仅为几个高级工程师和一群大学生。Mensch认为Wilson和Furber之所以拒绝了6502的新版本，是因为他们想要一个32-bit 的完整处理器来与16-bit Apple IIg计划竞争。

Western Design Center的Bill Mensch当时和现在

资料来源：Commodore.ca和WDC

一群大学生都能设计处理器，有什么难的？回来后的Wilson和Furber开始埋头苦干，二人分别负责指令集开发和芯片设计工作，VLSI公司来提供BOM和样片支持。大约18个月后，他们为Acorn台式机产品设计了第一款芯片，他们取名为Acorn RISC Machine，也就是后来大名鼎鼎的Arm，第一批Arm使用25,000个晶体管。

1985年4月26日（英国时间）下午1点，第一批Arm微处理器从制造商VLSI Technology回来了。它们被直接投入到开发系统中，并经过一两次调整后启动。并且在下午3点，屏幕显示：“ Hello World，我是Arm”。全球第一款商业 RISC 处理器——第一个Arm原型（Arm1）在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生。

最开始的3µm Arm芯片

1984年初，Sinclair公司试图通过推出QL系列来进军高端市场，而Acorn公司则试图通过精简版的BBC Micro(称为“Electron”)来入侵Sinclair公司利润丰厚的低端市场。英国的经销商认为，Electron将会像BBC Micro一样大获成功。但结果大相径庭，他们订购了数十万件，全都压仓了。

Acorn也陷入现金流问题。1985年2月，意大利计算机制造商Olivetti首次为Acorn注入现金，到年底时，Olivetti便收购了Acorn。为什么像Acorn这样一个伟大的英国成功故事最终会失败？要知道，Acorn甚至被称为“英国苹果”，并可与飞兆半导体作比较。Herman Hauser曾说：“Acorn对英国的影响是巨大的，剑桥地区有100多家公司，它们的起源可以追溯到Acorn，都是由Acorn的校友创立的。”

1987年，Arm DS之后出现了第一台完整的基于Arm的计算机Acorn-Archimedes，价格不到900英镑。随后出现的各种Archimedes机器是当时功能最强大的家用电脑之一，到1992年Archimedes的最后一台电脑问世时，处理器已经进化出了一个至关重要的新功能。正是这一点，让芯片为其作为移动领域霸主的成功地位做好了准备。

Arm独立出来

Acorn虽然最后倒下了，但Arm处理器是成功的。远在大洋彼岸的苹果公司也嗅到了这个潜力。早在1986年，苹果公司开始使用Arm处理器，并制作了第一台平板电脑Newton的原型机。

MessagePad100（来源：Wikimedia）

1990年，Acorn拆分出Arm作为一家独立的处理器公司（Advanced RISC Machines Limited），公司的办公地点非常简陋，就是一个谷仓。而苹果公司向这家新成立的Arm公司投入了150万美元，与Acorn和处理器制造商超大规模集成电路公司(VLSI)共同持有43%的股份。后来乔布斯掌权苹果后，苹果对Arm的投资带来了丰厚的回报，苹果也将业务拓展到iPod、iPhone和iPad等便携式设备上。

公司成立后，业务一度很不景气，工程师们人心惶惶，担心将要失业。由于缺乏资金，Arm做出了一个意义非凡且深远的决定：自己不制造芯片，只将芯片的设计方案授权给其他公司，由它们来生产。正是这个模式，使得Arm芯片遍地开花，Arm也赚的钵满盆满。

从90年代开始，Arm陆续推出了多款处理器，总结来说，Arm 处理器产品分为经典Arm处理器系列和最新的Cortex处理器系列。但90年代那会Arm的业绩平平，处理器销量也一般。直到2000年之后，手机时代的来临，彻底造就了Arm的辉煌，尤其iPhone的出现，将Arm一度捧上制高点。Arm处理器出货量爆炸式增长，并迅速占领了全球手机市场。

2005年，在全球98%的手机中都使用了至少一个Arm处理器；在2010年，基于Arm的处理器，占智能手机的 95 ％，数字电视和机顶盒的 35％和移动计算机的 10％。在2011年，32位Arm体系结构是移动设备中使用最广泛的体系结构，也是嵌入式系统中最受欢迎的32位体系结构。2013年，Arm处理器生产了100亿个，在全球近60％的移动设备中发现了基于Arm的芯片。

可以说独立出来的Arm迎来了其此后数十年、二十年的高光时刻，在终端消费领域的地位可以说无人可撼动。如果有，那可能就是最近几年大热的、师出同门的RISC-V。

面临RISC-V的威胁？Arm在多个领域正迎来新机遇

来势汹汹的RISC-V着实让Arm打了个喷嚏，尤其是在物联网市场日益庞大的今天，RISC-V似乎比Arm架构更方便灵活，意识到业界对高昂的入门成本和开源技术的困扰，Arm也因此做了好几次的应对。

2017年6月20日，Arm宣布其Cortex-M0/M3处理器内核免收授权费用，版权费也降到很低。要知道Cortex-M0/M3非常受业界的青睐，Arm此举可谓是笼络客户，并达到一万亿的出货量。

2019年7月，Arm又宣布推出全新的灵活接入（Flexible Access）式IP授权方式——Arm Flexible Access。它允许芯片设计师在为最终的选择支付授权费之前，尝试不同的芯片设计。让人们更容易买得起Arm IP。日前他们有升级了这个计划。进一步降低了开发者的进入门槛。

2019年10月9日凌晨，在加利福尼亚州圣何塞举行的Arm TechCon 2019大会上，Arm宣布宣布推出Arm Custom Instructions（客制化指令），这是针对Armv8-M架构新增的功能。这可以说是Arm进军指令集定制化的一小步。也可以说是Arm在RISC-V的攻势下做得又一个应对。

但正所谓秋叶不是一天黄的，35年树大根深的Arm似乎又找到了新的赛道。

我们都知道，Arm芯片为世界上大多数智能手机和平板电脑提供动力，很大程度上是被排除在个人计算机和数据中心市场之外。但这个潮流可能会在2020年发生转变，因为随着移动设备和笔记本电脑之间的界限越来越模糊，数据中心运营商越来越多地寻求更高效，更便宜的服务器选项，现在数据中心中开始不断的采用高性能的Arm芯片。

Arm最近发布的Neoverse芯片面向高性能服务器应用

其实自2010年代初以来，一直有传言称将向基于Arm的服务器更广泛地转移。但近十年来，Arm所占领的市场都是微不足道的，但2020年将是情况开始改变的一年。Arm服务器芯片、苹果Mac芯片、谷歌定制芯片以及一些AI芯片的发展貌似又让Arm重回到了快车道。

对于大多数台式机，笔记本电脑或数据中心应用程序，英特尔的x86芯片长期以来一直是行业标准。但据彭博社报道，苹果将在2021年发布其首款采用Arm处理器的Mac 。据报道，该公司在卡拉马塔项目中正在开发三款Mac处理器，它们全部基于A14芯片，该芯片将用于今年的旗舰iPhone系列。

彭博社推测，苹果的首批基于Arm的机器将是功率较低的MacBook，因为其自己的芯片无法在高端MacBook Pro，iMac和Mac Pro计算机上与英特尔的性能匹敌。

尽管Arm芯片并未在服务器或数据中心中广泛使用，但许多第三方制造商一直在设计自己的基于Arm的芯片，专门针对该市场。这些服务器处理器并不是直接插入现有台式机硬件中的，但是考虑到Apple使用Intel Xeon处理器，日子应该不远了。

早在2018年，亚马逊宣布了其首款基于Arm的服务器芯片Graviton。尽管该服务器芯片似乎并未对市场产生持久影响，但亚马逊于2020年3月宣布了一款名为Graviton 2的新芯片。该公司表示，在许多服务器工作负载方面，该芯片提供了比AMD和Intel更好的性价比。

Arm服务器芯片领域的领军企业Marvell也发布了一款新的ThunderX3“Triton”芯片组，这是一款拥有96个核的240W硅芯片。根据Marvell公司的说法，在多个基于云的工作流程(如MySQL或CDN)上，ThunderX3始终提供比英特尔2019款Cascade Lake-SP芯片更好的性能。

2020年3月，Ampere首次推出了基于Arm的80核服务器处理器，称为Altra，该公司计划提供比Intel Xeon Platinum 8280高2.11倍的能效和高达2.23倍的原始性能。

当第三方Arm芯片问世时，设计Arm芯片指令的公司Arm Holdings也在进入市场。最有趣的是该公司的笔记本电脑芯片，该芯片长期落后于英特尔，但似乎正在追赶。

Arm首席架构师Mike Filippo此前曾告诉CNET，Cortex-A76 2019年首次在硬件中实现，是一款笔记本电脑芯片，它提供与Intel Core i5-7300大致相同的性能。虽然并不是十分惊人的性能，但这表明Arm正在不断赶上Intel，并希望在自己的市场上击败他们。

再加上Intel这几年的“挤牙膏”式的性能升级大家都有目共睹，但Arm似乎是一个“涉世未深的孩子”，对服务器领域充满了好奇和斗志，高性能的Arm芯片恰逢其时的进入。而且Arm的商业模式是开放的，任何厂商都可以购买授权。如今，Arm和其他芯片制造商正在投入大量资源来创建可与x86处理器竞争的芯片。不仅在低端消费者用例上，而且在台式机和服务器级，都更倾向于高性能计算。

Intel长时间在服务器的垄断地位，也让数据中心运营商们想换换口味了。Arm芯片比Intel x86芯片具有更高的功率效率，并且功耗更低，产生的热量也相对较少，价格也比英特尔略微美丽。但Arm要像英特尔一样坚定地扎根于我们的日常Mac中，无疑会花费一些时间。但无疑着将成为一种可能性。

对于Arm来说，也许一个新的百花齐放时代将开启，但我们也必须看到，挑战依然在眼前。

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