一场少为人知的芯片战争
以下文章来源于半导体芯闻 ，作者邵逸琦
2015年7月14日19时49分，一艘飞行器掠过曾经隶属九大行星的冥王星，为它拍下了一组“证件照“，而后发出的信号穿越60亿公里的路程，最终抵达NASA总部，经由处理后公布在网上，数十亿普通人得以一见这颗神秘星球的真容。
这艘飞行器就是新地平线号，它的时速高达约5.8万千米/小时（约16千米每秒），也是迄今为止人类发射的速度最快的太空飞行器，从2006年地球发射到2015年飞越冥王星，花了整整9年多时间，在经历了孤独而又漫长旅行后，终于掀起了浩瀚宇宙的一角。
驱动新地平线号的，并不是什么顶尖的高算力芯片，而是一颗普普通通的MIPS R3000处理器，这颗处理器最早于80年代末搭载于工作站和服务器之上，而最出名的用途莫过于1994年发售的游戏主机PlayStation，卖出了1亿多台的它直到新地平线号发射那一年才正式宣布停产。
当新地平线号无限接近冥王星的那一刻，拥有同一颗芯片的PS1正在壁橱的某个角落里蒙上灰尘，而当时发售的PS4，已经有千倍万倍于R3000的性能，轻松驱动着以往数十台高性能计算机才能渲染出来的画面，诞生于上世纪的游戏主机见证了一场计算革命。
而在算力进化的背后，是延续到今天的几大处理器架构，还有半导体产业在日美两国的兴起衰落，游戏主机的背后，就是一场微缩的芯片战争。
MOS 6502传奇与日本崛起
1973年，35岁的Chuck Peddle加入摩托罗拉，负责研发和销售著名的6800处理器，当6800正式上市时，售价高达360美元，而Peddle认为这个价格已经超出了普通家庭的承受能力，此时的他萌发出简化6800架构设计，推出低至50美元廉价芯片的想法。
但他的尝试很快就被摩托罗拉高层叫停，因而6800上市后不久，Peddle就带着自己早期的芯片设计方案离开摩托罗拉，转投竞争对手MOS Technology（MOS），在这家公司，Peddle和同事成功完成了6800的简化版本6501微处理器，由于引脚相同，甚至可以在6800的电路板上直接换插，这也导致摩托罗拉和MOS诉诸公堂。
结果当然是MOS告负，不得不在6501的引脚配置上进行了调整，1975年下半年，6502微处理器正式发售，售价25美元，只有摩托罗拉6800和英特尔8080的六分之一。
便宜的价格引起了质疑，美国的《电子工程时报》刊载了一篇对Peddle的采访报道，题目为《我们是否需要一块20美元的微处理芯片？》，报道的开头是一连串疑问句：MOS售价25美元的CPU芯片是不是烧钱换市场？若是，低利润会不会限制他们提供软件和服务？
但这些质疑最终被消费市场所打破了，当厂商看到一款售价25美元且性能不逊于摩托罗拉和英特尔的处理器时，他们很快就敞开腰包向MOS下订单，Apple I、Apple II、Commodore PET、Acorn Atom、BBC Micro……个人电脑在MOS 6502的基础上，如雨后春笋般进入市场，在70年代末掀起了一场普及电脑的风暴。
而MOS 6502早期知名的应用中，包括了1977年雅达利发售的游戏主机Atari VCS/2600，当时个人电脑通常能卖到1000多美元，因而几十美元的处理器不会构成什么阻碍，但对于一台计划售价199美元的游戏主机来说，即使是25美元的6502处理器，也过于昂贵了。
雅达利希望Peddle能为自己的游戏机供应两块芯片，即6502和I/O芯片（负责信号的输入输出），采购价为12美元，最终MOS签下了这个单子，原因很简单，经过计算，大批量生产芯片的物料生产成本只要4美元，虽然单颗芯片赚的比之前要少，但是规模效应反而会带来更高的利润。
最终搭载在Atari 2600的CPU是6502的小改款6507，与6502相比，它把40引脚封装改为了28引脚封装，缩减了一笔相当可观的成本，不过这也限制了主机游戏画面的表现力，8位CPU通常可以一次访问64K内存，但引脚变化后的MOS 6507一次只能访问8K内存，实际上只能做4位CPU能做的事情。
芯片性能和价格的取舍难题在个人电脑还没完全普及前，就摆在了厂商面前，压低成本实现规模效应，还是维持高价攫取利润？
不论别人怎么选，雅达利和MOS已经实现了双赢，截至1982年，Atari 2600一共卖出了1000万台，这一年苹果的Apple II销量不过27.9万台，IBM个人电脑也才售出了24万台，可以说，没有砍了几刀的MOS 6502，就不会有千万级别的主机市场。
坏消息是寒冬很快来临，由于第三方开始自行生产Atari主机游戏，且质量极差，甚至于雅达利自己也加入到了这一队伍当中，最终在1983年引发了一场雅达利大崩溃，商店里的主机和游戏无人问津，大量游戏公司倒闭，雅达利本身也未能幸免。
颇有些微妙的是，此时世界半导体的这座天平已经悄然倾斜，表面上英特尔、摩托罗拉和德州仪器等企业凭借先发优势而风光无限，但日本在70年代末以举国体制发展DRAM，成立了VLSI联合研发体，在80年代初期迅速抢占世界半导体市场。
美国半导体行业日本企业的巨大冲击，保大还是保小让摩尔定律的提出者都挠秃了头发， 事实上，一个国家半导体产业的繁荣，往往会带动消费电子发展，而消费电子又会反哺芯片产业，由此形成良性循环，而反过来就变成了恶性循环，当雅达利大崩溃发生之际，所有供应Atari VCS芯片的企业都迎来了一场漫长的寒冬。
与之相反的是，日本半导体成为了朝阳产业，NEC、东芝、日立、富士通、三菱这五巨头自然不用多说，夏普、索尼、松下这样的企业也凭借芯片垂直整合的优势迅速崛起。
当时任天堂的社长山内溥在看到雅达利的畅销后，打算让开发部设计一台家用游戏主机，性能要强力到短期内任何对手都无法追上，成本还要尽可能地压缩，最好限制在10000日元以内。
要知道80年代初的1美元约等于250日元，这也就说，要设计出一台售价40美元且能玩游戏的主机。这是什么概念呢？1982年Atari 2600的生产成本都在40美元左右，还是后续年销量达上百万的情况下，前期的生产成本只会更高。
任天堂凭什么这么自信？凭的就是如日中天的日本半导体，彼时任天堂已经在1980年和夏普联手，利用它生产过剩的计算器的芯片和液晶屏，打造出了Game&Watch，既能当电子表，又能玩简单的游戏，售价5800日元，最终一炮而红。
正式基于这样的思路，开发部开始寻找能够为主机提供芯片的日本企业，但由于成本抠得太死，在五大巨头那里都吃了闭门羹，就算卖到百万级别，对于大企业来说还是蚊子腿上的肉，利润太少甚至于不值一提，有这个精力还不如多供货几台大型机。
最终接下这个订单的，是名不见经传的理光，来为任天堂的主机提供芯片，理光向任天堂推荐了MOS 6502，即定制的理光2A03，其表示，6502的芯片面积是当时火热的Z80的1/4，剩下的3/4可以放置其他电路，如此一来芯片价格就来到了可接受的范围内。
值得一提的是，此时MOS已经被Commodore所收购，由于专利费用的问题，任天堂和理光走了一条“歪路”，没有申请授权，而是直接发挥工匠精神，把专利所在的十进制校正部分电路删去，保留了6502的其他部分，把成本压制到了最低。
而任天堂也是抱着一把子梭哈的态度，直接同理光签订了300万枚芯片的合同，至于原计划的10000日元鉴于成本实在做不到，最终售价定在了15000日元。
任天堂的Family Computer（FC）于1983年正式在日本上市，刚上市时候的低迷并不能阻碍它本本来的光辉，随着源源不断的优质游戏推出，这款搭载MOS 6502的主机掀起了一场更胜于Atari 2600的家用机革命，从美国纽约到日本东京，几乎每个中产阶级家庭都在考虑购买FC，一块1975年的芯片，在10年后以一种意想不到的方式席卷全球。
Z80与68000的登场
前面已经提到了两款MOS 6502同时代的处理器，一款是Zilog推出的Z80，另一款是摩托罗拉推出的6800，后续摩托罗拉推出了对应的迭代68000。
它们在当时的流行程度并不逊色多少，但在游戏主机领域却没有MOS 6502来得成功，其中不仅仅是芯片价格的问题，还有主机厂商间的明争暗斗。
先来说Z80，1974 年，英特尔 8080 处理器的一位开发者Federico Faggin 离职后自立门户创办了Zilog ，而他和11 位员工一起开发的第一款产品就是8位处理器Z80 ，不仅可以兼容英特尔8080 代码，也可以执行为8080 编写的CP/M 系统，继承了前者开发完备的生态。
在游戏相关领域中，Z80也得以大放光彩，南梦宫推出的街机吃豆人 (Pac-Man) ，基板正是搭载了Zilog Z80，作为一款8位处理器，Z80的寿命也是罕见的厂，即使后期的街机系统例如Capcom CPS1 、CPS2 与SNK 的Neo Geo，都还在用Z80 作辅助／音效处理器，这也是当初任天堂一度考虑用Z80作为FC处理器的主要原因，相同的处理器能够方便移植街机游戏，吸引街机玩家购买。
80年代初，Z80正式进入家用机市场，打着「将街机游戏带到家庭」名号的ColecoVision （搭载3.58MHz的Zilog Z80A)一度是继雅达利之后市场上最受欢迎的主机，而世嘉在1983年推出的SG-1000，也搭载了Z80A的同款——NEC780C（由NEC自家制作的Zilog Z80A），但它们在市场上的表现却远不如同时期的FC，原因有很多，最重要的还是任天堂利用权利金制度，拉拢了一大批日本游戏厂商来为FC开发游戏，利用自身街机开发经验与第三方优质游戏打响了名号，而其他两家仿佛还停留在雅达利时代，直到两三年后才勉强跟上步伐。
再来说说摩托罗拉的68000处理器，摩托罗拉在1976年开始进行MACSS（Motorola Advanced Computer System on Silicon）计划，1979年，摩托罗拉68000开发成功，它使用3.5微米HMOS技术（即高性能N通道金属氧化物半导体，CMOS的前身）制造，集成了68000个晶体管，最大支持16MB内存，虽然68000还是16位处理器，但却使用了32位内部总线，因而可以直接使用32位指令软件，对比同时期16位处理器有不小的性能优势。
但是68000的成本高昂，在近十年后才正式进入游戏市场，第一款搭载68000处理器的家用机，依旧是世嘉，它推出的Mega Drive搭载了摩托罗拉 68000 ( 7.67MHz)，成为第一款真正意义上的16位主机，上一代的Z80也没浪费，变为了Mega Drive的音频处理芯片，这个配置放在当时来看已经到了空前强大的地步。
不过，任天堂后发的SFC主机在性能上也并未陷入劣势，此时MOS 6502已经发展出了多个变种，而SFC就选择了依旧由理光开发的5A22，其源自 WDC公司开发的65C816，是一块基于6502的16位处理器，主频为3.58MHz，相较于Mega Drive，SFC还支持了更高的发色数。
可以看到，80年代的游戏主机，实质上为70年代末涌现出的各家处理器提供了一个舞台，一枝独放不是春，百花齐放春满园，其中的佼佼者延续至今，被奉为经典。
而更值得大家注意的是，80年代里畅销的FC、SFC、MD等主机，并未直接采用美国企业生产的处理器，而是选择通过日本半导体企业进行定制，且在图形和音频处理部分中，日本本土企业生产的比重也相当之高。
数千万台的游戏主机为日本半导体带来了源源不断的利润，成为了日本消费电子与半导体攻城略地，击败美国半导体的一个缩影。
流星般划过的PowerPC和MIPS
爽口物多终作疾，快心事过必为殃。当日本企业因为游戏主机而赚得盆满钵满之时，忽视了自身的局限和实力后，隐患就一个接一个地爆发了出来。
说说世嘉吧，MD在北美市场取得意料之外的成功，大卖4000余万台，东方不亮西方亮，这也让它坚定了搞家用机的心，而且由于68000用于多款街机基板，更方便于移植世嘉街机上的丰富阵容，最终让世嘉下了一个决定——继续用街机芯片。
具体配置上，SEGA SATURN使用了两枚和CAPCOM的CPS3基板相同的日立SH2处理器，主频为28MHz，通过分散、并行处理使土星拥有很强的数据处理能力，同时还使用了两枚VDP芯片(VIDEO PROCESSOR)来处理画面显示。VDP1芯片负责2D活动块处理，可扩大缩小、变形回转，还可以使用软件形式计算四角多边形，VDP2芯片负责处理背景，有4层可放大缩小的普通卷轴，2层自由旋转的回转卷轴，同画面最大显示5层卷轴。
双CPU加双图像处理器，这种配置组合拿到今天来看也是非常炸裂的，开发人员看了就头大，移植和研发都难如登天，强调2D性能的它，很快就在索尼PS1的3D游戏强烈攻势中败下阵来，此时日本的半导体企业已经走向衰落，无奈的世嘉开始寻求美国企业的帮助，甚至一度打算找英伟达来定制图形和音频处理部分。
世嘉最终把下一代主机被定为Dreamcast，它的硬件配置比上一代合理了不少：CPU是NEC生产的日立SH4芯片，主频200MHz 128位总线（运行32位代码）；图形芯片是Power VR2， 由NEC与英国Video logic公司联合开发，每秒可计算300万个以上的多边形。可惜的是，DC依旧遭遇了一场惨败，在PS2强大游戏阵容的攻势下，世嘉最终黯然退出主机舞台。
于1994年崛起的索尼Playstation走上了一条与世嘉截然不同的道路，它最终选择了MIPS作为CPU的架构，搭载了一颗MIPS-R3000A处理器，即前文中所提到的新地平线号搭载的处理器，与大部分主机相比，加入了3D图形芯片的它拥有了更加强悍的3D性能。
这也是MIPS第一次登上游戏主机的舞台，后续多款日本厂商的主机都搭载了MIPS处理器的定制款，包括N64的R4300，PS2的R5900等，藉由游戏主机成为了当时几大主流架构之一。
MIPS能够崛起，主要原因是美国计算机厂商的鼎力支持，但在风云变幻的90年代后期，SGI决定放弃MIPS架构，转向IA-64架构的开发，并彻底剥离了MIPS业务，而和MIPS有密切合作的日本厂商也是猝不及防，合作刚有了点起色，本来还想靠MIPS架构抗衡Wintel，结果说放弃就放弃，让MIPS架构的主机彻底没了下文。
由于日本半导体此时只剩下一群老弱病残，日本主机厂商们开始直接求助美国厂商，寄希望于他们能够给予技术支持，风头正盛的英特尔是没指望，坐拥全球PC市场的它看不上主机这三瓜两枣，但陷入困境的IBM却抛来了橄榄枝。
1998年，IBM推出了世界上第一块铜导线处理器PowerPC750，由于使用了铜导线技术，处理性能提高了近1/3，此时的任天堂恰好找上了门来，于是在PowerPC750的基础上，IBM为任天堂的新一代主机NGC定制了Gekko处理器，该处理器使用铜导线和0.18微米制程工艺制造，运行频率为485MHz，性能比起沿用MIPS架构的PS2主机强了不少。
而美国市场中的巨无霸——微软也在此时正式登上舞台，和日本厂商相比，微软进入市场就简单粗暴了不少，别人限于成本和功耗不敢用的x86处理器，微软大手一挥就采购了几百万块奔腾3，把它作为初代Xbox的处理器，其性能在NGC的基础上更进一步，成为了当时市面上画面表现最好的游戏主机。
索尼在PS2之后，也跟随任天堂的脚步，与IBM展开了合作，开始研发Cell处理器，在索尼和IBM的预想中，是打造出如英特尔x86一般的通用架构处理器，不仅能用在下一代主机上，还能在数码家电和服务器中发光发热，只可惜这块耗费了数十亿美元的处理器最后被证明是一个半残废，自信的索尼重蹈了世嘉的覆辙。
从MIPS到PowerPC，日系厂商逐步丧失处理器之上的话语权，亦步亦趋地跟随美国半导体企业的部分，更让部分日本人扼腕叹息的是，MIPS架构的处理器还有不少是由日本半导体厂商所定制生产的，但到了PowerPC之后，芯片代工生产彻底与日本无缘，想要高性能芯片？那就先交一笔远比之前昂贵的费用吧。
崛起，然后无奈坠落，在日本半导体产业衰落之后，曾经被引以为傲的日本游戏主机，只能基于美国设计主导的芯片来做加减法，其竞争力局限于软件而非硬件，再也不复上世纪80年代的风采。
尾声
如今索尼的PS5，微软的Xbox Series X/S，均搭载了一颗来自AMD的x86处理器，其集CPU和GPU的功能于一身，而任天堂的Switch，则是选择英伟达生产的Tegra X1处理器，CPU来自Arm，GPU为英伟达自研。
你很难从这三款主机的其他芯片或组件中找到日本厂商的身影，甚至于Switch初版所采用的JDI屏幕，后面也悄悄换成了群创的LCD和三星的OLED，抛开微软不谈，索尼和任天堂的角色在近四十年的角色里悄然变化，从定义硬件变成了定义软件。
当然，不止游戏主机，日本市场中的电子产品在进入千禧年之后，大量芯片和组件不再由日本企业操刀，悄然换成了其他国家设计代工的产品，日本半导体在芯片战争中败下阵来，代价不光是产值和失业，还连累到了消费电子市场。
当日本半导体行业叫嚣着研发2nm技术的时候，要怎么样才能说服市场和厂商，说服他们再度推出搭载日本芯片的产品呢？
参考来源
The CPU from the original PlayStation is guiding a probe to Pluto——The Verge
“个人计算机先驱”查克‧派朵离世，他打造的CPU如何改变了个人电脑和游戏业？——界面新闻
Nintendo Entertainment System——维基百科
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