Acorn和ARM所發現的移動時代

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假如你是一位年紀輕輕、野心勃勃，但必須從零開始的創業者，你有一次可以回到IT產業的任何一個時期白手起家的機會，你會選擇哪個時期？我想你一定會選擇那激動人心的七十年代。

如果説五十年代屬於半導體技術初生而電子管計算機如日中天的時代，六十年代屬於半導體產業初興和商業市場大型機興起的時代，那麼七十年代，就將迎來IT產業消費級市場的黎明。而此時所誕生的幾家公司，在今天依然執掌着IT世界版圖的牛耳。

1975年，保羅·艾倫和比爾·蓋茨開始了創業，並在第二年創辦了Micro-Soft，1978年正式改名為Microsoft，也就是今天的微軟。

1976年4月1日，史蒂夫·喬布斯和兒時夥伴史蒂夫·沃茲尼亞克，在加利福尼亞州的喬布斯父母家中的車庫內，共同創立了蘋果電腦公司。

1979年，剛剛從英國劍橋大學博士畢業的赫爾曼·豪澤與克里斯·克里一起成立了Acorn電腦公司。

微軟和蘋果在今天的地位不必多言，而這個產自英國的Acorn電腦，很多人卻並不熟悉。如果我們説Acorn電腦正是今天為幾十億的移動終端芯片提供系統架構的ARM公司的前身的話，大家可能會有恍然大悟的感覺。

我們知道，蘋果開啓了個人電腦的時代，但卻因為喬幫主的一意孤行，敗給了走Wintel聯盟路線的IBM、康柏、戴爾等企業，蘋果的Mac至今仍是PC時代的小眾代表。而Acorn電腦也沒能穿越它的輝煌年代而活在今天，但卻為世界留下ARM這家公司，成為支撐蘋果、安卓等智能移動終端的澎湃算力的基石。

2020年6月，蘋果在WWDC 2020上宣佈，要將帶有ARM指令集的自研芯片搭載到Mac產品上面，徹底實現移動端和PC端底層計算架構的打通。蘋果的這一選擇，似乎是一場完美的輪迴。要知道，ARM公司正是由Acorn電腦和蘋果公司以及一家半導體代工企業VLSI一起創辦的。

這一期我們將回到Acorn誕生的歷史現場，重新來看下成就ARM的因緣際遇，以及ARM處理器架構所開啓的移動時代。

回到70年代初，當時電腦還只是一種只是被大型企業和政府機構所使用的昂貴設備，而發明和製作個人電腦自然是當時電子愛好者最時髦的一件事情了。

當喬布斯在見識到年長他幾歲的沃茲在製作電腦的才華之後，就似乎認定了個人電腦這條路了。終於在1976年，他倆將蘋果1號的樣機制作了出來，併成功的賣出了第一批蘋果電腦。

當初喬布斯堅持要用蘋果作為公司的名稱，據説一來是他在印度苦修的兩年主要靠吃蘋果度日，蘋果成為他力量的來源；二來是蘋果公司將來會排在電話黃頁靠前的位置。

這一充滿“機靈勁”的想法，似乎也啓發了Acorn的兩位創始人豪澤和克里，他們在1979年為公司取名Acorn，也就是橡果的意思，主要也是希望他們的個人電腦業務像橡果那樣成長為一棵生機盎然的橡樹。同時，他們也希望自己在電話黃頁上的排名排在蘋果的前面。

誰能想到，這樣兩家以“果實”命名的公司，能夠分別成為智能移動終端以及移動終端處理器領域的巨擘。

而當時，一切才剛剛開始。無論是車庫裏整天搗鼓電子器件的技術愛好者，還是英國劍橋培養出的一位物理學博士和一個沒什麼技術背景的營銷天才，竟然都可以涉足個人電腦這個代表當時IT產業前途遠大的方向，可見一個產業之初的遍地生機和草莽氣息。

對於Acorn而言，除了兩位野心勃勃的創始人，緊接着登場的兩個人物更加至關重要。一位是Acorn的首位技術員蘇菲·威爾遜，加入Acorn時，她才剛剛從劍橋大學數學系本科畢業。簡單來説，她是Acorn電腦最早的開發者，也是ARM架構指令集的首位開發者。另一位則是傳奇工程師史蒂夫·福巴爾，他先是與威爾遜一起用一週時間拿出讓BBC滿意的微機的原型設計，之後他又與威爾遜一起負責了ARM處理器的開發，他負責芯片的設計。

真的是時代造就天才，天才也造就時代。

Acorn推出的第一代廉價個人電腦——Acorn Atom幫助它初步打開了家庭市場。而真正讓Acorn在微機市場站穩腳跟的就是1981年拿下BBC Micro的130萬英鎊的訂單。這一項目離不開克里斯的積極爭取，赫爾曼在內部的成功斡旋，成功激發了威爾遜和福巴爾的潛能。在BBC團隊再次前來考察前，兩人使用了當時還在研發中的Acorn Proton版本為雛形，花了五天五夜時間做出了BBC Micro實體原型機。此後，BBC Micro大獲成功，一共賣出去150萬台，還在1984年獲得了英國的女王技術獎（Queen‘s Award of Technology）。

（2008年，BBC Micro紀念活動上項目參與者的合影）

而推動Acorn自己研發處理器的契機則是，IBM在1983年推出面向商業市場的第二代微型機之後，Acorn也有意要進入微型機商業市場。但是原來應用於BBC Micro上的莫斯泰克公司的2MHz的6502處理器以無法滿足新的硬件需求，而市面上又沒有讓Acorn滿意的處理器。

據説，當時威爾遜和福巴爾找了當時所有可能用到的芯片，覺得英特爾的286芯片還不錯。當他們向英特爾提出合作，想要拿到286芯片的授權時，被英特爾斷然拒絕。這一拒絕的代價就是英特爾為新世紀培養出一個夢魘一般的對手。

機遇的天平正好向Acorn傾斜。當時，加州大學伯克利分校在大衞·帕特森教授主持下，提出的“伯克利精簡指令集計劃（Berkeley RISC Plan）” 白皮書。威爾遜和福巴爾正是受此啓發，開始為新一代的BBC微電腦開發基於RISC的32位微處理器芯片。

（蘇菲·威爾遜在介紹ARM開發過程）

1983年10月，ARM計劃正式啓動。沿着RISC架構精簡思路，威爾遜很快就用BBC Basic編寫出首個ARM的原型。經過歷時18個月的研發和測試，終於在1985年4月，Acorn的芯片代工廠VLSI公司生產出了第一塊使用RISC指令集的ARM芯片，這裏ARM的全稱還是Acorn RISC Machine。

（BBC Micro上的ARM-1芯片）

1985年4月26日下午1點，第一批ARM芯片從VLSI回來，被直接投入到開發系統中，並經過一兩次調整後啓動。在下午3點，屏幕中顯示出：“ Hello World，I am Arm”。全球第一款商業 RISC 處理器——ARM-1在Acorn電腦公司成功運行。

不過，此時的Acorn電腦公司則因為經營失誤而大幅虧損，Acorn不得不在1985年將自己的近一半股權以1200萬英鎊的低價轉讓給意大利的Olivetti電腦公司，用以償還債務。在ARM芯片成功研製之後，Acorn以ARM開發系統作和一款Acorn Archimedes系統為商用產品進行銷售。

此後，Acorn電腦的發展已經波瀾不驚。因為在1990年，由Acorn電腦公司、蘋果公司和那家代工廠VLSI合作創辦的ARM（全稱是Advanced RISC Machines Ltd）公司成立了。

新的歷史進程和榮光將屬於ARM。

在繼續ARM的故事前，我們有必要簡單聊下指令集這個生僻的領域。

1961年，IBM在小沃森的支持下，由副總裁文森特·利爾森牽頭，準備投入50億美元進行IBM360電腦的開發。1964年，IBM 360系列電腦研製成功，成為劃時代的產品。

而在研製過程中，IBM攻克了計算機指令集、集成電路、可兼容操作系統、數據庫等一系列軟硬件難關，也為此申請了300多項專利技術。其中，System-360系統，所集成的全新通用指令集架構（Universal Instruction Set Architecture），成為計算機發展史上第一種商用的指令集架構。

（IBM System360大型機）

可以説，指令集的本質，就是硬件和軟件代碼之間溝通的一套“標準語言”。處理器就是那個核心硬件，操作系統就是基礎軟件。電腦中運行的的軟件就要基於指令集的架構而開發，才能夠達成正常運行的效果。這一從處理器到操作系統，再到基礎應用軟件的搭建模式，便是以指令集架構為基礎的一種“標準語言”的兼容生態。

我們常説的處理器架構，就是説以指令集架構為基礎搭建起來的處理器。一旦指令集和操作系統組合綁定，將形成其他玩家難以逾越的“生態牆”。現在我們知道，引領PC時代最牢不可破的“生態牆”就是由英特爾x86處理器和微軟Windows操作系統所構建的Wintel聯盟。而移動互聯時代的“生態牆”正是由ARM的RISC指令集架構形成的移動端處理器生態和Android、iOS操作系統構建起的ARM聯盟。

指令集系統在發展過程中，分化出兩個截然不同的優化方向：複雜指令系統計算(Complex Instruction Set Computing，CISC)和精簡指令系統計算(Reduced Instruction Set Computing，RISC)。

CISC就是通過設置一些功能複雜的指令，把一些原來由軟件實現的、常用的功能改用硬件的指令系統實現，以此來提高計算機的執行速度，其特點是設計複雜，功耗高的執行時間不同，其優勢在於高計算性能。而RISC的設計思路是儘量簡化計算機指令功能，只保留那些功能簡單、能在一個節拍內執行完成的指令，而把較複雜的功能用一段子程序來實現，其特點是每條指令執行時間相同，可以減少指令的平均執行週期，提高工作主頻速度，另外一個優點就是功耗極低，但在通用性計算上面不及CISC。

（著名的英特爾8086處理器）

儘管在80年代，學術界認為CISC已經過時。但是由於英特爾在開發8086處理器時還沒有RISC指令集，所以採用了CISC的設計，此後英特爾的處理器系列都採用了CISC指令集。

此後由於可觀的收入，使得英特爾可以持續高投入到CISC處理器的研發，保證了其處理器性能比RISC處理器性能的持續超越，最終贏得了在PC電腦處理器上面的霸主地位。

在八十年代，PC處理器市場上還有摩托羅拉、IBM、SUN、SGI、DEC和HP都在生產自己的RISC處理器，但由於彼此競爭，大打價格戰，最終無力與英特爾的CISC處理器競爭，紛紛倒戈。幸好，RISC的微光仍在ARM保存。

（1990年，ARM公司初創時期的辦公地點）

1990年新成立的ARM公司，只有12名工程師參與，其中還並不包括開山鼻祖的威爾遜和福巴爾。辦公地點是隻是一座位於劍橋的穀倉。Acorn公司和蘋果公司各佔43%的股份，VLSI佔了剩餘股份，併成為ARM的半導體代工者，也成為第一個獲得ARM授權的芯片廠商。

（搭載ARM-6處理器的蘋果Newton 掌上電腦）

1993年，ARM在和蘋果合作開發一款搭載ARM處理器的蘋果Newton MessagePad（一款過於超前的產品）中再次遭遇市場的冷遇。ARM公司意識到企業的成功不能依賴個別產品。

當時，ARM從摩托羅拉青睞的新任CEO魯賓·沙克斯比創造性地推出了IP授權的商業模式。此後，芯片生產廠商只需從ARM公司獲得ARM處理器的授權，並支付前期許可費和後期生產芯片的專利使用費，就可以獲得RISC指令集處理器的IP版權以及絕大多數的收益。而ARM公司也不用在承受產品開發失敗或銷售不利而帶來的經營風險。

這是一個互惠、雙贏的商業創新，也為以後RISC芯片產業高度分工和加速發展奠定了基礎。

1993年，ARM與德州儀器、三星、夏普等半導體巨頭的合作，為ARM的推廣樹立了聲譽，也證實了IP授權的商業模式的可行性。

（摩托羅拉6110搭載了ARM-7處理器）

此時，ARM的發展也趕上了移動設備革命的“天時地利”。當時諾基亞6110成為第一部採用ARM處理器的GSM手機。為符合諾基亞減少內存的要求，ARM專門開發了16位的定製指令集，大幅縮減了內存，並最終由德州儀器生產和出售給了諾基亞。而6110上市獲得了極大的成功。高通、飛思卡爾、DEC 相繼加入ARM-7的授權陣營，後來授權給超過170家公司，至今一共生產出超過100億顆芯片。ARM-7也成為ARM在移動處理器的旗艦系列。

1998年，ARM公司同時在美國和英國上市。短短几個月內，ARM就成為估值超過10億美元的上市公司，放到今天就是妥妥的獨角獸，但這僅僅只是ARM騰飛的開始。

儘管在2001年，互聯網行業市場的股市崩盤，整個行業股價大幅下跌，ARM收入也出現鋭減，但是ARM並未元氣大傷。這一年，沃倫·伊斯特接替薩克斯比，成為ARM控股的CEO，ARM也開始實施未來五年的路線圖計劃。ARM成為RISC處理器架構標準的目標正在實現。

（ARM Cortex-A15芯片）

上市之後的ARM，有了充足的資金開啓更高端的處理器的設計。2001年，ARM-926EJ-S推出，這一IP被授權給超過100家公司，出貨量達50億顆。此後，ARM又陸續推出了ARM-10、ARM-11系列架構。2005年，意識到除了像ARM-9這樣的高端處理器市場，還有像低成本低功耗的微控制器市場。所以，ARM又提出了Cortex產品線，並將處理器架構分為：

面向高性能的 Cortex-A、面向實時控制場景的 Cortex-R，以及面向微控制器市場的 Cortex-M。

此後，隨着iPhone智能手機的熱銷以及Android系統的推出，全球進入了智能移動手機的時代，而ARM也即將隨着蘋果以及一眾安卓廠商和移動芯片廠商的支持，而登上移動終端時代的“王座”。由於ARM處理器佔據移動終端設備市場90%的份額，ARM每年的出貨量從2013年的每年100億台上漲到現在每年的200億台。

至此，ARM終於走出了一條與英特爾完全不同商業模式、不同市場定位的道路。二者似乎本應在各自的市場領域發展，可以“井水不犯河水”。但隨着PC電腦市場的飽和與移動互聯時代到來，英特爾早已把注意力投向移動設備領域，而ARM也將自己的處理器伸向英特爾佔據的服務器市場。

英特爾早在1997年就從DEC手中買下了StrongARM授權，並把StrongARM升級為Xscale。然而英特爾並沒有為XScale採用高度集成的設計模式，導致性能強悍但是功耗過高。2005年，英特爾又拒絕了來自蘋果的處理器設計訂單，次年因為業務收縮，將XScale出售，等於將佔領移動處理器的機會拱手相讓，錯過了馬上到來的移動時代。

等到英特爾再次意識到ARM的威脅之後，想以x86設計的嵌入式Soc——Atom來迎戰ARM生態的時候，只能是一敗塗地了。

再次開戰的這一年是2011年，當時微軟宣佈，在下一版的視窗操作系統正式支持ARM處理器，這讓英特爾x86處理器的市場地位開始發生動搖。到2016年，由於鉅額虧損，英特爾停掉了Atom生產線，而ARM芯片的歷史出貨量達到了驚人的1000億。當然，ARM生態在向x86系統所佔據的服務器市場的進攻中，也是屢屢折戟沉沙。

（ARM面向高性能服務器應用的Neoverse芯片）

現在，在移動終端市場，體量巨大的英特爾也難以對ARM產生任何威脅。隨着移動設備和PC設備的邊界日益模糊，數據中心也在尋求更多樣、更高性能、低耗能的服務器出現，ARM卻再一次向PC處理器芯片、服務器芯片以及AI芯片發起新的衝鋒。

同時，隨着萬物互聯的智能時代的到來，越來越多的物聯網設備都將搭載不止一顆的嵌入式芯片。而這也正是ARM所擅長領域，不過這也是英特爾想要在未來重點突圍的新戰場。

此後，我們將看到在ARM生態高歌猛進當中，將在英特爾所堅守的領域以及正在到來的智能物聯的領域，展開一場全面戰爭。

ARM之所以能夠取得今天的市場地位和商業成就，主要是歸功於其建立的創新商業模式——IP授權模式。

與英特爾的重資產、高利潤的壟斷模式不同，在移動終端領域中，低成本、微利潤的處理器是無法支撐這一重度投入模式的。而ARM開創的授權模式，將芯片的架構、設計（Fabless，如高通、英偉達、華為海思）和生產（Foudary，如台積電）分開，既分攤了成本，又提高了生產效率和新工藝迭代的速度，從而也形成了日益繁榮的ARM生態。

（採用ARM架構的蘋果芯片）

ARM公司根據芯片設計公司不同的需求和能力，提供了三種不同的對外授權模式，包括：

第一種，處理器授權。買下IP的芯片設計企業只需按照ARM設計好的芯片圖紙生產即可。

第二種，處理器優化包和物理IP包授權。芯片設計企業可以直接拿到一系列設計方案，完成芯片的生產，但是自由度更低，處理器類型、代工廠和工藝都由ARM規定好了。

第三種，架構和指令集授權。針對實力雄厚的芯片設計企業，如蘋果、高通、三星和華為海思，他們可以直接購買ARM的架構和指令集，自行設計和ARM指令集兼容的處理器。

目前，ARM在全球擁有1000多家處理器授權合作企業、320家處理器優化包和物理IP包授權夥伴，15家架構和指令集授權企業。在眾多授權企業的支持下，ARM處理器2015年的出貨量達到了150億個，歷史出貨總量超過了1000億個。

ARM每次在研發新一代處理器IP時，最多會挑選三家合作伙伴。這些被選中的公司能更早地瞭解ARM的設計，會在新產品研發上佔據領先地位，但它們也要幫助ARM進行調試、測試，並向ARM提供反饋，ARM也因此能夠確保順利研發，加快應用的速度。

而在盈利模式上，ARM的利潤完全依賴IP授權，利潤完全取決於授權人、夥伴、客户能賣出的芯片數量，這樣就與芯片的設計、生產、銷售的企業緊密綁定，合力實現產品的利益最大化，實現共贏。

在處理器發展方向的選擇上，ARM所選擇的RISC指令集處理器曾在與英特爾選擇的CISC指令集交鋒中暫時落敗，但無疑RISC代表的低功耗的趨勢更符合移動時代的發展方向。

現在，RISC指令集的這一優勢更加明顯。也就是處理器在低功耗的情況下努力突破性能的極限，要比在保持性能提升的情況下降低能耗，是一件更有優勢的進程。ARM的處理器芯片向英特爾的處理器芯片領域擴展，正是這一趨勢的最好註腳。

總結以上，可以看到，移動時代爆發代表的天時，RISC先進性能代表的地利、ARM創新商業模式代表的人和，共同構成了今天ARM的繁榮生態和全球事業版圖。

至於ARM與中國芯片產業的合作與糾葛，我們將另起篇章來探討。