从Intel和ARM双雄争霸读懂芯片的前世今生

　　Newton(牛顿)是苹果花大力气研发的触屏移动技术平台，Newton OS是不同于Mac OS的操作系统(如同后来的iOS)。如果你听过苹果、牛顿和万有引力的故事，应该能体会苹果公司对Newton平台有多么高的期望。

　　Newton平台的第一款产品MessagePad于1993年8月上市了，采用32位ARM610处理器，频率为20MHz，屏幕大小为336×240，重量410克，采用4节7号电池供电，售价699美元(相当于今天的1129美元)。可惜的是，它销量很差，上市头四个月的销量不过5万台。

　　1998年，中国的恒基伟业公司推出了一款叫做 “商务通”的产品，像极了Newton Messagepad。它采用Dragonball处理器，主频仅16MHz，屏幕大小10汉字x10汉字，重量105克，采用2节5号电池供电，售价人民币1988元。靠着“呼机手机商务通，一个也不能少”的广告，商务通在1999年大卖100万台。虽然2001年后商务通及类似产品很快就被越来越强大的手机挤出了市场，但让人好奇的是，背靠营销能力更加强大的苹果，Newton为何没能一炮而红?

　　其中一个重要的原因是，Newton重点宣传的手写识别功能表现很糟糕。而商务通对手写汉字的识别率——根据我个人的体验——还真是不错，考虑到它仅仅16MHz的CPU主频，能做到这么好简直是奇迹。当时商务通部分型号的卖点就是“连笔王”，对潦草的汉字识别得相当好。

　　软件对于一款产品的重要性，真的是生死攸关啊!

　　深耕

　　扯远了，让我们回到ARM的故事上来。

　　1990年ARM创立之初，给自己定下的使命是“设计有竞争力的、低功耗、高性能、低成本的处理器，并且使它们成为目标市场中广为接受的标准”，目标市场包括：手持设备(Portable)，嵌入式(Embedded Control)和汽车电子(Automotive)。跨越近三十年，这个使命和市场定位始终未变，直到今天。

　　而且，根据我了解到的知识，ARM是处理器的源代码授权这一商业模式的开创者。如今，芯片设计从Verilog等源代码出发，经过一系列自动化或半自动化的优化步骤，最终形成工厂制造芯片所需要的版图文件;整个过程类似软件从源代码被编译为CPU的机器码。但在80年代，芯片的设计自动化非常原始。七八十年代的处理器授权，都是指令集的授权。Synopsys公司于1986年成立，1987年推出把Verilog编译为门级网表的DesignCompiler，之后基于源代码的芯片自动化设计流程才慢慢地被建立起来。于是源代码授权才成为技术上可行的模式。

　　ARM从未自己生产过商用的芯片。它只是将自己研发的处理器的源代码的知识产权(IP)授权给芯片厂商，由它们推出最终芯片。受益于这一商业模式，尽管在1993年，Apple的Newton失败了，但ARM并未因为设备卖不出去而亏钱，还幸运地拿到了TI的订单，于是成功盈利了。员工数量也由12人增长到了42人。次年ARM又拿到了三星的订单，员工增长到70多人，搬出了谷仓。

　　除了源代码授权的模式之外，ARM也做指令集授权，1995年，ARM把指令集授权给DEC，DEC很快设计出了性能更好的StrongARM处理器。1997年，StrongARM产品线被卖给Intel，更名为XScale。

　　1995年，Motorola在香港的研发团队基于MC68000指令集开发出了针对手持设备的DragonBall处理器，在这之后的十年，DragonBall处理器一直都是ARM强大的竞争对手。不但Moto自己的手机用它，Palm、三星、Sony的手机也用它。当然还有前文提到的商务通。ARM相对于Dragonball处理器有什么优势?我认为最大的优势是从客户需求出发的、持续的创新;其次是ARM的开放的商业模式。

　　RISC指令集一般都采用32位定长指令，代码密度比起x86之类的CISC来要差一些，但手机的存储空间有限，对代码密度的要求高。1994年，ARM为此专门研发了16位的指令集Thumb，以及支持这一指令集的ARM7TDMI。

　　开放授权的商业模式，使得整机厂在选择芯片时，可以找到支持同一指令集的多种芯片产品，不容易被绑架。Nokia作为和Motolora旗鼓相当的手机制造商，肯定不会选择竞争对手的Dragonball，而ARM的技术实力和商业模式，正好符合Nokia的需求。

　　1997年，Nokia推出了一代经典6110，它采用TI的芯片，处理器核心是ARM7TDMI。6110是Nokia第一款带红外接口的手机，第一次内置了经典的贪吃蛇游戏，它的界面成为了之后Nokia手机的标准。从此，Nokia和ARM成为了好基友，Nokia的Symbian操作系统，一直都建立在ARM架构的基础上。

　　1998年，趁着6110大红大紫的东风，ARM在Nasdaq上市了。同一年，SGI公司看到处理器IP授权生意有利可图，把MIPS部门拆分出来，次年MIPS推出了它第一款可授权的处理器设计M4K。此后的十年里，MIPS一直都是ARM有力的竞争对手。

　　商务通在中国流行的那几年，国际市场上流行性能更高的掌上电脑和智能手机，操作系统包括Palm OS、微软的WinCE、Nokia的Symbian、RIM的Blackberry OS，Motorola的Wisdom OS。在这个领域里，ARM阵营中负责高性能的XScale大放异彩，暴击Dragonball。当Dragonball的频率还停留在33MHz/66MHz时，Xscale已经飙到了200～400MHz。MC68000指令集在手持设备领域败走。Palm OS的1.0～4.0都是基于MC68000指令集的，5.0就换成了ARM。后来Motorola的半导体部门Freescale干脆推出了基于ARM核的iMX系列产品，替代Dragonball产品线。

　　苹果作为掌上电脑的先行者，却在这次浪潮里无所作为，在Wintel的挤压下，它的桌面业务都已经濒临绝境，无暇顾及其它市场了。1997年，不温不火的Newton从苹果公司独立了出来。当乔布斯回归苹果之后，又火速把Newton收编了回来，并且干净利落地停掉了Newton产品线——乔帮主只想要Newton手里的ARM股份。1998年到2003年，苹果通过出售ARM的股票获利11亿美元。这笔钱，是乔布斯复兴战略的重要燃料，可以说是苹果的救命钱。

　　绽放

　　经过多年的深耕，ARM在新世纪开始时，已经是手机领域里的王者，依然在为客户的需求做着持续的创新，Java加速技术就是一个典型的例子。

　　从2000年开始，功能手机的性能提升到了足够高的水平，人们希望在手机上玩比较复杂的游戏，而不仅仅是贪吃蛇。但是手机的处理器和操作系统实在是太分散了，为了方便游戏跑在不同手机上，J2ME平台应运而生。从原理上讲，J2ME和Applet并无不同，都是基于JVM的。Java在并不分散的桌面领域没有获得成功，但在分散的手机领域获得了成功。

　　J2ME的游戏越做越复杂，但手机的处理能力毕竟有限，桌面和服务器上的JIT编译器在手机上跑得太吃力了。于是ARM在2001年推出了ARM926EJ-S处理器，它支持Jazelle DBX技术，可以直接解码和执行Java的字节码，省掉了JIT编译器的负担。这一功能大受欢迎，帮助ARM9系列成为了迄今最受欢迎的ARM处理器，总共有250多个授权厂家，其中100多个授权的是ARM926EJ-S。

　　在MTK助推山寨功能机火遍神州的那几年，主控芯片所使用的核全部都是ARM9。在iOS和安卓的应用商店诞生之前，功能手机全靠J2ME开发的应用来实现各种炫酷的功能。从某种意义上讲，在低端市场上，Jazelle是助力山寨机火爆的最大幕后功臣。

　　然而高性能ARM芯片的扛把子XScale，却被Intel于2006年6月卖给了Marvell。这是Intel实施x86-everywhere战略的一个步骤。Intel希望x86的生态也能进入到低功耗的移动领域，而不是用自己先进的工艺制程和设计能力帮ARM建设高端应用的生态。22个月之后，2008年4月，低功耗的Atom芯片诞生了。

　　高性能ARM芯片的扛把子换成了苹果。2004年，在卖光ARM股票的一年之后，乔布斯决定研发iPhone。2007年1月，在Intel放弃ARM之后仅半年，iPhone诞生了。苹果可不会采用低端市场上死守ARM9那种玩法，iPhone一代就采用了400MHz的ARM11;2009年的iPhone 3GS，升级为600MHz的Cortex A8;2010年的iPhone4，苹果自研的A4芯片升级为1GHz的Cortex A8。接下来苹果自研芯片性能一路狂飙的历程，大家都很熟悉了。

　　从ARM6到ARM11，这些IP核都是按照兼顾移动设备、汽车电子和嵌入式这三个市场的思路来设计的。从2003年起，ARM把产品线有针对性地划分为A、R、M三个系列，分别对应上述三个市场，而且IP核的名字都统一加上了Cortex的前缀。Cortex A8就是A系列的第一个作品。iPhone 3GS和iPhone4令Cortex A8大火，但让ARM一飞冲天的推手，却是iPhone的竞争对手——安卓(Android)。

　　有很多文章介绍安卓如何诞生，如何在移动设备领域干掉了除iOS之外的全部对手，毋须赘述。这里只想强调一个被普遍忽略的事实：安卓从诞生之初，就要求应用程序采用Java编写，并且跑在Dalvik虚拟机上;但iPhone上的应用，都是原生的ARM程序。要知道Android手机的处理器性能相对iPhone并无优势。

　　山寨之王MTK于2009年2月推出的首款智能手机芯片MT6516，采用406MHz的ARM9;2008年～2010年间由HTC推出的那几款卖得很好的Android手机，也无非是ARM11和Cortex A8的核，几百兆的频率，这种级别的处理器跑虚拟机还是蛮吃力的。另外虚拟机占用内存大的缺点，也不利于用户体验和降低成本。

　　谷歌宁可冒着让安卓出师不利的风险，也要推广Dalvik虚拟机。这是为什么?谷歌内部的决策过程我们无从得知。一个合理的猜测是，谷歌不愿看到手机领域里ARM一家独大，它希望给MIPS、x86等其它CPU一个机会。J2ME的成功，让谷歌看到完全建立在虚拟机上的手机应用生态，是完全可能的。

　　Dalvik虚拟机可以跑Java，但并不采用JVM那种基于堆栈的字节码，而是改用一种基于寄存器的方案。这么做当然是为了规避SUN公司(后被Oracle收购)的专利，同时也让无法直接运行JVM字节码的MIPS、x86能够实现轻量级的JIT编译器，无须Jazelle这样的技术。从另外一个角度讲，MIPS在电视、机顶盒、游戏机市场上占优，x86在桌面市场近乎垄断，支持它们，也意味着安卓有可能进军电视和桌面。

　　安卓对所有CPU而言，都是巨大的机会，谁抓住了这个机会，就可以一举改变竞争格局，实现霸业。

　　只可惜MIPS公司太不给力，一直也没有搞定靠谱的MIPS版Android。等到2011年1月，Synopsys公司给自家的ARC处理器移植好Dalvik虚拟机和浏览器用的V8虚拟机、Android环境已完备的时候，MIPS都还没动静。顺便说一句，Intel曾经的南桥芯片里都有ARC处理器，它是Active Management Technology(AMT)的重要基石。

　　这个时候，北京的君正公司坐不住了。君正靠做低成本的MP4播放器起家，2011年5月在创业板上市。君正拥有MIPS的架构级授权，对自己研发的XBurst处理器非常自信，准备靠它进攻手机和平板市场。2011年7月，基于君正JZ4760的MIPS智能手机通过Android兼容性测试。2011年12月，基于君正JZ4770平台的平板电脑，被谷歌选为Android4.0的首发产品，一时风光无限。

　　ARM的强大软件生态此时起到了护城河的作用。基于君正的平板，软件兼容性出了问题。原因在于谷歌没有强求所有的应用都跑在Dalvik虚拟机上，对于部分对性能有苛刻要求的app，例如游戏，谷歌允许用CPU的原生指令集来开发，为此还提供了NDK(Native Development Kit)。对于那些包含了ARM原生指令的游戏，君正的平板要么不支持，要么用emulator支持，总之用户体验都不好。

　　ARM生态圈里，在2011年，正好有两家芯片厂商异军突起：全志和瑞芯微，它们分别推出了采用Cortex A8处理器的A10芯片和RK2918芯片，成本极低，主打平板和安卓电视盒子。君正的平板梦被它们粉碎了，之后只好转战安卓手表，消沉了很多年。对于MIPS而言，还有一个坏消息是，在它们的强力助推下，电视盒子市场也成了ARM的天下。经营不善的MIPS于2012年卖给了Imagination，Imagination不但没能依靠MIPS在CPU市场中有所作为，反而在GPU市场里也败给了ARM，在2017年被迫整体卖身，MIPS业务卖回给了硅谷公司。

　　2012～2016年，Intel在安卓市场上挑战ARM，也失败了。于是安卓给CPU带来的红利，全部被ARM吃掉了。随着手机越来越重要，ARM也越来越重要，它所推出的最新的Cortex A系列处理器，被手机芯片争相采用。ARM生态也越来越强大，它的触角，慢慢伸出了手机领域。