几乎所有手机处理器都离不开ARM,无论是市场霸主高通骁龙、联发科天玑,还是新兴力量华为麒麟,以及手机巨头苹果的A系列和三星的Exynos,底层技术均基于ARM架构。
ARM架构的同名公司ARM,也就是这项技术的拥有者。今天我们就来深挖这个影响全球手机芯片市场的Advanced RISC Machines(ARM)公司。
时间可以追溯到1961年,英国发明家克莱夫·辛克莱(Clive Sinclair)创立了一家叫Sinclair Radionics的无线电学公司,开发和销售计算器等电子设备。1972年,公司还生产了世界上第一台超薄电子袖珍计算器(Sinclair Executive )。
1975年9月,公司推出了一款电子腕表Black Watch,配备红色发光二极管(LED)显示屏。然而,当时电子市场正从LED转向LCD(液晶),加之表本身存在设计缺陷,导致公司遭遇了严重的财政危机。
迫不得已之下,辛克莱只好向英国国家企业委员会(NEB)求助,这也导致其失去了对公司的控制权。于是他鼓动公司得力干将克里斯·库里(Chris Curry)离开公司,支持其创建了SoC公司。当然,这个SoC并非System-on-a-chip(系统级芯片)。全称为Science of Cambridge,按照中文翻译是剑桥科学。
1978年6月,SoC公司推出了微型计算机套件Mk14,库里希望进一步开发该套件,与辛克莱想法产生了分歧。这一次,库里主动提出离职。
离开公司后,库里想到在开发Mk14的过程中,奥地利的朋友赫尔曼·豪瑟(Hermann Hauser)在剑桥大学攻读物理学博士学位时,曾来过SoC的办公室,并对这款产品很感兴趣。
1978年12月,两人合伙在剑桥创立了一家公司。有趣的是,这个家公司的名为“CPU”。当然,也并非是(Central Processing Unit)。公司全称为(Cambridge Processor Unit,剑桥处理器单元)。
值得注意的是,在同年,1978年,英特尔公司推出了新款16位微处理器“8086”,也同时开创了一个新时代:x86架构诞生了。
很快CPU公司获得了第一份合同,为威尔士的Ace Coin Equipment (ACE)的老虎机开发基于微处理器的控制器。
最初,ACE控制器是基于美国国家半导体National Semiconductor的 SC/MP微处理器(是一种早期8位微处理器),但很快改用MOS Technology公司的6502,其设计者是许多设计摩托罗拉6800微处理器系列的工程师,1975年推出时,它是市场上最便宜的微处理器,同样是一个8位处理器。
CPU公司不想浪费在SC/MP上的投资,于是在1979年成立了Acorn Computer(艾康电脑)公司来负责SC/MP后续的开发和销售。
当时他们认为微型计算机将来是一个极具成长性的产业,所以就取名Acorn(橡子树龄一般在300年以上)象征着生命力。还有一个有意思的点是,在电话目录中可以和“Apple Computer”排在一起,并且更靠前。
随着Acorn品牌的成长,CPU 的角色逐渐发生变化,很快CPU就只是控股公司,而Acorn负责开发工作。
与此同时,公司开发了Acorn 微型计算机(后来更名为Acorn System 1)由索菲·威尔逊(Sophie Wilson)设计。当时她还叫罗杰·威尔逊,她也是后来ARM 架构指令集的共同设计者。这是一个针对工程和实验室用户的半专业系统,但其价格足够低,仅约80英镑。
此后,公司又相继开发出了System 2/3/4/5,成为火极一时的售价低廉的家用电脑。
20世纪80年代初,当时,BBC(British Broadcasting Corporation,英国广播公司)继续教育部门提出了开办计算机知识培训课程的想法。BBC希望将其项目建立在能够执行各种任务的微型计算机上,然后他们可以在纪录片《The Mighty Micro》中演示。
当时BBC与包括Acorn Computers在内的多家公司讨论了该项目。几经波折,最终Acorn获得了该计算机合同,于1981年12月推出BBC Micro(同样是基于6502处理器)。
此时,英国政府也对计算机教育越来越重视,从1981年到1986 年,内政部拨款协助英国地方教育当局为其学校提供一系列计算机,其中BBC Micro就是最受欢迎的计算机之一,大约80%的英国学校拥有BBC微型计算机。
1984年4月,Acorn因BBC Micro获得了女王技术奖。该奖项特别表彰了BBC Micro的先进设计。
由于BBC Micro的热卖。1983年9月,Acorn还取代了CPU 股票,以Acorn Computer Group plc的名义在非上市证券市场上市。到1984 年底,Acorn Computer Group还组建了多家子公司。
与此同时,美国IBM公司在差不多时间1981年8月也推出一款计算机,PC(Personal Computer,个人计算机)并成功商用。相比之下,Acorn主要是用于教育系统。因此Acorn也开始计划开发商用机。但早期处理器的8位设计根本无法满足市场需求。于是Acorn计划推出更新型的16位处理器产品来替代8位机型。
事实上,Acorn最早开始,就在考虑如何减少对6502处理器的依赖,还为其System 3和 System 4 型号引入过Motorola 6809处理器卡(具有一些16 位功能的8位微处理器)。1985年,Acorn Communicator采用了16位65816处理器,作为6502的升级版。但始终没有找到可以取代6502处理器的产品。
Acorn调查了所有现成的处理器,在测试了所有可用的处理器并发现它们存在缺陷之后,Acorn决定需要一种新的架构,设计生产自己的芯片。
当时,Acorn公司的研发人员从美国加州大学伯克利分校找到了一个关于新型处理器的研究——精简指令集RISC(Reduced Instruction Set Computer),恰好可以满足他们的设计要求。
伯克利RISC是美国国防高级研究计划局VLSI项目下的研究项目之一。由加州大学伯克利分校的大卫·帕特森(David Patterson)于1980年至1984年间领导,其创造了RISC(Reduced Instruction Set Computer)一词。它是相对于“复杂指令集(CISC,complex instruction set computer)”的一个概念。早期的处理器都是CISC架构(包括英特尔的处理器)。
1983年10月,Acorn RISC Machine项目正式开始(Acorn是公司名称,Machine是机器,缩写ARM)。大名鼎鼎的“ARM”一词就此诞生。
Acorn工程师索菲·威尔逊负责指令集开发,史蒂夫·弗伯(Steve Furber)负责芯片设计。索菲·威尔逊用BBC BASIC编写处理器模拟,该模拟在带有6502第二处理器的BBC Micro上运行。
到1987年,Acorn已为此花费了500万英镑。期间,美国VLSI Technology公司成为了其芯片合作伙伴,他们为Acorn提供了ROM和一些定制芯片。最终,VLSI于1985年4 月26日生产出第一块ARM芯片,被称为ARM1。
ARM1最初被作为BBC Micro的第二个处理器,负责运行芯片开发所需的仿真软件。它也被用于支持芯片各项功能的开发,以及加速ARM2开发时需要用到的CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计)软件。
首颗"真正"的产能型为ARM2,是一款简单实用的32位微处理器,其仅容纳了30000个晶体管(相较于摩托罗拉六年后的68000其包含了近70000颗),运行频率为8MHz,据称可实现4MIPS,它比8 位家用计算机进行了重大升级,这个精简的特色使它电能消耗少,被用在BBC Archimedes上。后续产品还有ARM3具有4 KB缓存,进一步提高了性能。
到20世纪80年代末,苹果公司开始与Acorn合作开发新版的ARM核心。1990年,Acorn Computers、Apple和VLSI Technology成立了一家合资公司,Advanced RISC Machines,由此真正的ARM公司诞生了。
Acorn提供了技术和12名骨干人员,VLSI提供了工具,Apple 提供了300万美元的投资。时任苹果副总裁拉里·特斯勒(Larry Tesler)为公司首任首席执行官。新公司打算进一步开发Acorn RISC Machine处理器,计划用于Apple的Newton(手持PC)项目。
然而,在刚成立的那两年,公司ARM业绩平平。1993年,ARM和苹果合作开发的一款搭载ARM处理器的苹果Newton Message Pad再次冷遇。在这个情况下,ARM决定改变他们的产品策略,创造性地推出了IP授权的商业模式。这样一来ARM公司也不用再承受产品开发失败或销售不利而带来的经营风险。
ARM有三种授权方式:处理器授权、POP以及架构授权。
处理器授权是按照ARM公司设计好的处理器规格、在找相应的代工厂和工艺进行生产即可。获得授权的公司不能改变原有设计,但可以根据自己的需要调整产品的频率、功耗等。
POP(processor optimization pack处理器优化包)是处理器授权的高级形式,ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商,方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器。
架构授权是最大限度的一种授权模式。允许合作伙伴完全使用ARM架构,包括设计处理器核心和系统芯片。包括高通、苹果、微软、华为、飞腾等公司。当然,这也是授权费最贵的一种模式。
1993年,ARM公司将IP授权给Cirrus Logic(凌云逻辑)公司和TI(Texas Instruments,德州仪器)三星等公司。与TI公司的合作也为ARM树立了良好口碑,并验证了授权模式的可行性。1993年,公司成功实现首次盈利。此后,与ARM公司合作并获得授权的公司也越来越多。1994年,ARM在美国硅谷和日本东京分别设置了办事处。
相比之下,英特尔的X86主要追求高性能,适合应用于个人计算机、服务器和工作站,但可能导致功耗较大,不节能。ARM则追求低功耗和节能,尽管其性能相对于X86来说较弱,但适合运用于小型的移动终端。
因此,随着移动设备革命的开始,ARM公司可谓占尽天时地利。1997年,诺基亚6110发布,它是首款应用ARM处理器的GSM(Global System for Mobile Communications,全球移动通信系统)手机,面世后大获成功。
1998年,ARM在伦敦证券交易所(LSE)和美国纳斯达克同时上市。上市后苹果逐渐卖出了公司的股份。到1999年2月,苹果的持股比例已降至14.8%。不过,在2010年时,苹果公司曾表示有意以80亿美元的价格收购ARM公司,但遭到了拒绝。
最终,ARM却被日本孙正义的软银集团拿下。2016年9月,软银以234亿英镑(320亿美元)将其收入囊中。收购也导致ARM当月即从资本市场退市。在软银收购的上一年,2015 年ARM全球芯片出货量已经超过150亿颗,拥有员工约3000多人。
孙正义收购ARM的理由是,ARM将让软银成为下一个潜力巨大的科技市场(也就是物联网)的引领者。
在软银收购ARM后,ARM中国这边也有了行动。ARM开始在中国市场行动是2002年。直到2016年才成立了安谋科技(中国)有限公司(简称“安谋中国”)属于英国ARM的全资子公司。
2018年,软银集团将ARM中国一半以上的股份出售给了由中国多家公司组成的投资财团。安谋中国也发生变化,变成软银控制的ARM持股49%,中方投资人持股51%,成为了一家新的合资公司。至此,ARM中国不再是软银以及ARM的子公司,而是关联公司。
按照ARM与英国总部达成的协议,合资公司拥有ARM在中国市场的永久性及独家的产品销售权利,和基于ARM技术架构的自主研发权利。与此同时,截至2018财年3月,中国市场在ARM公司的总体营收当中占比高达20%。这也导致ARM中国与ARM一度开启了一场权利斗争。自2020 年起一直持续到了2022年,以CEO吴雄昂离职收场。
与此同时,软银这边,投资ARM的期许也并未实现。物联网的概念实现起来却比预想的要慢很多。且ARM虽然几乎垄断了智能手机微处理器领域,但盈利却远没有想象的那么好。据悉,2015年到2019年,ARM的成本从7.16亿美元增至16亿美元;营收增长20%至19亿美元,但利润却暴跌近70%至2.76亿美元。
2020年软银在亏损数十亿美元陷入现金危机后。当年3月孙正义对外表示,将会出售旗下约420亿美元的资产用来回购股票以及降低债务。据悉,包括苹果、三星等行业巨头都曾有过接触。
当年9月英伟达宣布,计划以价值400亿美元的股票和现金从软银手中收购ARM,一旦成功将成为截止当时最大的半导体收购案。作为在手机芯片领域拥有超过90%市场占有率的ARM影响力是巨大的。果不其然,这项交易遭到了反对,包括英国对于国家安全担忧,以及谷歌、微软和高通等科技公司的反对。交易于2022年2月被取消。
在收购被迫停止后,软银集团转变策略推动ARM公司独立上市。2023年8月21日在纳斯达克公开募股,估值一度高达超640亿美元。ARM的基石投资者阵容也非常强大,包括苹果、英伟达、AMD、谷歌、英特尔、联发科、台积电、三星电子等巨头。
公司最终于2023年9月14 日上市,筹集了48.7亿美元,估值为545亿美元,软银在发行后继续持有该公司90.6%的股份。公司上市首日市值就涨至超过600亿美元,成为近两年来上市交易价值最高的公司。目前公司最新市值已经来到761亿美元。
然而,尽管资本市场狂热,但长期来看,ARM的前路却并非一片坦途。
近年来,很多芯片厂商都试图摆脱对ARM的依赖,开始投入RISC-V(开源指令集架构)芯片的研发。ARM在此前的招股书中也提到,“如果 RISC-V 相关技术继续发展,市场对 RISC-V 的支持增加,我们的客户可能会选择使用这种免费的开源架构,而不是我们的产品。”
ARM CEO Rene Haas在上市感谢信中表示:“我深知这是一条漫长之路,途中充满许多始料未及的曲折,但我们为此成为更强大、更有韧性的公司。在人工智能时代,全球的计算需求是永无止尽的,这对ARM及其生态系统来说,代表着无限广阔的机会。”