ARM处理器:开放者的逆袭

1980年,英国BBC电视台策划了一系列关于计算机的电视节目。但导演发现一个问题:怎么给没见过电脑的观众画饼?

节目之一"Micro Live"

此时,大洋彼岸的苹果公司已经推出适于个人使用的微型电脑。Apple-II电脑在70年代末创造出销售神话,从而开发出个人电脑这个新市场。个人电脑在美国风靡,温吞吞的英国人节奏却慢了一拍。对于英国人来说,计算机还是限于科研、国防、制造领域的高科技设备,和自己的生活没有太大关系。美国舶来的个人电脑都售价不菲。英国人可不想用一年的下午茶来换一台用途不明的机器。这种情况下,无论BBC主持人怎样能说会道,只能凭空想象的电视观众估计也熬不过5分钟。幸好,BBC是英国传媒业的龙头,不会轻易地放弃。BBC公开招标,想要资助一家公司开发便宜的微型计算机。

BBC Micro

中标的是一家叫艾康的电脑公司(Acorn Computer Company)。按照现在的标准看,艾康电脑很不靠谱。这家公司才成立了两年,规模也很小。艾康的起家业务是给赌博机生产控制器。这些控制器拥有运算和存储组件,勉强算是电脑。但控制器执行的是固定的程序,距离多功能的个人电脑还有相当的距离。就连这家公司的名字都充满山寨气。起“Acorn”这个名字的原因,是因为电话目录的“Acorn”和“Apple”在同一页,又能排在“Apple”的前面。就这样,艾康电脑在电话目录上击败了苹果电脑,赢得不费吹灰之力。就在BBC招标时,艾康电脑正在开发一款个人电脑的原型机,成本也符合BBC的预期。于是,这款原型机被重新命名为BBC Micro。借着电视节目,BBC Micro成为英国最流行的个人电脑。

 索菲·威尔森

虽然赚到了钱,艾康的危机感并没有消除。与英国其他的个人电脑相比,BBC Micro的性能没有太大优势。为了在未来的竞争中胜出,艾康公司想给BBC Micro升级成Intel处理器。但这样做的话,电脑的成本大增,偏离了廉价电脑的定位。最终,公司委任索菲·威尔森领导研发自己的处理器。研发处理区器可不是随便说说的小事。正如威尔森后来回忆,她必须“事先非常仔细地考虑好所有的细节”,才能在苛刻的成本限制下实现处理器性能大提升。1985年,艾康公司给BBC Micro换上了廉价且性能优良的ARM处理器。

ARM是“Acorn RISC Machine”的简称。名字中的“RISC”,指的是ARM处理器对精简指令集的支持。这一点上,威尔森站在了Intel的反面。RISC处理器只支持基本的汇编指令,而复杂动作只能通过这些基本指令组合而成。因此,“RISC”的汇编程序需要占用更多的空间,编译起来也比较耗时。但RISC处理器结构简单,制造成本低,运行起来也比较省电。与“RISC”相对应的是“CISC”,即复杂指令集。“CISC”是Intel选择的道路。CISC处理器有很多高级功能,结构也相应复杂很多。打一个比方,RISC处理器就像经济型轿车,便宜、性能一般、只有基础功能。而CISC处理器则是一辆超级跑车,昂贵、性能卓越、有很多附加功能。其实在威尔森之前,大型服务器已经开始使用RISC处理器。这些大型电脑配备有数目众多的处理器。就好像拥有大量汽车的出租车公司,更愿意选择经济型轿车。ARM处理器独到之处,是把RISC处理器引入了低成本的小型设备。

选择超跑

凭着ARM处理器,艾康电脑守住了教育电脑市场。BBC Micro销量达到上百万台,直到1994年才彻底停产。但在更广阔的个人电脑市场上,Intel的CISC处理器才是赢家。毕竟,个人电脑逐渐成为家庭娱乐和个人办公的中心。一台个人电脑往往会使用5到7年,而电脑上的软件也会越来越多、越来越耗费资源。为了应对漫长的使用期,用户当然希望自己拥有的是一辆超级跑车。因此,Intel长期霸占个人电脑的市场,只留给竞争对手一点边角料。艾康想扩大份额,只能靠个人电脑之外的应用场景。

苹果牛顿

艾康又一次抱住苹果这棵大树。1990年,艾康公司和苹果公司联合设立ARM公司。ARM公司的设立充满实验性质。公司最初只有12个人,只能在一间谷仓里办公。这个小团队负责开发ARM处理器。苹果将ARM处理器用于新产品——牛顿掌上电脑。牛顿极具创意。其大屏显示和手写识别,直接启发了“商务通”等PDA产品,甚至影响到了iPhone的设计。掌上电脑对性能的要求没有个人电脑那么高,但需要节约使用电池。低功耗的ARM处理器正适合。但牛顿没能拯救ARM。由于售价太高,而关键性的手写功能又充满缺陷,牛顿最终在商业市场上折戟沉沙。ARM的路似乎走到了尽头。

ARM的合作伙伴

为了生存,ARM公司放弃了处理器的生产和销售,走起“歪门邪道”。如果ARM公司是一家饭店,选择既不做饭、又不卖饭,估计第二天就要关张。幸好ARM公司是一家电子公司,还可以卖设计图纸。当然,ARM当然不是自暴自弃地清仓甩卖。它收取一定的费用,把相关设计分享给有能力生产和销售的合作伙伴。合作伙伴生产出的每件ARM处理器,又要付给ARM公司一定的授权费。通过这种授权知识产权模式,ARM省去了生产和销售环节的巨额成本。专注于上游的设计,也能让ARM公司快速地迭代开发。当然,这也是没办法中的办法。Intel这样的霸主,就包揽了从设计到销售的全链条,根本不用像ARM这样委曲求全。

诺基亚6110:贪吃蛇!

谁也没想到,ARM开放的合作方式,恰巧弥补了市场上的空缺。很多电子元件厂商都想和Intel竞争处理器市场,但都忌惮Intel的强势,不敢轻易涉入。与ARM公司合作,成了“蜀汉联合、共抗曹魏”的理想策略。反过来,这些厂商上了船,也心甘情愿地为ARM处理器攻城略地。德州仪器公司(Texas Instrument)生产的ARM处理器,就被诺基亚用在红极一时的6110手机上。在低端领域,ARM处理器“够用就好”的原则正好可以控制成本。在专用设备方面,ARM开放的架构允许小型电子厂自由地定制,也因此广受欢迎。不知不觉,ARM处理器收编了诸多细分领域,给自己赢得了生存空间。

iPhone

就在ARM攒足粮草的关键时机,苹果终于发力助攻。乔布斯回归苹果,发布了革命性的iPhone。由于iPhone选用了ARM处理器,所以ARM的市场份额开始狂飙。事实上,Intel曾有机会拿下iPhone。在iPhone诞生之前,苹果就和Intel达成战略合作关系,并把Intel处理器应用于苹果电脑。苹果也有意委托Intel开发iPhone的处理器。只是Intel的内部并不看好iPhone,担心收不回投资成本。又一次,ARM的开放战胜了Intel式的封闭。随后,谷歌加入,推出安卓操作系统,刺激出一众安卓手机厂商。寻求快速迭代的安卓厂商很自然地选用开放的ARM处理器。手机市场的狂飙让Intel人心不稳。苹果又一次补刀,在平板电脑iPad上再次跳过Intel,使用了ARM处理器。业界议论纷纷,既然ARM处理器能满足平板电脑的性能需求,为什么不能用于Intel坐镇的高端个人电脑呢?Intel的霸主地位日渐动摇。

树莓派

如今,ARM处理器的出货量已经远远超过Intel,并占据了90%以上的手机处理器市场。在手机市场之外,ARM处理器大量应用于树莓派。树莓派是一款旨在复兴BBC Micro教育理念的廉价微型电脑。市场给了ARM无数磨难之后,终于让它再一次遇到初恋。

参考:

https://community.arm.com/processors/b/blog/posts/a-brief-history-of-arm-part-1

https://community.arm.com/processors/b/blog/posts/a-brief-history-of-arm-part-2

https://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/soco/projects/risc/risccisc/

http://appleinsider.com/articles/15/01/19/how-intel-lost-the-mobile-chip-business-to-apples-ax-arm-application-processors

http://www.androidauthority.com/arms-secret-recipe-for-power-efficient-processing-409850/

https://www.quora.com/What-makes-ARM-based-chips-relatively-power-efficient

http://ihyperwin.iteye.com/blog/1701132

http://www.techbang.com/posts/10678-fully-understand-arm-processors-cisc-and-risc-are-what-history-structure-a-see-through-the-computer-96-issues-cover-story-the-king

http://www.techradar.com/news/computing/how-arm-took-on-the-world-and-won-1067393

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