那是 1983 年，Acorn Computers 處于世界之巔。不幸的是，麻煩就在眼前。

這家英國(guó)小公司因贏得英國(guó)廣播公司的合同——為全國(guó)電視節(jié)目生產(chǎn)電腦——而聞名。而這個(gè)被稱作BBC Micro 的產(chǎn)品銷量猛增，并有望超過(guò) 120 萬(wàn)臺(tái)。

但是個(gè)人電腦的世界正在發(fā)生變化。父母購(gòu)買(mǎi)廉價(jià) 8 位微型計(jì)算機(jī)以幫助孩子完成家庭作業(yè)的市場(chǎng)變得飽和了。來(lái)自大洋彼岸的新機(jī)器，如 IBM PC 和即將推出的 Apple Macintosh，承諾具有更強(qiáng)大的功能和更易用的功能。Acorn 需要一種競(jìng)爭(zhēng)方式，但它沒(méi)有太多資金用于研發(fā)。

一個(gè)想法的萌芽

BBC Micro 的設(shè)計(jì)者之一索菲·威爾遜 (Sophie Wilson) 早就預(yù)見(jiàn)到了這個(gè)問(wèn)題。她添加了一個(gè)稱為“Tube”的插槽，可以連接到更強(qiáng)大的中央處理器。一個(gè)帶插槽（slotted ）的 CPU 可以接管計(jì)算機(jī)，讓其原來(lái)的 6502 芯片空閑用于其他任務(wù)。

但是她應(yīng)該選擇什么處理器呢？Wilson 和聯(lián)合設(shè)計(jì)師 Steve Furber 考慮了各種 16 位選項(xiàng)，例如 Intel 的 80286、National Semiconductor 的 32016 和 Motorola 的 68000。但沒(méi)有一個(gè)是完全令人滿意的。

286、32016 和 68000 CPU，大致按比例縮放

在后來(lái)接受計(jì)算歷史博物館采訪時(shí)，Wilson 解釋說(shuō)：“我們可以看到所有這些處理器做了什么，沒(méi)有做什么。所以他們沒(méi)有做的第一件事就是沒(méi)有好好利用存儲(chǔ)系統(tǒng)。他們沒(méi)有做的第二件事是他們不快；它們不容易使用。我們習(xí)慣于用機(jī)器代碼對(duì) 6502 進(jìn)行編程，我們更希望我們能夠達(dá)到一個(gè)強(qiáng)大的水平，這樣如果你用更高級(jí)的語(yǔ)言編寫(xiě)，你就可以獲得相同類型的結(jié)果。”

但是有什么選擇呢？這家小型的公司Acorn 是否可以從頭開(kāi)始制造自己的 CPU？為了找出答案，Wilson 和 Furber 參觀了 National Semiconductor 在以色列的工廠。他們看到了數(shù)百名工程師和大量昂貴的設(shè)備。這證實(shí)了他們的懷疑，即這樣的任務(wù)可能超出了他們的能力范圍。

然后他們參觀了位于亞利桑那州梅薩的西部設(shè)計(jì)中心。該公司正在制造廣受喜愛(ài)的 6502 并設(shè)計(jì) 16 位后繼產(chǎn)品 65C618。Wilson 和 Furber 發(fā)現(xiàn)的只不過(guò)是一座“郊區(qū)的平房，里面有一些工程師和一些學(xué)生使用舊的 Apple II 電腦和一些膠帶制作圖表。

突然之間，制造自己的 CPU 似乎成為可能。Wilson 和 Furber 的小團(tuán)隊(duì)之前曾構(gòu)建過(guò)定制芯片，例如 BBC Micro 的圖形和輸入/輸出芯片。但這些設(shè)計(jì)比 CPU 更簡(jiǎn)單，組件更少。

盡管面臨挑戰(zhàn)，Acorn 的高層管理人員仍然支持他們的努力。事實(shí)上，他們不僅僅是支持。Acorn 聯(lián)合創(chuàng)始人 Hermann Hauser擁有物理學(xué)博士學(xué)位，他為團(tuán)隊(duì)提供了IBM 研究論文的副本，描述了一種新的、更強(qiáng)大的 CPU 類型。它被稱為 RISC，代表“精簡(jiǎn)指令集計(jì)算”。

參與到RISC中去

RISC到底是什么意思？為了回答這個(gè)問(wèn)題，讓我們參加一個(gè)關(guān)于 CPU 工作原理的超級(jí)簡(jiǎn)化速成課程。它從晶體管開(kāi)始，這是一種由硅和不同化學(xué)物質(zhì)混合而成的微型三明治狀設(shè)備。晶體管具有三個(gè)連接器。當(dāng)電壓輸入到柵極輸入時(shí)，它允許電流從源極輸入自由地流向漏極輸出。當(dāng)柵極上沒(méi)有電壓時(shí)，電流就會(huì)停止流動(dòng)。因此，晶體管用作可控開(kāi)關(guān)。

簡(jiǎn)化的晶體管

您可以組合晶體管以形成邏輯門(mén)。例如，兩個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)構(gòu)成“與”門(mén)，兩個(gè)并聯(lián)構(gòu)成“或”門(mén)。這些門(mén)讓計(jì)算機(jī)通過(guò)比較數(shù)字做出選擇。

簡(jiǎn)化的AND 和 OR 門(mén)

但是如何表示數(shù)字呢？計(jì)算機(jī)通過(guò)將小的正電壓等同于數(shù)字 1 而將無(wú)電壓等同于 0 來(lái)使用二進(jìn)制或基數(shù) 2。這些 1 和 0 稱為位。由于二進(jìn)制運(yùn)算非常簡(jiǎn)單，因此很容易制作可以將 0 或 1 加到 0 或 1 上并存儲(chǔ)和和可選進(jìn)位的二進(jìn)制加法器。大于 1 的數(shù)字可以通過(guò)添加更多同時(shí)工作的加法器來(lái)表示。同時(shí)可訪問(wèn)的二進(jìn)制數(shù)字的數(shù)量是衡量芯片“位數(shù)”的一種方法。像 6502 這樣的 8 位 CPU 以 8 位塊的形式處理數(shù)字。

由與門(mén)和或門(mén)組成的全加器電路

算術(shù)和邏輯是 CPU 功能的重要組成部分。但是人類需要一種方法來(lái)告訴它該做什么。所以每個(gè) CPU 都有一個(gè)指令集，它是它可以將數(shù)據(jù)移入和移出內(nèi)存、進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算、比較數(shù)字以及跳轉(zhuǎn)到程序的不同部分的所有方式的列表。

RISC 的想法是大幅減少指令數(shù)量，從而簡(jiǎn)化 CPU 的內(nèi)部設(shè)計(jì)。劇烈到什么程度？16 位芯片 Intel 80286 總共有 357 條獨(dú)特的指令。Sophie Wilson 創(chuàng)建的新 RISC 指令集只有 45 個(gè)。

Intel 80286 和 ARM V1 指令集

為了實(shí)現(xiàn)這種簡(jiǎn)化，Wilson 使用了“l(fā)oad and store”架構(gòu)。傳統(tǒng)的（復(fù)雜的）CPU 有不同的指令來(lái)從兩個(gè)內(nèi)部“寄存器”（芯片本身的小內(nèi)存塊）添加數(shù)字，或者從外部存儲(chǔ)器中的兩個(gè)地址添加數(shù)字，或者將每個(gè)地址的組合。相比之下，RISC 芯片指令只能在寄存器上運(yùn)行。然后，單獨(dú)的指令會(huì)將答案從寄存器移至外部存儲(chǔ)器。

比較通用 CISC CPU 和通用 RISC 的匯編語(yǔ)言，RISC 處理器必須在對(duì)它們進(jìn)行操作之前將內(nèi)存值加載到寄存器中

這意味著 RISC CPU 的程序通常需要更多的指令才能產(chǎn)生相同的結(jié)果。那么他們?cè)趺纯赡芨炷兀恳粋€(gè)答案是更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以以更高的時(shí)鐘速度運(yùn)行。但另一個(gè)原因是芯片執(zhí)行更復(fù)雜的指令需要更長(zhǎng)的時(shí)間。通過(guò)保持簡(jiǎn)單，您可以使每條指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。這使得使用稱為流水線的東西變得更容易。

通常，CPU 必須分階段處理指令。它需要從內(nèi)存中取出一條指令，解碼指令，然后執(zhí)行指令。Acorn 設(shè)計(jì)的 RISC CPU 具有三級(jí)流水線。當(dāng)芯片的一部分執(zhí)行當(dāng)前指令時(shí)，另一部分正在獲取下一條指令，依此類推。

ARM V1 流水線，每個(gè)階段都需要相同的時(shí)間來(lái)完成

RISC 設(shè)計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)是，由于程序需要更多的指令，它們會(huì)占用更多的內(nèi)存空間。早在 20 世紀(jì) 70 年代后期，當(dāng)設(shè)計(jì)第一代 CPU 時(shí)，1 兆字節(jié)的內(nèi)存成本約為 5,000 美元。因此，任何減少程序內(nèi)存大小的方法（并且擁有復(fù)雜的指令集都有助于做到這一點(diǎn)）都是有價(jià)值的。這就是為什么像 Intel 8080、8088 和 80286 這樣的芯片有這么多指令的原因。

但內(nèi)存價(jià)格正在迅速下降。到 1994 年，1 兆字節(jié)將低于 6 美元。因此，RISC CPU 所需的額外內(nèi)存在未來(lái)將不再是問(wèn)題。

為了進(jìn)一步證明新 Acorn CPU的未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)決定跳過(guò) 16位并直接采用 32 位設(shè)計(jì)。這實(shí)際上使芯片內(nèi)部更簡(jiǎn)單，因?yàn)槟槐亟?jīng)常分解大數(shù)，并且可以直接訪問(wèn)所有內(nèi)存地址。（事實(shí)上，他們第一個(gè)芯片只暴露了其 32 條地址線的 26 個(gè)引腳，因?yàn)?2 的 26 次方，即 64MB，在當(dāng)時(shí)是一個(gè)荒謬的內(nèi)存量。）

團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在需要的只是為新 CPU 命名。考慮了各種選擇，但最終，它被稱為 Acorn RISC Machine，或 ARM。

第一個(gè)ARM產(chǎn)品的誕生

ARM 的第一款芯片的開(kāi)發(fā)耗時(shí) 18 個(gè)月。為了省錢(qián)，該團(tuán)隊(duì)在將設(shè)計(jì)投入硅片之前花費(fèi)了大量時(shí)間來(lái)測(cè)試設(shè)計(jì)。Furber 在 BBC Micro 上用解釋型 BASIC 為 ARM CPU 編寫(xiě)了一個(gè)仿真器。當(dāng)然，這非常慢，但它有助于證明這個(gè)概念并驗(yàn)證 Wilson 的指令集可以按設(shè)計(jì)工作。

根據(jù) Wilson 的說(shuō)法，開(kāi)發(fā)過(guò)程雄心勃勃但簡(jiǎn)單明了。

“我們認(rèn)為我們瘋了，”她說(shuō)。“我們認(rèn)為我們做不到。但是我們一直發(fā)現(xiàn)沒(méi)有真正的停靠點(diǎn)。這只是完成工作的問(wèn)題。”

Furber 負(fù)責(zé)芯片本身的大部分布局和設(shè)計(jì)，而 Wilson 則專注于指令集。但事實(shí)上，這兩項(xiàng)工作深深地交織在一起。為每條指令選擇代碼編號(hào)并不是隨意的。選擇每個(gè)數(shù)字，以便在將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字時(shí)，指令總線上的適當(dāng)電線會(huì)激活正確的解碼和路由電路。

測(cè)試過(guò)程日趨成熟，Wilson 領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)編寫(xiě)了一個(gè)更高級(jí)的仿真器。“使用純指令模擬器，我們可以在 6502 秒的處理器上以每秒數(shù)十萬(wàn)條 ARM 指令的速度運(yùn)行，”她解釋道。“我們可以編寫(xiě)大量軟件，將 BBC BASIC 移植到 ARM 和其他所有東西，第二個(gè)處理器，操作系統(tǒng)。這給了我們?cè)絹?lái)越多的信心。其中一些東西比我們見(jiàn)過(guò)的任何其他東西都運(yùn)行得更好，即使我們正在解釋 ARM 機(jī)器代碼。ARM 機(jī)器代碼本身的性能如此之高，以至于在同一平臺(tái)上，ARM 機(jī)器代碼的解釋結(jié)果往往優(yōu)于編譯代碼。”

這些驚人的結(jié)果激勵(lì)著小團(tuán)隊(duì)完成這項(xiàng)工作。第一個(gè) ARM CPU 的設(shè)計(jì)被送到美國(guó)半導(dǎo)體制造公司 VLSI Technology Inc. 進(jìn)行制造。該芯片的第一個(gè)版本于 1985 年 4 月 26 日返回 Acorn。Wilson 將其插入 BBC Micro 的 Tube 插槽，加載 BBC BASIC 的移植到 ARM 版本，并使用特殊的 PRINT 命令對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。芯片回答說(shuō)，“Hello World, I am ARM ”，然后團(tuán)隊(duì)打開(kāi)了一瓶香檳。

讓我們退后一步，反思一下這是多么了不起的成就。整個(gè) ARM 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)包括 Sophie Wilson、Steve Furber、另外幾位芯片設(shè)計(jì)師，以及一個(gè)編寫(xiě)測(cè)試和驗(yàn)證軟件的四人團(tuán)隊(duì)。這種基于高級(jí) RISC 設(shè)計(jì)的新型 32 位 CPU 由不到 10 人創(chuàng)建，并且第一次就可以正常工作。相比之下，National Semiconductor 直到 32016 的第 10 次修訂仍然在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

Acorn 團(tuán)隊(duì)是如何做到這一點(diǎn)的？他們將 ARM 設(shè)計(jì)得盡可能簡(jiǎn)單。V1 芯片只有 27,000 個(gè)晶體管（80286 有 134,000 個(gè)！），并且采用 3 微米工藝制造——即 3,000 納米，或者比當(dāng)今 CPU 的粒度小大約一千倍。

ARM V1 芯片及其框圖

在這種詳細(xì)程度下，您幾乎可以辨認(rèn)出單個(gè)晶體管。例如，查看寄存器文件，并將其與這個(gè)關(guān)于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器如何工作的交互式框圖進(jìn)行比較。您可以看到指令總線從輸入引腳傳輸數(shù)據(jù)并將其路由到解碼器和寄存器控件。

與第一個(gè) ARM CPU 一樣令人印象深刻，重要的是要指出它缺少的東西。它沒(méi)有板載緩存（onboard cache memory）。它沒(méi)有乘法或除法電路。它還缺少浮點(diǎn)單元，因此對(duì)非整數(shù)的運(yùn)算比預(yù)期的要慢。但是，使用簡(jiǎn)單的桶形移位器（barrel shifter）有助于處理浮點(diǎn)數(shù)。該芯片以非常適中的 6 MHz 運(yùn)行。

那么這個(gè)小 ARM V1 表現(xiàn)又如何？在基準(zhǔn)測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)它在相同時(shí)鐘速度下比 Intel 80286 快大約 10 倍，相當(dāng)于以 17 MHz 運(yùn)行的 32 位摩托羅拉 68020。

ARM 芯片還設(shè)計(jì)為以非常低的功率運(yùn)行。Wilson 解釋說(shuō)，這完全是一種節(jié)省成本的措施——團(tuán)隊(duì)希望為芯片使用塑料外殼（plastic case）而不是陶瓷（ceramic）外殼，因此他們?cè)O(shè)定了 1 瓦功耗的最大目標(biāo)。

但是他們用于估算功率的工具很原始。為了確保他們不會(huì)超過(guò)限制并熔化塑料，他們對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)都非常保守。由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且時(shí)鐘速率低，實(shí)際功耗最終為 0.1 瓦。

事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)將 ARM 插入的第一批測(cè)試板之一的連接斷開(kāi)，并且根本沒(méi)有連接任何電源。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)故障時(shí)非常驚訝，因?yàn)?CPU 一直在工作。它只是由于支持芯片的漏電而開(kāi)啟的。

根據(jù) Wilson 的說(shuō)法，ARM 芯片令人難以置信的低功耗是一個(gè)“完全的意外”，但它后來(lái)變得很重要。

ARMing a new computer

按照常理，Acorn 擁有這項(xiàng)驚人的技術(shù)，領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?jǐn)?shù)年。財(cái)務(wù)上的成功肯定很快就會(huì)到來(lái)，對(duì)吧？好吧，如果你關(guān)注計(jì)算機(jī)歷史，你可能會(huì)猜到答案。

到 1985 年，BBC Micro 的銷量已經(jīng)非常慘淡，一方面受到廉價(jià)的 Sinclair Spectrum 的擠壓，另一方面受到 IBM PC 克隆產(chǎn)品的擠壓。Acorn 將其公司的控股權(quán)出售給了 Olivetti，此前它曾與 Olivetti 合作為 BBC Micro 制造打印機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，如果您要將計(jì)算機(jī)公司出售給打字機(jī)公司，那可不是什么好兆頭。

Acorn 向研究人員和愛(ài)好者出售帶有 ARM 芯片的開(kāi)發(fā)板，但僅限于現(xiàn)有 BBC Micro 所有者的市場(chǎng)。公司需要一臺(tái)全新的計(jì)算機(jī)來(lái)真正展示這種新 CPU 的強(qiáng)大功能。

在此之前，它需要對(duì)原始 ARM 進(jìn)行一點(diǎn)升級(jí)。ARM V2 于 1986 年問(wèn)世，增加了對(duì)協(xié)處理器（例如浮點(diǎn)協(xié)處理器，這是當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的流行插件）和內(nèi)置硬件乘法電路的支持。它采用 2 微米工藝制造，這意味著 Acorn 可以在不消耗更多功率的情況下將時(shí)鐘速率提高到 8 MHz。

但僅靠 CPU 還不足以構(gòu)建完整的計(jì)算機(jī)。因此，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)圖形控制器芯片、一個(gè)輸入/輸出控制器和一個(gè)內(nèi)存控制器。到 1987 年，包括 ARM V2 在內(nèi)的所有四款芯片都已準(zhǔn)備就緒，連同一臺(tái)用于安裝它們的原型計(jì)算機(jī)。為了反映其先進(jìn)的思維能力，公司將其命名為 Acorn Archimedes。

Acorn Archimedes 的首批模型之一

考慮到那是 1987 年，人們現(xiàn)在期望個(gè)人計(jì)算機(jī)配備的不僅僅是輸入 BASIC 指令的提示。用戶需要像 Amiga、Atari ST 和 Macintosh 上那樣漂亮的圖形用戶界面。

Acorn 在施樂(lè) PARC的所在地加利福尼亞州帕洛阿爾托成立了一個(gè)遠(yuǎn)程軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，為阿基米德設(shè)計(jì)下一代操作系統(tǒng)。它被稱為 ARX，它承諾搶占式多任務(wù)處理和多用戶支持。ARX 很慢，但更大的問(wèn)題是來(lái)晚了，太晚了。

Acorn Archimedes 正準(zhǔn)備發(fā)貨，但公司沒(méi)有可在其上運(yùn)行的操作系統(tǒng)。這是一個(gè)危機(jī)情況。所以 Acorn 的管理層去找 Paul Fellows 談話，他是 Acornsoft 團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，曾為 BBC Micro 編寫(xiě)過(guò)多種語(yǔ)言。他們問(wèn)他：你和你的團(tuán)隊(duì)能否在五個(gè)月內(nèi)為阿基米德編寫(xiě)并發(fā)布一個(gè)操作系統(tǒng)？”

根據(jù) Fellows的說(shuō)法，他是那個(gè)說(shuō)是的，認(rèn)為團(tuán)隊(duì)可以做到的傻瓜。

對(duì)于從頭開(kāi)始制作操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，五個(gè)月的時(shí)間并不算多。Erzhege quick-and-dirty 的操作系統(tǒng)被稱為“Project Arthur”，可能是以著名的英國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家亞瑟諾曼的名字命名的，但也可能是“ARm by THURsday!”的縮寫(xiě)。它最初是 BBC BASIC 的擴(kuò)展。Richard Manby 用 BASIC 編寫(xiě)了一個(gè)名為“Arthur Desktop”的程序，只是為了演示您可以使用該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的窗口管理器做什么。但是他們已經(jīng)過(guò)時(shí)了，所以這個(gè)演示被燒進(jìn)了第一批電腦的只讀存儲(chǔ)器（ROM）中。

第一批 Archimedes 模型于 1987 年 6 月發(fā)貨，其中一些仍然帶有 BBC 品牌標(biāo)志。這些電腦速度絕對(duì)很快，而且物有所值——入門(mén)價(jià)為 800 英鎊，在當(dāng)時(shí)約為 1,300 美元。這與 1987 年售價(jià) 5,500 美元且具有相似計(jì)算能力的 Macintosh II 相比毫不遜色。

但 Macintosh 擁有 PageMaker、Microsoft Word 和 Excel，以及大量其他有用的軟件。Archimedes 是一個(gè)新的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，在它發(fā)布時(shí)，可用的軟件并不多。計(jì)算世界正在迅速向 IBM PC 兼容機(jī)和 Macintoshes（以及幾年后的 Amigas）匯聚，其他所有人都發(fā)現(xiàn)自己被排擠了。Archimedes 計(jì)算機(jī)在英國(guó)媒體上獲得了好評(píng)，并贏得了熱情的粉絲群，但在頭幾年內(nèi)售出的系統(tǒng)不到 100,000 臺(tái)。

蘋(píng)果的出現(xiàn)

Acorn 迅速采取行動(dòng)修復(fù) Arthur 中的錯(cuò)誤，并致力于開(kāi)發(fā)具有更多現(xiàn)代功能的替代操作系統(tǒng) RISC OS。RISC OS 于 1989 年發(fā)布，緊接著發(fā)布了 ARM CPU 的新版本 V3。

V3 芯片采用 1.5 微米工藝制造，將其 ARM2 內(nèi)核的尺寸縮小到可用芯片空間的大約四分之一。這為包含 4 KB 的快速一級(jí)緩存存儲(chǔ)器留下了空間。時(shí)鐘速度也增加到 25 MHz。

雖然這些改進(jìn)令人印象深刻，但像 Sophie Wilson 這樣的工程師認(rèn)為 ARM 芯片可以進(jìn)一步發(fā)展。但是，Acorn 迅速減少的資源所能做的事情是有限的。為了實(shí)現(xiàn)這些夢(mèng)想，ARM 團(tuán)隊(duì)需要尋找外部投資者。

就在這時(shí)，另一家以一種受歡迎的水果命名的計(jì)算機(jī)公司的代表走進(jìn)了門(mén)。

Apple 最初是如何聽(tīng)說(shuō) ARM 的？Apple 高級(jí)技術(shù)組的兩名工程師 Paul Gavarini 和Tom Pittard構(gòu)建了一臺(tái)名為M?bius的原型計(jì)算機(jī)。它使用 ARM2 芯片并運(yùn)行Apple 和 Macintosh 軟件，模擬 6502 和 68000 CPU 的速度比本地版本快。Apple 的高層管理人員對(duì)這臺(tái)機(jī)器感到困惑并迅速將其淘汰，但 Gavarini 和 Pittard 在內(nèi)部演示中不斷地鼓吹 ARM，在運(yùn)行 LISP 時(shí)展示了令人印象深刻的基準(zhǔn)。

LISP 是一種重量級(jí)語(yǔ)言，Apple 在內(nèi)部使用它來(lái)測(cè)試新的圖形界面。但它被認(rèn)為對(duì)于嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)于龐大。當(dāng) Apple 資深人士拉里·特斯勒 (Larry Tesler) 看到這些基準(zhǔn)時(shí)，他靈機(jī)一動(dòng)。

Tesler 剛剛接手了Apple Newton項(xiàng)目，他需要更換其緩慢且有故障的 CPU，即 AT&T Hobbit。ARM 芯片看起來(lái)像是贏家，因?yàn)樗粌H是一個(gè)速度惡魔，而且其令人難以置信的低功耗使其成為手持牛頓設(shè)備的理想選擇。

Tesler 安排了一次與 ARM 團(tuán)隊(duì)的會(huì)面，他喜歡他在他們的路線圖中看到的內(nèi)容。但有一個(gè)問(wèn)題。Apple 是一家計(jì)算機(jī)公司，而 Acorn 是其直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

這為一個(gè)重大決定奠定了基礎(chǔ)。ARM 員工希望擺脫 Acorn 日漸衰落的命運(yùn)；Acorn 的大股東 Olivetti 對(duì)制造 IBM PC 克隆更感興趣；制造 ARM 芯片的硅代工廠 VLSI Technology 想要更多的客戶；Apple 想授權(quán)該芯片。

于是，剝離 ARM 符合每個(gè)人的利益。

1990 年 11 月，他們達(dá)成了三方協(xié)議。Apple 以 300 萬(wàn)美元現(xiàn)金購(gòu)買(mǎi)了 30% 的股份。VLSI 投資了 50 萬(wàn)，加上它的知識(shí)和工具。Acorn 轉(zhuǎn)讓了其所有 ARM 知識(shí)產(chǎn)權(quán)和 12 名員工，價(jià)值 300 萬(wàn)美元。應(yīng) Apple 的要求，新公司更名為 Advanced RISC Machines。

從此以后，ARM 現(xiàn)在只能靠自己了。

一個(gè)新的領(lǐng)導(dǎo)者

在 Apple 放下資金之前，它想為 ARM 選擇一位 CEO。Apple 聘請(qǐng)了發(fā)現(xiàn) John Sculley 的同一家獵頭公司，但這一次，它的結(jié)果要好得多。他們雇用的人是Robin Saxby。

Saxby 1947 年出生于英國(guó)切斯特菲爾德。小時(shí)候，他對(duì)電線很著迷，十幾歲時(shí)，他開(kāi)始了自己的第一筆生意，修理收音機(jī)和電視機(jī)。他在利物浦上大學(xué)，學(xué)習(xí)電子工程。1968 年畢業(yè)后，他的第一份工作是幫助設(shè)計(jì)英國(guó)第一臺(tái)基于晶體管的電視。

他于 1973 年加入摩托羅拉，并迅速晉升為銷售工程師。這意味著他的工作是四處拜訪公司的客戶，幫助他們使用摩托羅拉產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)他轉(zhuǎn)到 CPU 部門(mén)時(shí)，他認(rèn)為他的客戶都是主流計(jì)算機(jī)公司。令他驚訝的是，大多數(shù)想要摩托羅拉 CPU 的人都想到了利基嵌入式應(yīng)用程序。有一次，他為摩托羅拉寫(xiě)了一份提案，要求摩托羅拉分拆其 CPU 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)并提供設(shè)計(jì)服務(wù)，但管理層不喜歡這個(gè)想法。

在摩托羅拉之后，薩克斯比加入了一家名為 ES2 的初創(chuàng)公司，該公司試圖開(kāi)發(fā)一種新的硅芯片制造技術(shù)。ES2 已經(jīng)為 ARM 構(gòu)建了一些測(cè)試芯片，所以 Saxby 已經(jīng)知道這家公司。但當(dāng)他被要求加入 ARM 擔(dān)任首任首席執(zhí)行官時(shí)，他懷疑自己是否是這份工作的最佳人選。

為確保萬(wàn)無(wú)一失，他與 ARM 員工在一家酒吧安排了一次午餐會(huì)。當(dāng)時(shí)，公司缺乏領(lǐng)導(dǎo)。Steve Furber 離開(kāi)去尋找其他機(jī)會(huì)，而 Sophie Wilson 做出了“艱難的決定”——留在 Acorn，盡管她仍然可以提供咨詢服務(wù)。剩下的 12 名 ARM 員工午餐遲到了，薩克斯比差點(diǎn)離開(kāi)。但當(dāng)他們到達(dá)那里時(shí)，會(huì)議取得了巨大的成功，所有 12 位工程師一致認(rèn)為 Robin Saxby 是正確的選擇。

即使那樣，他也需要一點(diǎn)推動(dòng)力。他問(wèn)他 11 歲的女兒，他是否應(yīng)該冒險(xiǎn)接受這份新工作。她說(shuō)：“爸爸，我有一個(gè)骰子，如果你擲骰子，結(jié)果是六，你就會(huì)成為百萬(wàn)富翁。”

他扔了，是一個(gè)六。于是Robin Saxby在1991 年初成為 ARM 的第一任首席執(zhí)行官。

開(kāi)始新的嘗試

公司需要的第一件事是商業(yè)模式。Saxby 重新整理了他舊的摩托羅拉提案，并根據(jù) ARM 的需要對(duì)其進(jìn)行了修改。除了對(duì)售出的每塊芯片收取一定比例的特許權(quán)使用費(fèi)外，該公司將以預(yù)付費(fèi)用的方式許可其技術(shù)。從理論上講，這種組合足以讓燈保持亮著。薩克斯比的愿景從一開(kāi)始就雄心勃勃：他希望 ARM 成為“全球 RISC 標(biāo)準(zhǔn)”。

設(shè)定目標(biāo)是一回事，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)又是另一回事。計(jì)算世界的其他部分也加入了 RISC 的行列。IBM 于 1986 年發(fā)布了6150 RT，隨后是MIPS和 HP 的PA-RISC以及帶有SPARC的SUN 。摩托羅拉在 1988 年推出了 88000，英特爾在 1989 年發(fā)布了 i860 和 i960，而 DEC 正在開(kāi)發(fā)其 Alpha 芯片。與這些巨頭中的一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)很困難，擊敗所有人似乎更是不可能的任務(wù)。

但這些公司大多使用 RISC 來(lái)制造高端桌面工作站。Saxby 記得他在摩托羅拉的時(shí)候，嵌入式應(yīng)用程序是一個(gè)被忽視的市場(chǎng)。也許全球 RISC 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在還遙不可及，但全球嵌入式 RISC 標(biāo)準(zhǔn)是可以實(shí)現(xiàn)的。與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，ARM 芯片的晶體管更少，消耗的電能也更少。這使得它們的制造成本更低，適用于更廣泛的應(yīng)用。

一些首批許可是針對(duì)傳真調(diào)制解調(diào)器和其他小型應(yīng)用程序的。早期，資金緊張，Acorn 最初向創(chuàng)始工程師承諾他們將在次年加薪，但在 1991 年，ARM 的現(xiàn)金告罄。薩克斯比表示，如果公司獲得一份重要的新合同，他將兌現(xiàn)這一承諾。他與英國(guó)國(guó)防承包商Plessey簽署了一項(xiàng)協(xié)議，并為工程師提供了回溯的加薪。

Saxby的第一個(gè)新產(chǎn)品是 ARM6 內(nèi)核，它是 ARM3 的后繼產(chǎn)品。它采用 0.8 微米工藝制造，運(yùn)行頻率為 20 MHz。遵循降低指令集復(fù)雜性的理念，它只有兩條新指令。核心本身只有 35,000 個(gè)晶體管，比原來(lái)的 ARM 的 27,000 個(gè)多不了多少。相比之下，Intel 的 386 有 275,000 個(gè)晶體管對(duì)于 Newton，ARM 將這個(gè)內(nèi)核與內(nèi)存管理單元和 4 KB 的一級(jí)緩存打包在一起。這就是 ARM610。

同時(shí)，公司推出了ARM250。它有較舊的 ARM3 內(nèi)核，但也包括阿基米德計(jì)算機(jī)中的所有支持芯片：內(nèi)存控制器、I/O 芯片和視頻芯片。它是真正的“片上系統(tǒng)”或 SoC。當(dāng)時(shí)，除了讓阿基米德的制造成本降低一點(diǎn)外，它沒(méi)有太大的市場(chǎng)。但它暗示了即將發(fā)生的事情。

ARM250 SoCL展望未來(lái)。

1993 年，Apple 終于發(fā)布了拖延已久的Newton。第一年，它售出了 60,000 臺(tái)。對(duì)于像蘋(píng)果這樣的大公司來(lái)說(shuō)，這被認(rèn)為是一次巨大的失敗。但對(duì)于 ARM 來(lái)說(shuō)，每個(gè)芯片的專利使用費(fèi)為 20 美元，這是一筆意外之財(cái)。Saxby 將現(xiàn)金投資回 ARM，使公司規(guī)模從 30 人增加到 60 人，翻了一番。這是一場(chǎng)賭博。為了讓它發(fā)揮作用，ARM 需要獲得一些主要的許可。

吸引更多大客戶

作為一家小公司，有時(shí)很難與大公司打交道。在與他的前雇主摩托羅拉會(huì)面時(shí)，Saxby回憶說(shuō)這位高管在結(jié)束時(shí)說(shuō)：“當(dāng)然，我們無(wú)法向您支付任何許可費(fèi)或版稅。” 該公司預(yù)計(jì) ARM 會(huì)樂(lè)于通過(guò)“曝光”獲得報(bào)酬，因?yàn)槟ν辛_拉本可以自己完成這項(xiàng)工作。Saxby比問(wèn)這位高管，他有多少工程師參與這個(gè)項(xiàng)目。答案是大約 200。“你知道嗎，”Saxby比問(wèn)道，“你支付給我們的許可費(fèi)是你為你的工程師支付的費(fèi)用的四分之一？” 他仍然拒絕給 ARM 錢(qián)，Saxby比放棄了這筆交易。

德州儀器 (Texas Instruments) 是另一家認(rèn)為利用自己的內(nèi)部資源可以比 ARM 做得更好的公司。當(dāng) TI 的 CPU 部門(mén)負(fù)責(zé)人向他的老板申請(qǐng) ARM 許可時(shí)，他回?fù)舻溃骸澳闶钦f(shuō)我們甚至無(wú)法在設(shè)計(jì)微處理器內(nèi)核以嵌入基帶芯片方面與其他公司競(jìng)爭(zhēng)？” 后來(lái)，在討論潛在合作伙伴關(guān)系的會(huì)議上，TI 人員在未簽署保密協(xié)議的情況下抵達(dá)。Saxby堅(jiān)持要他們立即離開(kāi)，簽完字再回來(lái)。ARM 可能很小，但 Saxby 不會(huì)讓公司任人擺布。

TI 猶豫不決，但最終決定將 ARM 引入其最大的客戶之一：諾基亞。這是一個(gè)考驗(yàn)。如果 ARM 能夠說(shuō)服諾基亞使用其設(shè)計(jì)，它們就足以讓 TI 構(gòu)建它們。

1993年，諾基亞已是手機(jī)界的后起之秀，前一年手機(jī)銷量已達(dá)300萬(wàn)部。它為其新型號(hào)制定了宏偉的計(jì)劃，但該公司對(duì) 16 位 Hitachi H8 CPU（傳統(tǒng)的 CISC 芯片）非常滿意。32 位 RISC 芯片在速度和效率方面實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍，但代價(jià)是同等代碼需要更多的指令——而且每條指令占用兩倍的內(nèi)存。在臺(tái)式機(jī)上，這種額外的內(nèi)存需求沒(méi)什么大不了的，但手機(jī)的內(nèi)存和存儲(chǔ)空間很小。

在與諾基亞會(huì)面后回家的航班上，ARM 工程師決定，如果 16 位是諾基亞想要的，那么 16 位就是諾基亞要得到的。他們創(chuàng)建了一套全新的簡(jiǎn)化 16 位指令集，并設(shè)計(jì)了將它們映射到現(xiàn)有 32 位指令集的電路。這樣，您可以擁有占用更少內(nèi)存的更小程序代碼，但它的運(yùn)行速度幾乎是全 16 位芯片的兩倍。開(kāi)個(gè)玩笑，工程師稱這些擴(kuò)展為“Thumb”，因?yàn)槟粗甘茿rm末端的東西，但這個(gè)名字卡住了。

當(dāng)諾基亞工程師看到 Thumb 架構(gòu)的計(jì)劃，以及隨之而來(lái)的更先進(jìn)的 ARM7 內(nèi)核時(shí)，他們非常興奮。TI意識(shí)到這家英國(guó)小公司通過(guò)了考驗(yàn)，終于在1994年拿到了ARM授權(quán)。現(xiàn)在TI可以為新一代諾基亞手機(jī)制造先進(jìn)的芯片。

這些手機(jī)中的第一款是諾基亞 8110，它是第一款采用 ARM 內(nèi)核的GSM手機(jī)。幾年后，它因出現(xiàn)在電影《黑客帝國(guó)》中而出名。

步步高升

在被TI看上之后，ARM 再也沒(méi)有回頭。該公司現(xiàn)在在電子行業(yè)擁有真正的信譽(yù)。它與夏普、三星和 NEC 簽署了協(xié)議。到 1995 年，公司擁有多達(dá) 10 個(gè)被許可人。

ARM7 很受歡迎。CPU 采用 0.35 微米工藝制造，運(yùn)行速度高達(dá) 66 Mhz。Thumb 擴(kuò)展對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用程序或代碼密度很重要的任何地方都很有用，但該芯片也可以全速運(yùn)行 32 位代碼。1996 年又有四家公司購(gòu)買(mǎi)了 ARM 許可：Oki、Alcatel、Yamaha 和 Rohm。甚至摩托羅拉最終也接受了，并在次年簽署了一項(xiàng)協(xié)議。

為什么那么多公司，包括已經(jīng)制造了自己的芯片的大型電子公司，都想與 ARM 簽約？部分原因在于成本優(yōu)勢(shì)——ARM 的許可并沒(méi)有貴得讓人望而卻步，而且它們肯定比支付數(shù)百名工程師數(shù)年時(shí)間從頭設(shè)計(jì)新芯片要便宜。另一部分是 Sophie Wilson 和 Steve Furber 創(chuàng)造的技術(shù)遺產(chǎn)：ARM 芯片制造速度快且易于制造，而且耗電量大。

但 ARM 還有另一張王牌：它不僅僅是另一家芯片制造公司。當(dāng) ARM 與其他公司合作時(shí)，它成為合作伙伴，幫助設(shè)計(jì)可以根據(jù)其他公司的特定需求定制的解決方案。諾基亞 Thumb 擴(kuò)展的發(fā)明只是其中一個(gè)例子。ARM 還與 Digital Equipment Corporation 合作創(chuàng)建了StrongARM，這是一種更快的芯片版本，運(yùn)行速度高達(dá) 233 MHz。這些功能強(qiáng)大的芯片最終出現(xiàn)在 Apple MessagePad 2000（改進(jìn)版 Newton）、Eidos Optima 視頻編輯工作站和 Acorn Computers 最新的 RISC PC（Archimedes 系列的新名稱）中。

對(duì)于 Robin Saxby 而言，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的芯片公司合作的想法始終是戰(zhàn)略的一部分。“把你的敵人變成朋友，”他會(huì)說(shuō)。“如果他們可以通過(guò)與你合作為自己賺更多的錢(qián)，他們?yōu)槭裁匆湍愦蚣埽俊?/p>

這種感覺(jué)彌漫在整個(gè)公司。ARM 發(fā)言人在接受 Ars 采訪時(shí)解釋說(shuō)：“ARM 商業(yè)模式是一種基于成功的商業(yè)模式，其基礎(chǔ)是 ARM 在其合作伙伴成功時(shí)取得成功。” 經(jīng)過(guò)緩慢的起步，該公司現(xiàn)在證明這不僅僅是一個(gè)崇高的理想。它正在實(shí)現(xiàn)。

ARM 在 1990 年代飛速發(fā)展

但 ARM 仍然必須具有戰(zhàn)略意義。當(dāng) LSI 半導(dǎo)體向公司申請(qǐng)?jiān)S可證時(shí)，Saxby 拒絕了，盡管 CEO 給了他很多錢(qián)。他這樣做是因?yàn)?LSI 將直接與 ARM 的制造合作伙伴 VLSI 競(jìng)爭(zhēng)。相反，他要求 LSI 的首席執(zhí)行官先給他們帶來(lái)一些新業(yè)務(wù)，然后他再考慮。他帶著硬盤(pán)公司 Western Digital 的合同回來(lái)了，每筆交易都有望擴(kuò)大市場(chǎng)并幫助 ARM 成為標(biāo)準(zhǔn)。

到了上市時(shí)刻

到 1998 年，ARM 的規(guī)模已經(jīng)超出了原來(lái)的谷倉(cāng)。該公司擁有 274 名員工，上一年的收入為 4400 萬(wàn)美元，并且在出貨近 1000 萬(wàn)個(gè) ARM 處理器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 800 萬(wàn)美元的利潤(rùn)。但ARM 還不是全球 RISC 標(biāo)準(zhǔn)——MIPS 在那里奪得桂冠，這主要?dú)w功于索尼 PlayStation——但它排在第三位，并超過(guò)了英特爾的 i960 和摩托羅拉的 PowerPC，它也是所有 RISC 芯片供應(yīng)商中增長(zhǎng)最快的。

所有這些積極的增長(zhǎng)使公司上市成為了一個(gè)好時(shí)機(jī)。1998 年 4 月 17 日，公司在倫敦證券交易所和納斯達(dá)克成功地進(jìn)行了首次公開(kāi)募股 (IPO)。該股票的初始價(jià)格為 5.75 英鎊，或略低于 10 美元。那年晚些時(shí)候，當(dāng) ARM 報(bào)告銷售了 5100 萬(wàn)個(gè)處理器時(shí)，股價(jià)飆升。ARM 最初只有 12 個(gè)人和一個(gè)夢(mèng)想，現(xiàn)在是一家價(jià)值 10 億美元的公司。

ARM 的兩個(gè)創(chuàng)始投資者正朝著相反的方向前進(jìn)。蘋(píng)果公司在 1997 年虧損超過(guò) 10 億美元，其運(yùn)營(yíng)現(xiàn)金正處于危險(xiǎn)的低位。從 ARM IPO 的第二天開(kāi)始，Apple 拋售了大部分股份，從 42.3% 的股份減少到不到 6%。這次套現(xiàn)幫助史蒂夫喬布斯在關(guān)鍵時(shí)刻穩(wěn)定了公司。

Acorn也在苦苦掙扎。在銷量持續(xù)下滑后，該公司放棄了 RISC PC 的開(kāi)發(fā)，并取消了最終的“Phoebe”型號(hào)，只留下了其獨(dú)特的黃色外殼。有一段時(shí)間，該公司的資本價(jià)值低于其持有的 ARM 股份的 24%。Acorn 賣(mài)掉了它的股票，用這筆錢(qián)對(duì)公司進(jìn)行再融資和重組。1999年，公司更名為“Element 14”，并將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)電信產(chǎn)品。

在 ARM 成功的推動(dòng)下，VLSI 技術(shù)繼續(xù)發(fā)展。1999年6月被飛利浦電子以10億美元收購(gòu)。

一個(gè)不斷變化的世界

ARM 最初只是一個(gè)瘋狂的夢(mèng)想。早在 1985 年，Sophie Wilson 和 Steve Furber 就查看了許多可用的 CPU，發(fā)現(xiàn)它們?nèi)疾粔蛴谩Ａ钊穗y以置信的是，他們帶領(lǐng)一個(gè) 10 人團(tuán)隊(duì)從頭開(kāi)發(fā)了一個(gè)先進(jìn)的 32 位 RISC CPU，只用了 18 個(gè)月就從想法到工作芯片。

最初的想法是利用這些驚人的 CPU 并圍繞它們構(gòu)建出色的個(gè)人計(jì)算機(jī)，從而接管世界。但是世界已經(jīng)變了，沒(méi)有更多的空間容納新的、不兼容的計(jì)算機(jī)平臺(tái)。相反，多虧了 Apple、VLSI 和 Robin Saxby 的遠(yuǎn)見(jiàn)，ARM 芯片發(fā)現(xiàn)自己可以自由地走到最需要它的地方。在接下來(lái)的十年里，從傳真調(diào)制解調(diào)器到硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器再到手機(jī)，各種小型設(shè)備最需要它。

但隨著新千年的臨近，這些小型設(shè)備變得越來(lái)越強(qiáng)大。盡管 Newton 失敗了，但個(gè)人數(shù)字助理市場(chǎng)卻在蓬勃發(fā)展，手機(jī)本身也開(kāi)始具備類似 PDA 的功能。這個(gè)舞臺(tái)是為 ARM 的最大機(jī)遇和最大挑戰(zhàn)而準(zhǔn)備的。

在這個(gè)時(shí)候，評(píng)估公司創(chuàng)始人史蒂夫·喬布斯 (Steve Jobs) 也得意洋洋地回到了他與他人共同創(chuàng)立的公司。1998 年彩色橡皮糖iMac的發(fā)布、與微軟的協(xié)議以及蘋(píng)果 ARM 股票的出售使該公司從瀕臨破產(chǎn)的境地轉(zhuǎn)為穩(wěn)固的財(cái)務(wù)基礎(chǔ)。但蘋(píng)果公司的“iCEO”仍在尋找下一件大事。

喬布斯為 iMac 配備了一種名為 FireWire 的新連接器，可以實(shí)現(xiàn)視頻和聲音的快速傳輸。一種稱為 MP3 的文件格式越來(lái)越受到計(jì)算機(jī)用戶在其計(jì)算機(jī)上共享音樂(lè)的歡迎，并且公司已經(jīng)開(kāi)始制造便攜式 MP3 播放器。但這些設(shè)備的存儲(chǔ)空間很小，USB 1.0 傳輸速度很慢，軟件也很糟糕。喬布斯開(kāi)始癡迷于打造一個(gè)播放器的想法，并將幾乎所有的時(shí)間都投入到這個(gè)項(xiàng)目中。

Apple 與一家名為 PortalPlayer 的公司合作，該公司一直在開(kāi)發(fā)自己的播放器。硬件使用了定制的 ARM 芯片 PP5502。它是一個(gè)片上系統(tǒng)，具有運(yùn)行頻率為 90 MHz 的雙 ARM7 內(nèi)核和 32MB 板載內(nèi)存。主板上唯一的另一個(gè)大芯片是 FireWire 控制器。ARM 許可的靈活性使得設(shè)計(jì)具有用于 MP3 解碼等功能的自定義電路的 CPU 變得容易。

原始 iPod 主板，ARM PP5502 SoC 在左下方，F(xiàn)ireWire 控制器在右上角。

有多容易？一位熟人約翰·西姆斯 (John Sims) 博士向我講述了大約同時(shí)期另一家 MP3 播放器公司的故事。一名工程師僅用了六個(gè)月的時(shí)間就將數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 添加到標(biāo)準(zhǔn) ARM 設(shè)計(jì)中。一家從頭開(kāi)始構(gòu)建芯片而不是與 ARM 合作的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手公司有 60 名工程師在類似的項(xiàng)目上花費(fèi)了三倍的時(shí)間。

iPod 于 2001 年面世，在發(fā)布兼容 Windows 的版本后，這款小巧的音樂(lè)播放器成為了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在該設(shè)備的鼎盛時(shí)期，每年售出超過(guò) 5000 萬(wàn)臺(tái) iPod。雖然人們迷戀它的界面、易用性和標(biāo)志性的白色耳機(jī)，但大多數(shù)人沒(méi)有意識(shí)到 iPod 實(shí)際上是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。它有一個(gè) CPU、內(nèi)存、一個(gè)微型硬盤(pán)和一個(gè)操作系統(tǒng)，它的觸摸輪和按鈕就像一個(gè)小鼠標(biāo)和鍵盤(pán)。它甚至有一個(gè)可以玩簡(jiǎn)單游戲的位圖顯示器。

說(shuō)到游戲，ARM 在 2001 年的第二場(chǎng)大勝利是任天堂的 Game Boy Advance。作為最初的 Game Boy 的繼任者，它配備了帶嵌入式內(nèi)存的 16.8 MHz ARM7 內(nèi)核。它還有一個(gè)夏普 LR35902，用于與舊系統(tǒng)兼容。甚至便攜式游戲機(jī)也在從 CISC 芯片跳轉(zhuǎn)到 RISC 芯片。

每個(gè)人的掌上電腦

iPod 只是移動(dòng)世界劃時(shí)代變革時(shí)期的開(kāi)始。在與摩托羅拉在 ROKR 翻蓋手機(jī)中放入 iPod 進(jìn)行了一次奇怪且最終注定失敗的合作之后，Apple 將目光投向了從頭開(kāi)始制造新手機(jī)。

該項(xiàng)目始于 2004 年。喬布斯不確定是將 iPod 放大以將其變成電話還是剝離 Macintosh 的 OS X 操作系統(tǒng)以使其在移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行才是正確的方法。為了解決這個(gè)問(wèn)題，喬布斯讓競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的團(tuán)隊(duì)同時(shí)研究這兩種方法。Tony Fadell 的 iPod 團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富，但他們面對(duì)的是摩爾定律錯(cuò)誤的一面。

摩爾定律顯示了這些年來(lái) CPU 的顯著改進(jìn)

ARM 芯片自 1985 年推出第一個(gè)版本以來(lái)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。該芯片具有 27,000 個(gè)晶體管，采用 3 微米工藝生產(chǎn)。這意味著晶體管和電線的直徑大約為 0.000003 米，即 0.003 毫米。這可能看起來(lái)很小，但硅芯片制造的進(jìn)步意味著到 2006 年，芯片代工廠正在使用 90 納米工藝。這允許更多的晶體管，包括大量的快速緩存存儲(chǔ)器，可以安裝在相同大小的芯片上。這也意味著芯片可以以更高的時(shí)鐘速度運(yùn)行。

相比之下，軟件的改進(jìn)要慢得多。編寫(xiě)和測(cè)試以及修復(fù)每項(xiàng)新功能不可避免地引入的大量錯(cuò)誤都需要時(shí)間。因此，等待摩爾定律推出可以運(yùn)行現(xiàn)有 OS X 軟件的移動(dòng)芯片實(shí)際上比向 iPod 的準(zhǔn)系統(tǒng)操作系統(tǒng)添加所有必要的功能要快得多。喬布斯決定采用精簡(jiǎn)的 OS X 方法。但仍然存在誰(shuí)來(lái)制造芯片的問(wèn)題。

喬布斯詢問(wèn)英特爾首席執(zhí)行官保羅歐德寧是否愿意競(jìng)標(biāo)為蘋(píng)果即將推出的手機(jī)制造芯片的權(quán)利。這家制造巨頭在為基于 Windows 的計(jì)算機(jī)提供動(dòng)力的臺(tái)式機(jī) x86 CPU 的銷售中名列前茅。但是，它還擁有基于 ARM 的業(yè)務(wù) XScale，這是它于 1998 年從數(shù)字設(shè)備公司 (DEC) 購(gòu)買(mǎi)的。因此，英特爾本可以輕松滿足蘋(píng)果的要求。

但歐德寧拒絕了這個(gè)提議。他計(jì)算出 Apple 愿意為每個(gè) CPU 支付的最高金額低于 Intel 為制造這些 CPU 所花費(fèi)的金額，而且他不確定 Apple 手機(jī)是否會(huì)大量銷售。此外，他對(duì)顯示對(duì) XScale 的支持感到緊張，尤其是當(dāng)英特爾正在開(kāi)發(fā)即將推出的 x86 低功耗版本 Atom 時(shí)。他在 x86 上加倍下注，并于 2006 年出售了 XScale 部門(mén)。

這里有一定的諷刺意味。DEC 最初出售其 ARM 業(yè)務(wù)是因?yàn)樗枰X(qián)。它需要這筆錢(qián)，因?yàn)橛⑻貭栒谄茐?DEC 的小型機(jī)和工作站市場(chǎng)。隨著時(shí)間的推移，更便宜的基于 x86 的 PC 的產(chǎn)量越來(lái)越大，這些大型計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力越來(lái)越小。現(xiàn)在，英特爾放棄了同樣的移動(dòng)芯片部門(mén)，專注于臺(tái)式機(jī)。

英特爾拒絕這筆交易后，蘋(píng)果轉(zhuǎn)向三星。這家韓國(guó)企業(yè)集團(tuán)同意為蘋(píng)果即將推出的手機(jī)制造功能強(qiáng)大的新型 ARM 芯片。它是 S5L8900，一個(gè) ARM11 內(nèi)核的 SoC（降頻！）以 412 MHz 運(yùn)行，128MB RAM，高達(dá) 16GB 的存儲(chǔ)空間，以及一個(gè)集成的 PowerVR MBX Lite 3D 圖形處理器。這是一款非凡的芯片，讓人想起 1991 年的 ARM 250“芯片上的阿基米德”，但它的功能足以成為世紀(jì)之交的體面臺(tái)式機(jī)的核心。

但它不是臺(tái)式機(jī)。那是一部電話——而且是一部革命性的電話。喬布斯于 2007 年 1 月 9 日在 Macworld 上發(fā)布了 iPhone。今天重看發(fā)布會(huì)，感覺(jué)就像是歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。奇怪的是，喬布斯花了很多時(shí)間強(qiáng)調(diào) iPhone 實(shí)際上是三種設(shè)備：電話、iPod 和互聯(lián)網(wǎng)通信器。

現(xiàn)在沒(méi)有人會(huì)這樣描述 iPhone。這是一臺(tái)裝在口袋里的電腦。大型機(jī)有房間那么大，小型機(jī)有冰箱那么大，微型機(jī)有烤面包機(jī)那么大。這些新設(shè)備很容易被稱為納米計(jì)算機(jī)。相反，我們稱它們?yōu)?a href="http://m.1cnz.cn/v/tag/11230/" target="_blank">智能手機(jī)，盡管很多人已經(jīng)很少使用電話部分了。

公告發(fā)布后，谷歌的 Android 子公司迅速改變了其產(chǎn)品計(jì)劃，從生產(chǎn)黑莓克隆產(chǎn)品轉(zhuǎn)向生產(chǎn)更接近 iPhone 的產(chǎn)品。2008 年發(fā)布的 T-Mobile G1 也在 ARM 上運(yùn)行。它釋放出大量的 Android 設(shè)備，所有設(shè)備都匯集在具有單個(gè)大觸摸屏的黑色薄矩形的相同外形尺寸上。除了 iPhone 和 Android，所有其他智能手機(jī)平臺(tái)都被淘汰出局，非智能手機(jī)很快就絕跡了。

安卓的快速迭代

芯片故事圓滿結(jié)束

2008 年，Apple以 2.78 億美元的價(jià)格收購(gòu)了 PA Semi 。該公司雇用了 150 名工程師并設(shè)計(jì)了高能效的 PowerPC CPU。許多人想知道蘋(píng)果為什么要收購(gòu)一家 PowerPC 公司，尤其是在 2005 年蘋(píng)果將 Macintosh 從 PowerPC 轉(zhuǎn)移到英特爾 x86 處理器之后。

但 PA Semi 的工程師了解的不僅僅是 PowerPC。他們包括 DEC 的 Alpha 和 StrongARM 處理器的首席設(shè)計(jì)師，以及曾在 Intel 的 Itanium、AMD 的 Opteron 和 Sun 的 UltraSPARC 上工作過(guò)的人。蘋(píng)果買(mǎi)的是一些世界頂級(jí)的處理器設(shè)計(jì)專家。

這個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)秘密工作了兩年，直到 2010 年蘋(píng)果推出 iPad。它沒(méi)有使用三星的設(shè)計(jì)，而是運(yùn)行在名為“A4”的東西上，這是蘋(píng)果內(nèi)部設(shè)計(jì)的第一款 SoC（三星仍然制造該芯片）。它以 1 GHz 的速度運(yùn)行，并使用更新的 ARM Cortex A8 架構(gòu)作為起點(diǎn)。Cortex 設(shè)計(jì)從為第一款 iPhone 提供動(dòng)力的舊 ARM11 內(nèi)核進(jìn)行了重大升級(jí)。他們與最初的 ARM CPU 相差甚遠(yuǎn)！

插圖顯示工藝改進(jìn)如何在每個(gè)維度上將原始 ARM1 縮小 100 倍

A4 芯片的發(fā)布并沒(méi)有在 CPU 設(shè)計(jì)界引起任何轟動(dòng)。它被視為對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)芯片的常規(guī)改進(jìn)。例如，英特爾正忙于推廣其高端 x86 臺(tái)式機(jī)芯片，并試圖通過(guò)其基于 x86 的低功耗 Atom 重新進(jìn)入移動(dòng)芯片市場(chǎng)。其他芯片設(shè)計(jì)公司，如高通，在他們自己的基于 ARM 的 SoC 設(shè)計(jì)方面取得了巨大成功，這些設(shè)計(jì)被用于許多不同的 Android 產(chǎn)品。

但是這些新的 Apple 芯片發(fā)生了一件有趣的事情。A4 在 2011 年被 A5 取代，其 CPU 能力翻了一番并顯著提高了視頻芯片速度。明年的A6做了同樣的事情。然后，在 2013 年，A7 發(fā)布了。它是一個(gè)完全 64 位的 CPU，甚至擊敗了 ARM 本身，從 32 位過(guò)渡到 ARM。它有一個(gè) 64 位指令集，以及用作 iPhone 相機(jī)圖像處理器的新定制芯片。

在智能手機(jī)中安裝 64 位 CPU 似乎很可笑。手機(jī)真的需要超過(guò) 4 GB 的 RAM 嗎？但隨著時(shí)間的推移，這些爭(zhēng)論開(kāi)始變得越來(lái)越?jīng)]有意義。隨著 A7 讓位給 A8 再到 A12，這些移動(dòng)芯片的性能圖表發(fā)生了一些有趣的事情。

Apple 的 ARM 芯片的性能開(kāi)始趕上英特爾

正是2018 年 iPad Pro的發(fā)布，讓人摸不著頭腦。其 A12 仿生 CPU 的基準(zhǔn)測(cè)試表明，在某些基準(zhǔn)測(cè)試中，它比同類英特爾芯片更快（至少每個(gè) CPU 內(nèi)核）。這沒(méi)有任何意義。移動(dòng)芯片怎么可能比桌面芯片快？

答案是許多不同因素的結(jié)合。正如我們已經(jīng)看到的那樣，原始 ARM 設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性和優(yōu)雅性使這些芯片從一開(kāi)始就在性能方面——尤其是每瓦性能方面——占據(jù)優(yōu)勢(shì)。這種優(yōu)雅部分歸功于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) (RISC) 架構(gòu)，它具有更簡(jiǎn)單的 CPU 指令，并且比英特爾的復(fù)雜 (CISC) x86 芯片更少。

但這些年來(lái)，英特爾并沒(méi)有原地踏步。從 1995 年的 Pentium Pro 開(kāi)始，該公司添加了一組隱藏的類 RISC微操作。每次程序員向 CPU 發(fā)送一條常規(guī)的 x86 指令時(shí)，它都會(huì)在內(nèi)部翻譯成這些微操作。這意味著英特爾芯片的運(yùn)行速度幾乎與最強(qiáng)大的 RISC 芯片一樣快。x86 遺留包袱帶來(lái)的任何速度損失都被英特爾巨大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)所淹沒(méi)——到 2010 年，這家 CPU 巨頭每年銷售近 3 億個(gè) CPU。它已經(jīng)擊敗了其他 RISC CPU，如 SPARC、PowerPC 和 MIPS。甚至游戲機(jī)——不必太擔(dān)心各代之間遺留代碼的兼容性——到 2013 年也從 PowerPC 切換到 x86 芯片。

然而，全球智能手機(jī)市場(chǎng)的規(guī)模完全不同。世界上大部分地區(qū)仍然難以買(mǎi)得起 2,000 美元的個(gè)人電腦，但 200 美元的智能手機(jī)卻更容易獲得。結(jié)果，智能手機(jī)銷量出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，在 2010 年超過(guò)了 PC 銷量，并且再也沒(méi)有回頭。到 2018 年，每年售出近 15 億部智能手機(jī)。在英特爾放棄嘗試在智能手機(jī)中使用 Atom 之后，每款手機(jī)中都裝有 ARM 芯片。

隨著時(shí)間的推移，電腦和智能手機(jī)的銷量

現(xiàn)在，規(guī)模經(jīng)濟(jì)有利于三星和臺(tái)積電 (TSMC) 等移動(dòng)芯片制造公司。蘋(píng)果向臺(tái)積電投資數(shù)十億美元，并將其所有芯片制造業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到那里。從制造的角度來(lái)看，英特爾無(wú)法跟上。2020 年，英特爾承認(rèn)將不得不推遲從 10 納米 (nm) 工藝向 7 納米工藝的轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，臺(tái)積電躍升至 5 納米制造工藝。雖然工藝數(shù)字在這種規(guī)模上開(kāi)始失去意義，但有一點(diǎn)很清楚：智能手機(jī)芯片已準(zhǔn)備好引領(lǐng)性能。

在 2020 年 11 月，他們做到了。就在那時(shí)，Apple發(fā)布了用于 Macintosh 計(jì)算機(jī)系列的 M1 芯片。這些芯片震驚了計(jì)算世界——它們比最快的英特爾 x86 CPU 更強(qiáng)大，但它們消耗的功率只是其一小部分。ARM 一直是每瓦性能的贏家，但這些芯片完全是另一回事。

35 年后，ARM 又回到了原點(diǎn)。

它始于 1985 年，作為臺(tái)式電腦的芯片——尤其是 Acorn Archimedes。但當(dāng) Archimedes 未能占領(lǐng)市場(chǎng)時(shí)，ARM 芯片于 1990 年分拆成自己的公司。經(jīng)過(guò)緩慢的起步，ARM 成為嵌入式 CPU 市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)入流行的移動(dòng)設(shè)備，如 iPod、 Game Boy Advance，以及 iPhone 和 Android 等智能手機(jī)。現(xiàn)在，終于，它又回到了個(gè)人電腦中。

但 ARM 的靈活性意味著這些計(jì)算機(jī)不一定是昂貴的，就像蘋(píng)果公司銷售的那樣。2009 年，Raspberry Pi Foundation在最初的 ARM 芯片的發(fā)源地英國(guó)注冊(cè)成立。它的使命是繼續(xù)在教育中促進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)，就像 Acorn 的 BBC 計(jì)算機(jī)在 1980 年代所做的那樣。鑒于這個(gè)傳奇的血統(tǒng)，基金會(huì)只會(huì)選擇一個(gè)處理器。

第一個(gè) Raspberry Pi 于 2012 年發(fā)布。它是一個(gè)信用卡大小的單板計(jì)算機(jī)。Pi 配備了 ARM11 處理器、內(nèi)置內(nèi)存以及計(jì)算機(jī)所需的所有連接器：用于鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的 USB、耳機(jī)插孔、用于顯示器的 HDMI 和以太網(wǎng)。它還帶有一個(gè)“通用輸入輸出”或 GPIO 連接器，允許工程師輕松連接和控制燈、傳感器和電機(jī)。它花了 35 美元。隨后的模型變得更強(qiáng)大但并沒(méi)有更昂貴。

ARM 最初的使命，即為大眾提供計(jì)算能力，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

Raspberry Pi連接了一些閃爍的燈。

這一切意味著什么

2006 年，ARM 首席執(zhí)行官 Robin Saxby 退休。他計(jì)劃了一段時(shí)間。公司的狀況非常好，而且他對(duì) CEO 交接的管理也非常到位，消息傳出時(shí) ARM 的股價(jià)甚至連眼睛都沒(méi)有眨一下。

盡管走了一條意想不到的道路，但公司創(chuàng)始人的成功超出了他們最瘋狂的夢(mèng)想。我有一個(gè)關(guān)于為什么會(huì)這樣的理論。在我看來(lái)，這兩家公司似乎都有出色的工程師和卓越的技術(shù)，但管理風(fēng)格卻截然不同。不過(guò)，為了檢驗(yàn)我的想法，我必須找到一個(gè)在場(chǎng)并且了解 ARM 發(fā)生的一切事情的人。我需要和薩克斯比談?wù)劇?/p>

ARM 甚至將其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手視為潛在的合作伙伴——當(dāng)它幫助合作伙伴取得成功時(shí)，ARM 也從中受益。“因?yàn)榈轮輧x器 (TI) 沒(méi)有滿足諾基亞需求的理想處理器，”他說(shuō)，“所以他們有興趣進(jìn)行合作。” 這種合作導(dǎo)致 ARM 芯片成為手機(jī)市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。

ARM 芯片銷量隨時(shí)間變化。

審核編輯 ：李倩