說說手機中最核心的CPU公司ARM的來歷以及與華為海思的關係

1978年，一家名字叫cpu的公司，悄悄在英國劍橋誕生。

不要驚訝，這個CPU，和我們經常所說的電腦里那個CPU是兩回事。

CPU公司的全稱，是Cambridge Processor Unit，字面意思是「劍橋處理器單元」。

CPU公司的創始人，是一個名叫Hermann Hauser的奧地利籍物理學博士，還有他的朋友，一個名叫Chris Curry的英國工程師。

CPU公司成立之後，主要從事電子設備設計和製造的業務。

他們接到的第一份訂單，是製造賭博機的微控制器系統。

這個微控制器系統被開發出來後，稱之為Acorn System 1。

1979年，在經營逐漸進入軌道之後，這家公司給自己換了個名字，叫做Acorn Computer Ltd。

Acorn是什麼意思？橡子。

對，就是冰河世紀裡面，那隻松鼠一直在追的那個東東。

之所以叫Acorn，還有一個有趣的說法，就是因為他們想在電話黃頁里排在Apple（蘋果）公司的前面。

在Acorn System 1之後，他們又陸續開發了System 2、3、4，還有面向消費者的盒式計算機——Acorn Atom。

到了1981年，公司迎來了一個難得的機遇——英國廣播公司BBC打算在整個英國播放一套提高電腦普及水平的節目，他們希望Acorn能生產一款與之配套的電腦。

這個計劃非常宏大，英國政府也參與其中（購機費的一半將由政府資助），電腦一旦採購，將進入英國的每一間教室。

接下這個任務之後，Acorn就開始幹了起來。

結果，很快他們就發現，自己產品的硬體設計並不能滿足需求。

當時，中央處理器的發展潮流，正在從8位變成16位。

Acorn並沒有合適的晶片可以用。

一開始，他們打算使用美國國家半導體和摩托羅拉公司的16位晶片。

但是，經過評估後，他們發現了兩個缺陷：

第一，晶片的執行速度有點慢，中斷的響應時間太長。

第二，售價太貴，一台500英鎊的電腦，處理器晶片就占到100英鎊。

於是，他們打算去找當時如日中天的英特爾（INTEL），希望對方提供一些80286處理器的設計資料和樣品。

然而，英特爾冰冷地拒絕了他們。

備受打擊的Acorn公司，一氣之下決定自己干，自己造晶片。

（這個橋段是不是很熟悉？）

當時，Acorn公司的研發人員從美國加州大學伯克利分校找到了一個關於新型處理器的研究——簡化指令集，恰好可以滿足他們的設計要求。

在此基礎上，經過多年的艱苦奮鬥，來自劍橋大學的計算機科學家Sophie Wilson和Steve Furber最終完成了微處理器的設計。

前者負責指令集開發，後者負責晶片設計

對於這塊晶片，Acorn給它命名為Acorn RISC Machine。

嗯，這就是大名鼎鼎的「ARM」三個字母的由來。

Acorn是公司名稱，Machine是機器，那RISC是什麼意思呢？

前面說過，他們是基於「簡化指令集」技術做出的晶片。

RISC的意思，就是簡化指令集計算機，Reduced Instruction Set Computer。

注意！前方灰色字體高能預警，非技術控請直接跳過。

這裡解釋一下，到底「簡化指令集」有什麼意義。

它是相對於「複雜指令集（CISC，complex instruction set computer）」的一個概念。

早期的處理器都是CISC架構（包括英特爾的處理器），隨著時間推移，有越來越多的指令集加入。

由於當時編譯器的技術並不純熟，程序都會直接以機器碼或是組合語言寫成，為了減少程序的設計時間，逐漸開發出單一指令，複雜操作的程序代碼。

設計師只需寫下簡單的指令，再交給CPU去執行。

但是後來有人發現，整個指令集中，只有約20％的指令常常會被使用到，大約占了整個程序的80％；剩餘80％的指令，只占了整個程序的20％。

（典型的二八原則）

於是，1979年美國加州大學伯克利分校的David Patterson教授提出了RISC的想法，主張硬體應該專心加速常用的指令，較為複雜的指令則利用常用的指令去組合。

簡單來說，CISC任務處理能力強， 適合桌面電腦和伺服器。

RISC通過精簡CISC指令種類，格式，簡化尋址方式，達到省電高效的效果，適合手機、平板、數位相機等可攜式電子產品。

當時研發出來的第一款處理器晶片的型號，被定為 ARM1。

我們來對比一下ARM1和當時Intel的80286處理器（也就是常說的286）：

可以看出來，ARM1和80286各有所長。

但是，就在同一年，1985年10月，英特爾發布了80386。

在80386面前，ARM1就只有被吊打的份了。

32位，27.5萬個電晶體，頻率為12.5MHz，後提高到33MHz

讓ARM直接在性能上和x86系列硬槓，顯然是不現實的。

ARM有意無意地選擇了與Intel不同的設計路線——Intel持續邁向x86高效能設計，ARM則專注於低成本、低功耗的研發方向。

扯遠了，繼續回來說BBC要的那款電腦。

前面說了，BBC在1981年就提出需求，如果等到1985年ARM1出來，那豈不是黃花菜都涼了？

所以，在ARM1問世之前，Acorn其實已經提供了解決方案給BBC。

當時，Acorn的電腦，臨時採用了MOS 6502處理器（由MOS科技研發的8位微處理器）。

這款電腦一開始取名Proton，後來被改名為BBC MIcro。

到了 1984 年，大約80%的英國學校都配有這款電腦。

Acorn公司徹底在大英帝國老百姓面前刷了一把存在感。

後來，ARM處理器被研發出來之後，用在了BBC Micro的後續型號中。

在ARM1之後，Acorn陸續推出了好幾個系列，例如ARM2，ARM3。

時間又繼續往前推移。

1990年，Acorn為了和蘋果合作，專門成立了一家公司，名叫ARM。

LOGO可以說是相當簡潔了

注意，這裡的ARM是公司名稱，不是晶片名稱。

這個ARM的完全拼寫也不一樣，是Advanced RISC Machines。

前面的晶片名稱：Acorn RISC Machine

現在的公司名稱：Advanced RISC Machines

ARM是一家合資公司，蘋果投了150萬英鎊，晶片廠商VLSI投了25萬英鎊，Acorn本身則以150萬英鎊的智慧財產權和12名工程師入股。

儘管如此，ARM的起步還是比較寒酸。

他們最開始的辦公地點，是一個穀倉。

不過，穀倉的內部環境還算不錯。

在成立後的那幾年，ARM業績平平，工程師們也人心惶惶，害怕隨時都會失業。

在這個情況下，ARM決定改變他們的產品策略——他們不再生產晶片，轉而以授權的方式，將晶片設計方案轉讓給其他公司，即「Partnership」開放模式。

沒想到正是這種模式，開創了屬於ARM的全新時代。

注意！下面這段是重點！

ARM所採取的是IP（Intellectual Property，智慧財產權）授權的商業模式，收取一次性技術授權費用和版稅提成。

具體來說，ARM有三種授權方式：處理器、POP以及架構授權。

處理器授權是指授權合作廠商使用ARM設計好的處理器，對方不能改變原有設計，但可以根據自己的需要調整產品的頻率、功耗等。

POP（processor optimization pack，處理器優化包）授權是處理器授權的高級形式， ARM出售優化後的處理器給授權合作廠商，方便其在特定工藝下設計、生產出性能有保證的處理器。

架構授權是ARM會授權合作廠商使用自己的架構，方便其根據自己的需要來設計處理器（例如後來高通的KrAIt架構和蘋果的Swift架構，就是在取得ARM的授權後設計完成的）。

所以，授權費和版稅就成了ARM的主要收入來源。

除此之外，就是軟體工具和技術支持服務的收入。

對於半導體公司來說，授權費和版稅到底有多少呢？一次性技術授權費用在100萬-1000萬美元之間，版稅提成比例一般在1%-2%之間。

正是ARM的這種授權模式，極大地降低了自身的研發成本和研發風險。

它以風險共擔、利益共享的模式，形成了一個以ARM為核心的生態圈，使得低成本創新成為可能。

當ARM提出這種合作模式之後，開始了嘗試——

1991年，ARM將產品授權給英國GEC Plessey半導體公司。

1993年，ARM將產品授權給Cirrus LogIC和德州儀器（Texas Instruments，TI）。

與德州儀器的合作，給ARM公司帶來了重要的突破。

而且，也給ARM公司樹立了聲譽，證實了授權模式的可行性。

此後，越來越多的公司參與到這種授權模式中，與ARM建立了合作關係。

其中就包括三星、夏普、華為等公司。

在此基礎上，ARM堅定了授權模式的決心，並著手設計更多性價比高的產品。

1993年，蘋果公司推出了一款新型掌上電腦產品——Newton。

ARM公司開發的ARM6晶片被用於該產品之中。

現在被認為是PDA和智慧型手機的鼻祖

相信有不少人用過或見過

眾所周知，在喬幫主的帶領下，ipod取得了巨大的商業成功。

這還沒完，2007年，真正的劃時代產品出現了。

那就是iPhone。

蘋果iPhone的出現，徹底顛覆了行動電話的設計，開啟了全新的時代。

第一代iPhone，使用了ARM設計、三星製造的晶片。

Iphone的熱銷，App Store的迅速崛起，讓全球移動應用徹底綁定在ARM指令集上。

緊接著，2008年，谷歌推出了ANDROID（安卓）系統，也是基於ARM指令集。

至此，智慧型手機進入了飛速發展階段，ARM也因此奠定了在智慧型手機市場的霸主地位。

同年，ARM晶片的出貨量達到了一百億顆。

2011年，就連傳統Wintel聯盟（windows+intel）的微軟，也宣布Windows8平台將支援ARM架構。

實際的晶片型號並不止這些

ARM11晶片之後，也就是從ARMv7架構開始，ARM的命名方式有所改變。

新的處理器家族，改以Cortex命名，並分為三個系列，分別是Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M。

呵呵，發現了沒，三個字母又是A、R、M。

Cortex-A系列（A：Application）

針對日益增長的消費娛樂和無線產品設計，用於具有高計算要求、運行豐富作業系統及提供交互媒體和圖形體驗的應用領域，如智慧型手機、平板電腦、汽車娛樂系統、數位電視等。

Cortex-A系列

Cortex-R系列 （R：Real-time）

針對需要運行實時操作的系統應用，面向如汽車制動系統、動力傳動解決方案、大容量存儲控制器等深層嵌入式實時應用。

Cortex-R系列

Cortex-M系列（M：Microcontroller）

該系列面向微控制器領域，主要針對成本和功耗敏感的應用，如智能測量、人機接口設備、汽車和工業控制系統、家用電器、消費性產品和醫療器械等。

在普通用戶眼裡，ARM並不是一家知名的公司，但與ARM合作的公司卻幾乎全是全球知名科技企業大佬 ，其中包括蘋果、三星、高通、華為、英特爾、LG、飛利浦等等知名科技企業，而且這些企業都與ARM簽訂了硬體技術使用許可協議，各大企業從ARM公司購買ARM的微處理器核，根據自己的領域，加入自己的設計，從而形成自己的一套獨立的ARM微處理器核。

ARM的重要性不言而喻，很多企業都想將這一家重要的企業併入自己的旗下，使自己的ARM處理器得到最快的發展，但後來ARM還是被資金實力雄厚的日本軟銀集團收入囊中，現在的ARM已經是一家日資企業，而現在的ARM的主要收入依然是靠授權給各個晶片廠商收取授權費用以及一定的版稅來發展。

1991年，華為成立了自己的ASIC設計中心，專門負責設計「專用集成電路」（Application-specific integrated circuit，ASIC）。

當時的華為，創立僅僅四年，員工只有幾十人，資金非常緊張，一度瀕臨倒閉的邊緣。

奠定基業的C&C08數字程控交換機，還是三年後的事情。

這個ASIC設計中心的成立，意味著華為開始了IC設計的漫漫征途。

1993年，ASIC設計中心成功研發出華為第一塊數字ASIC。

隨後，分別在1996年、2000年、2003年，研發成功十萬門級、百萬門級、千萬門級ASIC。

總的來說，每一步都算是沉穩有力。

時間到了2004年10月，這時的華為，實力已今非昔比，銷售額達到462億人民幣，員工人數也達到數萬人。

有了一定底氣的華為，在ASIC設計中心的基礎上，成立了深圳市海思半導體有限公司，也就是我們現在經常說的——「華為海思」。

海思的英文名是HI-SILICON，其實就是HUAWEI-SILICON的縮寫。

SILICON，就是矽的意思。

眾所周知，矽是製造半導體晶片的關鍵材料。

矽這個詞，也成了半導體的代名詞。

一直以來，華為海思都是華為公司百分之百全資控股的子公司。

按華為海思內部某領導的說法，華為就是海思，海思就是華為。

因為華為海思和華為一樣沒有上市，很多信息都沒有公開披露，再加上行事低調的一貫風格，所以，就像籠罩了一層神秘的黑紗，多了很多神秘感。

外界對華為海思的了解總是十分片面，甚至有很多誤解。

說到華為海思，很多人都會首先想到華為手機現在普遍使用的麒麟（Kirin）處理器，例如華為P20手機的麒麟970晶片。

其實，華為海思雖然從事晶片的研發，但並不僅限於手機晶片。

準確地說，華為海思提供的是數字家庭、通信和無線終端領域的晶片解決方案。

通俗一點，就是手機晶片、移動通信系統設備晶片、傳輸網絡設備晶片、家庭數字設備晶片等，統統都做。

值得一提的，是安防監控領域。

在這個領域，華為海思經過十多年的深耕，全球市場份額甚至達到90%之多。

此外，華為海思高端路由器的晶片，也相當有競爭力。

華為2013年11月曾經發布過一款400G骨幹路由器產品（NE5000E-X16A），採用的是海思晶片SD58XX，比思科同類型產品都要早推出一年。

還是來具體說說，大家最熟悉也最關心的手機終端晶片吧。

首先，請看一下這個表：

這是華為海思麒麟系列晶片主要型號列表，列舉了各大型號麒麟晶片的關鍵參數和推出日期。

簡單介紹一下吧。

2009年，華為海思推出了第一款面向公開市場的手機終端處理器——K3。

這款處理器華為自己的手機沒有使用，而是打算賣給山寨機市場，和聯發科等晶片廠商進行競爭。

因為產品還不成熟，所以並沒有獲得成功。

2010年，蘋果自研的A4處理器在iPhone4上大獲成功，這也在一定程度上刺激了華為海思。

於是，在2012年，華為海思推出K3V2處理器。

這一次，華為把它用在了自家手機中，而且是定位旗艦的Mate 1、P6等機型。

不過，這顆處理器選擇了台積電40nm工藝製程，整體功耗高，兼容性非常差，很多遊戲都不兼容。

所以，用戶沒有接受，手機整體的銷量很差。

儘管如此，K3V2也算是一次勇敢的嘗試，為後續型號奠定了一定的基礎。

2013年底，華為海思推出了麒麟910。

這是他們的第一款SoC。

前面我們也提到了SoC，那麼，到底什麼是SoC？

SoC，就是System-on-a-Chip，也就是「片上系統」。

從通信目的來看，我們的智慧型手機通常由兩大部分電路組成：一部分是負責高層處理部分的應用晶片AP，相當於我們使用的電腦；另一部分，就是基帶晶片BP。

基帶晶片，相當於我們使用的Modem，手機支持什麼樣的網絡制式（GSM、CDMA、WCDMA、LTE等）都是由它來決定的。

打個比方，基帶晶片就相當於一個語言翻譯器，他會把我們要發送的信息（比如：語音，視頻），根據制定好的規則（比如：WCDMA，CDMA2000），進行格式轉換，然後發送出去。

基帶晶片並不僅僅是基帶部分，它還包括射頻部分（RF）。

基帶部分負責信號處理和協議處理，射頻部分負責信號的收發。

而廠家通常直接把射頻晶片和基帶晶片放在一個晶片裡面，物理上合一，統稱為基帶晶片。

然後呢，基帶晶片通常又會被整合到手機主處理晶片上，成為其中一部分。

高度集成化的 SoC 晶片

這個高度集成的手機主處理晶片，就是一塊SoC晶片。

SoC晶片相當於控制中樞，它既包括基帶晶片，也包括CPU（中央處理器晶片）、GPU（圖形處理器晶片）、其它晶片（例如電源管理晶片）等。

就以麒麟910為例，它的CPU是ARM的1.6GHz四核Cortex-A9，GPU是ARM的Mali-450，基帶晶片是自家的Balong710（巴龍710）。

介紹得這麼詳細，大家應該都看懂了吧？

雖然910是第一款華為海思的手機SoC晶片，但是因為性能和兼容性等方面的原因，還是沒有得到市場的認可。

直到2014年9月，麒麟925晶片推出，麒麟晶片才逐漸被大家所接受。

目前，經過一路的疊代，麒麟系列晶片已經發展到麒麟970，用在P20等華為旗艦機型上。

一直以來，華為採取的是麒麟晶片和自己旗艦手機進行綁定的戰略。

例如P7和麒麟910T，Mate7和麒麟925，P8高配版和麒麟935，Mate 9和麒麟960，乃至到Mate 10、榮耀10和麒麟970。

之所以這麼做，華為有很多方面的考慮。

一方面，早期的時候，麒麟晶片除了華為自己，根本就沒有人敢用。

如果不是自家訂單帶來的出貨量，麒麟晶片早就涼了。

另一方面，直接綁定自家旗艦手機，給麒麟晶片帶來很大的壓力。

這種倒逼的壓力，必定會迫使海思努力提升晶片性能和質量。

不過話說回來，這種綁定方式確實存在很大的風險，很可能一塊完蛋（前面說了，早期的時候K3V2就導致P6的失敗）。

但是，在堅定不移的決心之下，華為終究是贏得了這場冒險。

華為孤注一擲投入海思，並不是頭腦發熱。

現在來看，這種做法非常具有遠見。

結合最近發生的狀況，相信大家都同意吧？

屬於自己的晶片，到底意味著什麼？更低的研發和製造成本，更有底氣的議價能力，更可靠的供貨保障。

每一條，都讓現在無數手機廠家羨慕嫉妒恨。

可以說，華為海思晶片，已經成為華為掌握競爭主動權的「逆天神器」。

任教主六年前說的那句話，也就成了大家拍案叫絕的神奇預言：

「……（晶片）暫時沒有用，也還是要繼續做下去。

一旦公司出現戰略性的漏洞，我們不是幾百億美金的損失，而是幾千億美金的損失。

我們公司積累了這麼多的財富，這些財富可能就是因為那一個點，讓別人卡住，最後死掉。

……這是公司的戰略旗幟，不能動掉的。

」

晶片是一個高度垂直分工的產業，從設計、製造、到封裝測試，每一個環節，都有相關領域的公司在負責。

除了英特爾之外，世界上很少有集成電路廠家能獨立完成晶片的全流程設計製造。

華為海思顯然也不具備所有的晶片能力。

嚴格來說，華為海思只是一家負責晶片設計的公司。

它完成晶片設計之後，也是要交給晶圓代工企業台積電進行製造的。

不知道大家有沒有注意到，通常行業內進行晶片企業排名的時候，都會進行分類。

像華為海思這樣的公司，會被稱為「無晶圓半導體設計公司」，被分在Fabless公司類。

在半導體晶片行業，企業的模式主要分三種：IDM、Fabless，Foundry。

1、有的公司，從設計，到製造、封裝測試以及投向消費市場一條龍全包，被稱為IDM(Integrated Design and Manufacture)公司，例如英特爾Intel。

2、有的公司，只做設計這塊，是沒有fab（工廠）的，通常就叫做Fabless（無工廠），例如ARM、AMD、高通、華為海思等。

3、而還有的公司，只做代工，只有fab，不做設計，稱為Foundry（代工廠），例如台積電等。

下面這個圖，是2017年全球排名前十的Fabless企業榜單。

裡面就有中國的華為海思和紫光入榜。

華為海思營收47.15億美元，增長21%，排名第7。

排名第一的，是高通（Qualcomm）。

即使只從設計的角度來看，華為海思也不可能是完全獨立自主，從零開始。

華為海思購買了ARM的設計授權。

之前介紹ARM的文章中，和大家解釋過，ARM是專門做晶片設計的。

它的商業模式，就是出售IP（Intellectual Property，智慧財產權）授權，收取一次性技術授權費用和版稅提成。

全世界很多企業都購買ARM的授權，並在此基礎上進行設計。

無論是在晶片的指令集上，還是晶片的設計以及代工上，都需要有技術實力和雄厚的資本來支撐，在40納米、28納米的工藝流片上，很多國、內外廠商都在做，包括國內的展訊、全芯、芯微、國外的德州儀器、飛思科，後來的小米也開始設計28納米的晶片，但這些企業幾乎都止步於28納米的設計，而到了10納米以後，就連聯發科和英偉達都不敢再涉入，現在也就只有蘋果、三星、高通和華為四家企業了。

大家也要知道，完全拋開ARM，對於現在的市場格局來說，即使做得到，也是沒有商業價值的。

因為整個行業很多軟體都是基於ARM指令集的，已經形成了生態。

如果脫離生態製造出獨有的晶片，是沒有軟體可用的。

用這種晶片的手機，也只能是板磚一塊而已。

好了，關於華為海思，差不多就介紹到這。

總而言之，對於華為來說，創辦海思，自研晶片，無疑是一件正確的事情。

但是，對於國家和產業來說，一兩家海思肯定是不夠的。

我們需要更多的晶片企業，需要更完整的晶片生態。

即便如此，我們也要小心，不能情緒衝動，盲目開干。

晶片之路，註定是漫長而艱辛的，相比於短期的情緒衝動，我們更需要持續的理性和耐心。

畢竟，能成功跑到終點的，才是最後的贏家。

整理 晶片春秋——ARM傳及小棗君