中国为何没有Intel和ARM这样的芯片巨头？该揭开真相了

近几年ARM风光无限，抢新闻头条的能力不逊于Intel。

在很多圈外人看来，这家高科技公司好像是在移动互联网时代新冒出来的，但其实它的历史和几乎和80286一样古老。而且它自诞生以来，就以移动（portable）设备为自己首要的目标市场。它等待一飞冲天的风口，等待了二十年。

发端

前文提到，ARM是Acorn电脑公司创造的。

Acorn电脑公司创立于1978年，在80年代初，它用6502系列CPU制造的BBC Micro电脑在英国大获成功。6502的性能慢慢跟不上时代了，Acorn想基于80286开发新的电脑，但是Intel连样片都不给——要是Intel大方些，ARM或许根本就不会诞生。

Acorn一气之下开发了ARM（Acorn RISC Machine），这是世界上第一款定位中低端（而非服务器）RISC处理器。1985年，ARM1诞生（但从未被商用），后来Acorn在1986年和1990年分别推出了ARM2和ARM3，1987年推出了RISC OS和桌面电脑Archimedes。它在英国的教育市场获得了一定的成功，但1990年之后，很快被Wintel的生态击败了。

1990年前后，研发掌上电脑成为一股风潮。当时有家叫做Active Book的公司，拿ARM2处理器开发一个叫做Personal Communicator的产品。可惜产品上市前，Active Book被AT&T收购了，AT&T把ARM2换成了自家的Hobbit处理器。

幸好东方不亮西方亮，当时的苹果公司看好ARM，把自己研发的Newton平台中的处理器，由AT&T的Hobbit，换成了ARM。这个“彼此互换”的故事听起来让人头大，大家只需要记住，ARM的第一颗商用处理器ARM2，就曾被尝试拿来做手持的电脑。

ARM的东家是Acorn，和苹果在电脑市场上有竞争。苹果公司花了6周时间说服Acorn把ARM独立出来运营。1990年11月27日，合资公司ARM正式成立，苹果、Acorn和VLSI分别出资150万、150万、25万英镑，Acorn把ARM处理器相关的知识产权和12名员工放在了新成立的公司里。此后，ARM的缩写被转而解释为Advanced RISC Machine。

为了节省成本，新公司在剑桥附近租了一间谷仓作为办公室，全力为苹果的Newton研发ARM6处理器（4和5这两个编号被跳过去了）。

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。

渗透

2011年1月，微软在CES宣布要为ARM架构开发Windows 8 RT操作系统。在2012年年底，几乎和Intel芯手机上市的同时，包括微软自家的Surface RT在内的一大批二合一平板设备上市了。Windows 8 RT不支持所有之前为x86平台开发的应用程序，这成为它最大的软肋，相关的产品慢慢销声匿迹了。ARM渗透桌面市场的第一次尝试失败了。

最近微软和高通所推出的ARM芯的Windows 10，吸取了教训，用Eumlation的机制来支持旧有的x86桌面程序。这次尝试能否成功，我们拭目以待。

2009年，ARM推出了Cortex A9处理器，并且用40nm的工艺制造了双核的样片，跑到了2GHz。这是ARM第一次推出乱序超标量的处理器核，而乱序超标量是Intel实现高性能的关键技术，这是非常振奋人心的消息。2010年，Marvell推出了1.6GHz的4核A9的服务器芯片Armada XP。2013年，这款芯片被部署在百度的存储服务器上，这是ARM服务器第一次大规模商用。但Marvell并未继续推出新的服务器芯片。2011年，一家创业公司Calxeda采用Cortex A9，推出了共有480个CPU核的ARM服务器。但它的成就还不如Armada XP，2013年公司就倒闭了。

2012年，AMD收购了一家做高密度服务器的厂商SeaMicro，准备把它所采用的CPU核由Intel的Atom换成ARM架构的CPU。但直到2014年AMD才推出8核Cortex A57的服务器芯片Opteron A1100，之后从来也没有认真卖过它。2015年AMD就放弃了SeaMicro这个子品牌，不再做高密度服务器了。

ARM进攻服务器市场的第一次尝试失败了。Marvell和Calxeda都采用的是32位的ARM核，先天不足；AMD则三心二意，毕竟自己还有x86 Server的生意。另外服务器市场对于单核单线程的运算能力也有很高的要求，仅仅有低功耗和高通量（high throughput）是不够的。

在ARMv8这一64位指令集发布之后，Cavium和AppliedMicro这两家老牌网络芯片厂商不约而同地将自己原先芯片中的架构换成了ARMv8。因为产品的需要，Cavium和AppliedMicro都有自行设计处理器微架构的能力，前者做MIPS处理器，后者做PowerPC处理器。它们两家做ARMv8处理器时，也都采用了只授权指令集，微架构自研的模式。Cavium共推出过两代基于ARM的产品（2014、2016年），AppliedMicro推出过三代（2013、2015、2017年）。随着产品性能逐渐接近Intel的Xeon E5，它们渐渐不再满足于原先的网络领域，开始觊觎服务器市场。

最让人期待的还是高通的Centriq芯片，2015年年底量产24核版本，2016年年底量产升级48核版本，还得到了微软的强力支持。考虑到高通还和贵州成立了合资公司华芯通，Centriq很可能成为在国内大规模商用的第一款ARM服务器芯片。

另外具有国防背景的天津飞腾公司，也有ARM服务器芯片的产品，只是不知道这些产品何时能在通用市场上铺货。

其他确定在研发ARM Server芯片的大厂还包括Broadcom和华为，进度上要略慢一些。

ARM阵营对服务器发起的第二波冲击，阵容要强大得多豪华得多。因此ARM才敢于宣称，在2021年拿下25%的服务器市场份额。

要做好Server CPU，ARM架构还有些功课要一点一点补。多Socket服务器所需要的一致性协议，业界刚刚取得共识准备采用CCIX，但还没有具体的产品出来。做云端虚拟机所必备的虚拟化支持，ARM还有些性能问题。x86处理器提升Throughput的利器超线程技术，ARM阵营尚不能支持。Intel芯片近年来陆续增加的安全特性，也够ARM追赶一阵子的。但目前看来，ARM已经没有致命的短板，蚕食掉Intel的服务器市场份额是板上钉钉的事情，唯一的悬念是究竟多少份额？