理论教育 安谋架构:探寻微处理器市场独占的背后

安谋架构:探寻微处理器市场独占的背后

时间:2023-05-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:尽管安谋架构从20世纪90年代就基本占据了普通手机的微处理器架构市场,主流媒体对该公司的关注却是从2007年苹果智能手机iPhone才开始。事实上,苹果公司从2001年推出第一代音乐播放器iPod起就采用了安谋架构三星制造的微处理器,后来iPhone采用了同样的方式。安谋的崛起要追溯到英国的橡果计算机公司。VLSI公司同时成为安谋公司第一个微处理器授权制造商。

安谋架构:探寻微处理器市场独占的背后

尽管安谋架构从20世纪90年代就基本占据了普通手机的微处理器架构市场,主流媒体对该公司的关注却是从2007年苹果智能手机iPhone才开始。事实上,苹果公司从2001年推出第一代音乐播放器iPod起就采用了安谋架构三星制造的微处理器,后来iPhone采用了同样的方式。iPod和iPhone的风靡全球使得安谋公司也成为主流媒体关注的对象。

安谋的崛起要追溯到英国的橡果计算机公司。有英国的“苹果公司”之称的橡果计算机公司(Acorn Computers)是工程师出身的克里斯·柯利(Chris Curry)和物理学家赫尔曼·豪泽(Hermann Hauser)于1978年在英国剑桥创立的。

公司成立不久,遇到1980年英国广播公司为推进学生的计算机教育而面向全国招标,希望生产一款适合教学使用的个人计算机,结果橡果计算机公司中标。1981年橡果计算机公司研制的第一款BBC Micro上市,成为英国80—90年代教育领域的最流行计算机。1983年橡果计算机公司在英国上市,市值达1.35亿英镑,柯利和豪泽两人也因此发财。但橡果计算机公司在教育计算机产业领域的成功并没有让柯利和豪泽满足。

1981年,IBM PC上市后给美国和欧洲企业所带来的冲击让它们看到了商业计算机的广阔前景,于是橡果计算机公司决定在BBC Micro的架构基础上研制出一款商用计算机。一开始他们试图像苹果公司那样,使用摩托罗拉的微处理器来配置新计算机。但是橡果计算机公司的工程师罗杰·威尔逊(Roger Wilson)[12]史蒂夫·菲布尔(Steve Furber)等人花了很长时间也没有从市场上找到能够满足新机型在架构和图形界面等各方面的要求的合适的微处理器。这时米德和康维的超大规模集成电路设计革命正在美国各大院校如火如荼地展开。威尔逊他们在调查过程中恰好读到了加州大学伯克利分校的一群师生自行设计32位微处理器的技术论文,于是威尔逊他们也产生了用新方法自主设计一款微处理器的想法。后来他们参观了DEC的西部研究中心,发现设计微处理器其实并不需要很多的资源,这就坚定了他们的信心。不久,威尔逊就研究了精简指令集设计思想并编写了一个虚拟的微处理器来测试精简指令的执行效果,其他的工程师在威尔逊的影响下也认为这是一个正确的方向。1983年在得到了豪泽的首肯后ARM(Acorn RISC Machine)项目正式在公司内部立项。到1987年为止橡果计算机公司在该项目上共投资了500万英镑[13]

1985年4月26日,威尔逊他们设计出的第一个精简指令微处理器(ARM1)通过硅谷的合作伙伴晶圆代工VLSI Technology公司生产出来,一次运行成功,成为世界上第一个商用精简指令微处理器。这时威尔逊他们或许还没有意识到,他们已经跟美国同行一起走上了一条有别于英特尔的将微处理器的设计和研发分开进行的道路[14]。只不过美国的那一批创业人后来在与英特尔和微软联盟的竞争中一直没有取得市场主动权,橡果计算机公司则通过与苹果公司的合作,然后又借助欧洲和亚洲普通手机产业的发展而将这一模式发扬光大。

威尔逊他们将AMR1微处理器设计成橡果计算机的辅助微处理器,该处理器的添加使得他们在研制第二代微处理器(ARM2)时能够让辅助设计软件CAD在橡果计算机上更快地运行。后来他们又开发了橡果商用计算机其他芯片的虚拟软件来更好地设计未来的微处理器,整个芯片虚拟系统开发出来后,橡果计算机公司开始将这一软件产品和橡果计算机一起推销给软件编程人员使用。威尔逊还通过ARM汇编语言为该系统开发了BBC Basic语言。1992年橡果C/C++编程语言也被开发出来,使得开发人员可以编写自己的应用程序。通过对这套微处理器虚拟测试系统的不断完善,威尔逊他们在这条设计与生产的分工道路上又前进了一大步,因为他们此时已经逐渐建立了一套基于精简架构的微处理器设计平台。该平台可以根据不同客户需求提供各种微处理器设计方案,最终形成可以与英特尔x86系统匹敌的另一套微处理器架构,不过这是十几年以后的事了。

1987年,橡果计算机公司推出了第一款以ARM微处理器为核心的个人计算机阿基米德(Acorn Archimedes)。该计算机成为当时唯一使用精简指令集的个人计算机,其速度超过使用摩托罗拉68000微处理器的同类计算机,后者是早期苹果计算机配置的微处理器[15]

20世纪80年代精简指令集技术的出现和橡果计算机公司阿基米德计算机的推出引起了苹果公司ATG(Advanced Technology Group)部门工程师汤姆·皮塔德(Tom Pittard)[16]和保罗·加瓦里尼(Paul Gavarini)的注意。1986年,他们两人在负责研发以苹果二号为原型的魔比斯计算机(Möbius)时发现使用精简指令集的ARM芯片能够显著提高程序运行速度。尽管后来因为麦金塔计算机的上市,苹果公司取消了魔比斯计划,这个项目为后来苹果公司投资ARM埋下了伏笔。

1987年,苹果公司开始研发牛顿个人数字助理(PDA),也就是后来的掌上电脑。牛顿PDA需要一款低能耗和高运算速度的微处理器。在皮塔德和加瓦里尼的推荐下,苹果公司相中了ARM微处理器。于是1990年11月,橡果计算机公司、苹果公司和橡果计算机公司在硅谷的合作伙伴VSLI科技共同投资,将负责研发ARM的项目小组分割出来,成立了安谋国际科技有限公司(Advanced RISC Machines)公司。苹果公司给新公司投资300万美元,橡果计算机公司则将ARM相关的知识产权和12个工程师从橡果计算机公司分割出来,作为价值300万美元的对等投资,这样两家公司各自占新公司43%的股份。其余的股份由VLSI公司以50万美元的投资获得。VLSI公司同时成为安谋公司第一个微处理器授权制造商。

安谋成立之初因为人数和资金的限制不可能像英特尔那样自己研制和生产芯片,于是仍旧采取给其他公司设计精简指令集芯片,然后授权给对方使用的发展模式。它的第一个客户就是苹果公司的牛顿掌上电脑。不久他们就为牛顿项目设计了ARM 610微处理器。尽管该款处理器因为牛顿产品本身过于野心勃勃的功能规划而未能打开市场,却为安谋后来与苹果公司合作研发iPod与iPhone微处理器积累了宝贵的经验。(www.daowen.com)

安谋公司在成立后的最初三年一直陷于亏损状态,后来通过授权给英国的GEC Plessey半导体公司、美国的得州仪器、韩国的三星等半导体生产商,在1993年实现了扭亏为盈。安谋公司的商业模式逐渐得到了市场的肯定,开始借着手机产业发展的东风迅速成长起来。因为安谋可以通过提供相对完整的微处理器设计架构,需要研发自己系统的生产商可以方便和迅速地使用该系统来设计新的微处理器以及其他相关的配套芯片,所以这一模式得到了手机生产商的青睐。

20世纪90年代初期,非智能手机开始在世界各地流行起来,其中以欧洲和亚洲的发展最为迅速。由于手机对微处理器的低能耗的要求很高,所以安谋的精简指令架构成为设计手机微处理器的理想架构。1994年,随着世界范围内手机市场的蓬勃发展,安谋公司的ARM7TDMI微处理器设计被诺基亚、摩托罗拉和得州仪器等多家手机生产商所采用,成为后来全世界绝大多数手机微处理器的鼻祖,安谋公司也就此进入了高速发展阶段[17]

1998年,安谋公司在伦敦证券交易所和美国的纳斯达克证券交易所上市。2001年当第三代移动通信技术出现时,根据安谋架构设计的微处理器占据了精简指令微处理器76.8%的市场份额。2007年在苹果公司的iPhone还没有上市之前,世界上正在使用的10亿多个手机中有98%的手机中至少有一枚芯片采用安谋架构设计。

尽管安谋公司的精简指令架构通过手机的流行而风靡全球,但是主要局限在欧洲和亚洲。微软和英特尔仍然控制了北美信息技术产业的发展脉搏。除了少数大型机外,以复杂指令集(CISC)为架构的x86微处理器一直占据各种中低端计算机微处理器的统治地位,这一局面直到北美智能手机市场的出现并走向成熟后才开始逆转。

所谓智能手机其实是具备手机功能的掌上电脑。以摩尔定律为主导的计算机硬件制造技术用了20年的时间将20世纪60年代大型机缩小到80年代的个人计算机,然后又花了差不多同样长的时间把个人计算机缩小到我们可以装在口袋里的智能型手机。而建立在这些基础硬件之上的电子商务内容和模式也随之产生一系列的变化,导致了一批公司的消失和另一批公司的崛起。以智能手机为代表的移动计算从20世纪90年代悄悄萌芽,到2007年通过苹果公司的苹果手机进入独立发展阶段之前,它的发展轨迹分布于两条不同的路径:在手机方面是多功能手机的发展;在计算机方面是掌上电脑的出现。这两条轨迹在2007年通过乔布斯的巧妙结合,产生了iPhone智能手机这一主导设计。

从20世纪80年代开始逐渐形成规模的普通手机市场长期以来主要注重在硬件的效率和成本控制方面进行竞争,手机制造商不是靠手机使用者,而是靠电信服务商提供的补贴来发展。一款新型的手机一般只有6~9个月的市场生命期。90年代中期,芬兰的诺基亚公司通过新颖硬件外观设计和友好的使用界面而逐渐成为全球最大的普通手机生产商,占据超过1/3的世界市场份额。其他的主要制造商包括摩托罗拉、三星、索尼爱立信和韩国乐金(LG)。

最早将普通手机向多功能方向发展的是IBM。IBM在1992年的拉斯维加斯Comdex上介绍了多功能手机的概念产品西蒙。1993年,南方贝尔和IBM合作根据该概念性产品推出了第一款原始多功能手机,除了可以打电话外,它还包含日历、地址本、世界时间、计算器、笔记本、电子邮件、游戏以及收发传真功能。除此以外,它的用户界面也设计为非物理的软键盘,具备了我们现在使用的智能手机的最基本功能。这台重量接近一斤的手机当时的售价是899美元,如果使用两年的南方贝尔的手机电话服务的话,则可以免费获得。但是该产品没有取得市场成功,除了昂贵的费用外,笨重的设备和简单的功能也很难吸引购买者的兴趣。

在西蒙推出三年后的1995年,诺基亚公司也在这个方向上做出了尝试,通过与惠普的合作推出了与西蒙功能类似的9000款多功能手机。9000与西蒙相比,外观更像一个手机,将其普通手机键盘翻开就会出现一个缩小了的计算机键盘和屏幕。尽管这一款手机携带起来也比较笨重,但比西蒙在重量和体积上要轻一些。由于当时互联网已经流行,9000添加了以文本形式浏览互联网的功能。从那时起全球的手机生产商都已经开始关注这一市场,并开始了竞争。在芬兰的诺基亚推出9000一年后,瑞典的爱立信也推出了与9000基本类似的概念型多功能手机GS88。

多功能手机的发展由于受到手机设计理念的限制,无法在运算速度和内存上取得突破,所以在很大程度上只是增添一些点缀性的功能。与之形成对比的是,智能手机的另一条发展路径——个人数字助理(Personal Digital Assistant,PDA),后者虽然没有电话功能,但是在系统的功能扩展上充满创新并且发展迅速。

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