【译】ARM 的历史——第三部分：兜兜转转

原博客共分为三篇，原文链接如下：

1. https://arstechnica.com/gadgets/2022/09/a-history-of-arm-part-1-building-the-first-chip/

2. https://arstechnica.com/gadgets/2022/11/a-history-of-arm-part-2-everything-starts-to-come-together/

3. https://arstechnica.com/gadgets/2023/01/a-history-of-arm-part-3-coming-full-circle/

   在我们的系列压轴文章中，ARM 实现了将计算能力带给大众的目标。

就像 ARM 的许多故事一样，它始于苹果公司。

史蒂夫-乔布斯凯旋而归，回到了他共同创立的公司。1998 年，苹果公司发布了色彩斑斓的橡皮泥 iMac，与微软达成了一项协议，并出售了 ARM 股票，使公司从濒临破产的困境中重新站稳了脚跟。但苹果公司的 "iCEO "仍在寻找下一件大事。

乔布斯为 iMac 配备了名为 FireWire 的新型连接器，可以快速传输视频和声音。当时，一种名为 MP3 的文件格式正在流行，电脑用户可以在电脑上共享音乐，一些公司已经开始生产便携式 MP3 播放器。但这些设备的存储空间很小，USB 1.0 传输速度很慢，软件也很糟糕。乔布斯痴迷于制造播放器的想法，几乎把所有时间都投入到这个项目中。

苹果公司与一家名为 PortalPlayer 的公司合作，后者一直在开发自己的播放器。硬件采用定制的 ARM 芯片 PP5502。这是一个芯片上的系统，具有双 ARM7 内核，运行频率为 90 MHz，板载内存为 32MB。主板上唯一的其他大型芯片是火线控制器。ARM 许可的灵活性使得设计带有用于 MP3 解码等功能的定制电路的 CPU 变得非常容易。

有多容易？我的一位熟人约翰-希姆斯博士（Dr. John Sims）向我讲述了大约在同一时期另一家 MP3 播放器公司的故事。一位工程师仅用了六个月的时间就在标准 ARM 设计中添加了数字信号处理器 (DSP)。另一家竞争对手公司从零开始制造芯片，而不是与 ARM 合作，该公司有 60 名工程师，项目耗时是 ARM 的三倍。

iPod 于 2001 年面世，在推出与 Windows 兼容的版本后，这款小巧的音乐播放器成为行业标准。在该设备的巅峰时期，iPod 每年的销量超过 5000 万台。当人们为它的界面、易用性和标志性的白色耳机着迷时，大多数人并没有意识到 iPod 实际上是一台微型电脑。它有中央处理器、内存、微型硬盘和操作系统，其触摸轮和按钮就像一个小鼠标和键盘。它甚至还有一个位图显示屏，可以玩简单的游戏。

说到游戏，ARM 在 2001 年的第二个大赢家是任天堂的 Game Boy Advance。作为原始 Game Boy 的后继机，它配备了 16.8 MHz ARM7 内核和嵌入式内存。它还配备了夏普 LR35902，可与旧系统兼容。就连便携式游戏机也开始从 CISC 芯片向 RISC 芯片过渡。

人人都能使用的掌上电脑

iPod 只是移动世界划时代变革的开始。苹果公司曾与摩托罗拉公司合作，在 ROKR 翻盖手机中植入 iPod，但这一奇特的合作最终以失败告终。

该项目始于 2004 年。乔布斯并不确定正确的方法是将 iPod 升级为手机，还是将 Macintosh 的 OS X 操作系统剥离出来，让它在移动设备上运行。为了解决这个问题，乔布斯让竞争对手的团队同时研究这两种方法。托尼-法德尔的 iPod 团队经验丰富，但他们面对的是摩尔定律的错误方向。

与 1985 年的第一个版本相比，ARM 芯片已经有了长足的进步。该芯片拥有 27000 个晶体管，采用 3 微米工艺生产。这意味着晶体管和导线的宽度大约为 0.000003 米，即 0.003 毫米。这看起来似乎很小，但硅芯片制造技术的进步意味着，到 2006 年，芯片代工厂开始使用 90 纳米工艺。这使得相同尺寸的芯片上可以安装更多的晶体管，包括大量的高速缓冲存储器。这也意味着芯片可以以更高的时钟速度运行。

相比之下，软件的改进要慢得多。软件的编写和测试都需要时间，而且每推出一项新功能，都不可避免地会出现大量错误。因此，等待摩尔定律推出可运行现有 OS X 软件的移动芯片，实际上比在 iPod 的简易操作系统中添加所有必要功能更快。乔布斯决定采用精简的 OS X 方法。但谁来生产芯片仍然是个问题。

乔布斯问英特尔公司首席执行官保罗-奥特里尼（Paul Otellini）是否愿意竞标为苹果即将推出的手机生产芯片。当时，这家制造业巨头正依靠为基于 Windows 的计算机提供动力的台式机 x86 CPU 的销售业绩一路高歌猛进。不过，英特尔还拥有一项基于 ARM 的业务，即 1998 年从数字设备公司（DEC）收购的 XScale。因此，英特尔本可以轻松满足苹果的要求。

但奥特里尼拒绝了这一提议。他计算了一下，苹果愿意为每个 CPU 支付的最高金额低于英特尔生产 CPU 的成本，而且他也不确定苹果手机的销量是否会很高。另外，他对支持 XScale 感到紧张，尤其是英特尔正在开发即将推出的低功耗 x86 版本 Atom。2006 年，他加倍支持 x86，并出售了 XScale 部门。

这其中有某种讽刺意味。DEC 当初出售 ARM 业务是因为需要钱。之所以需要钱，是因为英特尔正在摧毁 DEC 的微型计算机和工作站市场。基于 x86 的个人电脑价格更低，产量更高，随着时间的推移，这些大型计算机的竞争力越来越弱。现在，英特尔放弃了同样的移动芯片部门，转而专注于台式机。

在英特尔拒绝了这笔交易后，苹果转向了三星。这家韩国企业集团同意为苹果即将推出的手机生产功能强大的新型 ARM 芯片。这就是 S5L8900，一款配备 ARM11 内核的 SoC，运行频率为 412 MHz（超频！），128MB 内存，最高 16GB 存储容量，集成 PowerVR MBX Lite 3D 图形处理器。这是一款非凡的芯片，让人想起 1991 年的 ARM 250 “芯片上的阿基米德”，但其强大的功能足以成为世纪之交的台式机的核心。

但它不是台式机。它是一部手机，而且是一部革命性的手机。2007 年 1 月 9 日，乔布斯在 Macworld 大会上发布了 iPhone。今天重温这一发布，感觉就像是历史的转折点。奇怪的是，乔布斯花了很多时间强调 iPhone 实际上是三种设备：手机、iPod 和互联网通讯器。

现在没有人会这样形容 iPhone 了。 它就是一台可以放进口袋的电脑。大型计算机有房间那么大，微型计算机有冰箱那么大，而微型计算机则有烤面包机那么大。这些新设备很容易被称为纳米计算机。我们却称之为智能手机，尽管很多人已经很少使用手机的部分。

消息发布后，谷歌的安卓子公司迅速改变了产品计划，从生产黑莓手机的克隆版转向生产更接近 iPhone 的产品。2008 年发布的 T-Mobile G1 也采用了 ARM 技术。它引发了大量 Android 设备的涌现，所有这些设备都采用了相同的外形设计，即一个薄薄的黑色长方形，配备一个大尺寸触摸屏。除了 iPhone 和安卓，其他所有智能手机平台都被淘汰出局，而非智能手机的手机也很快绝迹。

芯片的循环

2008 年，苹果公司以 2.78 亿美元收购了 P.A. Semi 公司。该公司拥有 150 名工程师，设计高能效的 PowerPC CPU。很多人不明白苹果公司为什么要收购一家 PowerPC 公司，尤其是苹果公司在 2005 年已经将 Macintosh 从 PowerPC 处理器过渡到英特尔 x86 处理器。

但是，PA Semi 公司的工程师们了解的不仅仅是 PowerPC。他们包括 DEC Alpha 和 StrongARM 处理器的首席设计师，以及曾参与英特尔 Itanium、AMD Opteron 和 Sun UltraSPARC 开发的人员。苹果公司购买的是一些世界顶级的处理器设计专家。

这个设计团队秘密工作了两年，直到 2010 年苹果推出 iPad。iPad没有使用三星的设计，而是采用了一种名为 "A4 "的处理器，这是苹果公司内部设计的第一款系统芯片（三星仍在生产该芯片）。它的运行速度为 1 GHz，并以较新的 ARM Cortex A8 架构为起点。与为第一代 iPhone 提供动力的老式 ARM11 内核相比，Cortex 设计有了大幅升级。 与最初的 ARM CPU 相比，它们有了长足的进步！

A4 芯片的亮相并没有在 CPU 设计领域引起任何轩然大波。人们认为它只是对现有移动芯片的普通改进。例如，英特尔正忙于推广其高端 x86 桌面芯片，并试图通过基于 x86 的低功耗 Atom 芯片重新进入移动芯片市场。其他芯片设计公司，如高通公司，则在自己基于 ARM 的 SoC 设计上取得了巨大成功，并将其应用于许多不同的安卓产品中。

但有趣的事情发生了。2011 年，A4 芯片被 A5 芯片取代，CPU 性能翻了一番，视频芯片速度也大幅提升。第二年的 A6 也做了同样的事情。随后，A7 于 2013 年发布。这是一款完全 64 位的 CPU，甚至超越了 ARM 自身从 32 位的过渡。它拥有 64 位指令集，以及全新的定制芯片，可用作 iPhone 摄像头的图像处理器。

在智能手机中安装 64 位 CPU 似乎有些可笑。手机真的需要超过 4GB 的内存吗？但随着时间的推移，这些论点开始变得越来越不合理。从 A7 到 A8，再到 A12，这些移动芯片的性能图谱发生了一些有趣的变化。

2018 年发布的 iPad Pro 才让人们挠头不解。对其 A12 Bionic CPU 的基准测试表明，在某些基准测试中，它的速度（至少每个 CPU 内核）比同类英特尔芯片更快。这完全说不通。移动芯片怎么可能比台式机芯片更快？

答案是多种不同因素的综合作用。正如我们已经看到的，ARM 原始设计的简洁和优雅使这些芯片从一开始就在性能–尤其是每瓦特性能–方面占尽优势。这种优雅部分归功于精简指令集计算机（RISC）架构，与英特尔复杂（CISC）的 x86 芯片相比，该架构的 CPU 指令更简单、数量更少。

但这些年来，英特尔并没有停滞不前。从 1995 年的奔腾 Pro 开始，英特尔增加了一套类似 RISC 的隐藏微操作。程序员每次向 CPU 发送普通 x86 指令时，都会在内部将其转换为这些微操作。这意味着英特尔芯片的运行速度几乎与最强大的 RISC 芯片相当。到 2010 年，CPU 巨头英特尔每年的 CPU 销量接近 3 亿个。它已经击败了 SPARC、PowerPC 和 MIPS 等其他 RISC CPU。到 2013 年，甚至连游戏机也从 PowerPC 芯片转向了 x86 芯片，因为游戏机不必担心各代产品之间的遗留代码兼容性问题。

然而，全球智能手机市场的规模却完全不同。世界上大部分人仍然难以负担 2000 美元的个人电脑，但 200 美元的智能手机却更容易买到。因此，智能手机销量出现爆炸式增长，2010 年超过个人电脑销量，从此一发不可收拾。到 2018 年，智能手机的年销量接近 15 亿部。在英特尔放弃在智能手机中使用 Atoms 芯片之后，每部智能手机都采用了 ARM 芯片。

现在，规模经济有利于三星和台湾半导体制造公司（台积电）等移动芯片制造公司。苹果公司向台积电投资数十亿美元，并将其所有芯片生产转移到台积电。从制造的角度来看，英特尔无法跟上。2020 年，英特尔承认不得不推迟从 10 纳米工艺向 7 纳米工艺的转移。与此同时，台积电跃升至 5 纳米制造工艺。虽然在这种规模下，工艺数字开始失去意义，但有一点是明确的：智能手机芯片已经准备好在性能上领先。

2020 年 11 月，他们做到了。就在那时，苹果公司发布了 Macintosh 电脑系列的 M1 芯片。这些芯片震惊了计算世界–它们比最快的英特尔 x86 CPU 性能更强，但功耗却只有它们的一小部分。ARM 一直是每瓦性能的赢家，但这些芯片却完全不同。

我买了一台基于 M1 的 MacBook Pro，感觉它是第一台名副其实的笔记本电脑。当我带着它上班时，我甚至懒得带充电器。无论我运行什么程序，风扇都不会亮，电池也不会耗尽。这种级别的芯片不可避免地也将用于 Windows 笔记本电脑。到那时，英特尔的麻烦可就大了。

经过 35 年的发展，ARM 已经走过了一个完整的历程。ARM 起源于 1985 年的台式电脑芯片，特别是 Acorn Archimedes。但由于阿基米德未能占领市场，ARM 芯片在 1990 年被分拆成自己的公司。经过缓慢的起步，ARM 成为了嵌入式 CPU 市场的标准，并进入了 iPod、Game Boy Advance 等流行的移动设备以及 iPhone 和 Android 等智能手机。现在，它终于又回到了个人电脑中。

但是，ARM 的灵活性意味着这些电脑并不一定需要像苹果公司销售的电脑那样昂贵。2009 年，Raspberry Pi 基金会在 ARM 芯片的原产地英国注册成立。它的使命是继续在教育领域推广计算机科学，就像橡果公司的 BBC 计算机在 20 世纪 80 年代所做的那样。鉴于这一历史渊源，基金会只能选择一种处理器。

第一台 Raspberry Pi 于 2012 年发布。这是一款单板计算机，只有信用卡大小。Pi 配备了 ARM11 处理器、内置内存和计算机所需的所有接口： 用于连接鼠标和键盘的 USB 接口、耳机插孔、用于连接显示器的 HDMI 接口和以太网接口。它还配备了一个 “通用输入输出” 或 GPIO 连接器，让工匠们可以轻松连接和控制灯、传感器和电机。它的售价为 35 美元。后来的型号功能越来越强大，但价格并不昂贵。ARM 最初的使命–将计算能力带给大众–已经实现。

这一切意味着什么

2006 年，ARM 首席执行官罗宾-萨克斯比退休了。他早有预谋。当时公司的状况非常好，他也很好地完成了首席执行官的交接工作，以至于消息传出时，ARM 的股价连眼睛都没眨一下。

我写计算机历史的文章已经很多年了，我注意到的一点是，卓越的技术很少能在市场上获胜。同样是在 1985 年发布的 Amiga 电脑，领先时代 10 年之久，但其母公司倒闭，该平台从此一蹶不振。

ARM 的情况则截然不同。虽然它走上了一条意想不到的道路，但公司创始人却取得了超乎想象的成功。对于为什么会出现这种情况，我有一个理论。在我看来，两家公司都拥有杰出的工程师和卓越的技术，但管理风格却大相径庭。不过，为了验证我的想法，我必须找到一个亲历者，他对 ARM 的一切都了如指掌。我需要和萨克斯比谈谈。

萨克斯比很高兴与我交谈，而且非常慷慨。他讲述了自己如何来到 ARM 的故事，以及作为一名工程师，他是如何与 12 名创始工程师一拍即合的。他开玩笑说，为了节省开支，他挑选了一些特殊的工程师来担任关键职位，比如市场总监和销售总监。但事实上，他觉得教好的工程师如何销售更容易，而不是相反。他还坚持给每位创始人股票期权，让他们都能分享公司的成功。

不过，萨克斯比管理方法的关键很简单，但在商界却并不常见： ARM 的发展是因为它帮助他人发展。它更多地把员工当人看，而不是人力资源，给他们学习的机会，让他们与公司一起取得成功。"他告诉我：“我深信，在任何团队中，任何成员都比其他人更擅长某些事情，因此，要想让团队发挥出最佳水平，就必须让每个人都发挥出最佳轴心的作用。配合默契的团队工作得更好”。他强调了对员工诚实、不过度承诺公司所能提供的一切的重要性。

ARM 甚至将竞争对手视为潜在的合作伙伴–当它帮助合作伙伴取得成功时，ARM 也会从中受益。"他说：“因为德州仪器公司没有理想的处理器来满足诺基亚的需求，”"他们对合作很感兴趣。这种合作使 ARM 芯片成为手机市场的标准。

让我们把这种理念与 Amiga 的母公司 Commodore 做个对比。公司创始人杰克-特拉米尔（Jack Tramiel）相信 “商业就是战争”，他培养了一种管理风格，即 Commodore 要赢，其他人就必须输。后来，他被一个冷酷无情的金融家赶下了台，由管理顾问梅赫迪-阿里接替他担任首席执行官。阿里对工程学一无所知，也不想学习。他只想敛财。

准将很快就破产了，阿里从此销声匿迹，含恨而终。另一方面，ARM 公司继续发展壮大并取得成功。2002 年，萨克斯比被伊丽莎白女王册封为爵士，退休后他的公司发展得非常好，他作为一名值得信赖的顾问，继续为公众提供信息和教育，并成为工程技术学会 (IET) 的主席，受到包括孙辈在内的所有人的爱戴。

因此，如果你是一位有抱负的科技 CEO，想知道自己应该走哪条路，答案应该是显而易见的。

但这一课不仅适用于首席执行官。它适用于每一个人。我们生活在一个史无前例的时代，正是这项技术让我们能够与地球上的每一个人进行沟通，而现在却有可能将我们分裂成争吵甚至交战的派别。然而，事实并非如此。詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）等最近取得的成就是通过全世界工程师和科学家的合作实现的。

罗宾-萨克斯比爵士解释说： “现实情况是，纵观我们的星球，每个国家都拥有某些领域的精英。只有通过合作，我们才能取得最好的结果。这是未来的唯一出路”。

我完全同意。