ARM：低调的隐形超级芯片帝国

一、ARM—低调的隐形超级芯片帝国
ARM从没生产过一颗芯片，但它却像是一个隐形芯片帝国。去年全球有61亿颗芯片采用ARM架构（ARM inside），ARM以市占率28％，成为全球第一大半导体硅知识产权授权公司。从手机到洗衣机，从汽车到电视，只要使用到芯片，平均全球每四颗芯片，就有一颗来自ARM血统。
从苹果、三星（Samsung）到宏达电（HTC）的智能手机，甚至联发科的山寨机，都要向ARM进贡。全世界每卖出一支智能手机，里头就有五至六颗芯片使用ARM专利，平均每支智能手机，要向ARM缴交大约0.5美元专利费。以每支手机使用五至六颗芯片计算，一颗芯片的专利费仅新台币两元多，五元硬币还有找，数字小到让IC设计公司没感觉。
它赚的钱虽小，量却惊人！全球95％手机，都缴专利费给它。从事微处理器硅知识产权（IP）授权的ARM，就是各种芯片背后的设计脑袋，ARM是全球手机芯片的霸主。
二、不败的ARM模式，联合企业扳倒英特尔
Intel CEO：ARM模式挣不了钱？
人们通常存在这样的潜认识：英特尔是PC芯片霸主，而ARM在最近几年呈现出智能手机应用处理器架构的霸主风范，但实际上，英特尔与ARM的竞争由来已久。并且最近这场战争急剧升级：英特尔发布了Moorestown平台并起军进入智能手机领域，终于迎来了与ARM的直接交锋。
英特尔发布了新版Atom Z6xx处理器，称可用于智能手机和平板电脑等设备，新版Atom能耗低，性能强于ARM处理器。但是业内分析师指出，尽管面向智能手机市场推出了新版Atom处理器，但成功的可能性不大。英特尔虽然是全球最大处理器厂商，但进军智能手机市场还是有难度的。首先，传统的智能手机厂商已经与零部件厂商建立了稳定的合作关系，不会轻易改变供货商。其次，Atom处理器基于x86架构，该架构或只适合平板电脑。相比之下，ARM处理器是智能手机的首选芯片。
欧德宁同样批评剥离多个参与方（包括PI许可人、芯片设计方和晶圆厂）价值创造的业务模式不如自家的业务模式。“如果你看看英特尔的毛利率，再看看芯片代工厂商的毛利率，如果你正在构建基于ARM或是基于MIPS的器件会让你明白，我们要高得很多。我们通过自己的知识产权和芯片来创收。对我来讲，这是一种更好的价值主张，” 欧德宁进一步表示，“在那种［IP授权］环境下，很赚钱”。事实果真如此吗？
ARM入侵x86老巢，成功才刚刚开始
“虽然对现状非常满意，但我们的成功才刚刚开始”。总部位于聚集有全球各地莘莘学子的大学城剑桥的英国ARM控股公司创始人之一都德·布朗（Tudor Brown）总裁如是说。
也许有读者不知道ARM这个企业，那就请您记住这家公司，这对您绝对不会有坏处。因为，ARM确立了独特的商业模式，作为与美国英特尔公司不相上下的半导体产业的核心企业，该公司的地位在不断增强。半导体MPU（超小型运算处理装置）可以说是数字产品的心脏，而设计MPU的企业正是ARM。
虽然该公司2010年的销售额才不过4亿660万英镑。但对于美国苹果、美国谷歌、韩国三星电子、日本索尼以及任天堂等全球著名IT企业来说，ARM的存在已经不可或缺。Gartner Japan的首席分析师山地正恒指出，“由于ARM的MPU耗电量较低，适合用于智能手机、平板终端以及游戏机等便携终端，因此扩大了份额”。
“Wintel”的垄断地位开始瓦解
便携终端市场是一个快速增长的市场，美国苹果、谷歌和微软（MS）在该市场上不断进行着激烈的份额之争。在胜败的反复交替中，唯一不变的就是无论胜者是谁，ARM都不会成为败者。
ARM的势头甚至会改变长期以来支配IT产业的“Wintel”。Wintel一词取自个人电脑操作系统（OS）“Windows”和提供核心硬件MPU的Intel，这是一个象征着两公司“亲密无间”和在IT市场上寡头垄断的词汇。
但在2011年1月，微软宣布其新一代OS“Windows8”除英特尔的产品外，还可在ARM的MPU上运行。英特尔之所以强大，主要在于其对支持Windows的MPU的技术垄断。而现在，有一半的份额被ARM夺走了。
起因是采用ARM公司MPU的iPhone和Android终端开始进入微软曾经“独霸天下”的个人电脑市场。微软判断，要想通过最早估计会在来年上市的Windows8进行反击，就必须与ARM合作。
而ARM计划以涉足个人电脑业务为契机，进军要求更高性能MPU的服务器领域。美国调查公司IDC预测，采用ARM公司MPU的个人电脑全球份额在2015年之前将扩大至13％。
目前，ARM已经在几个方面超过了英特尔。例如，ARM面向智能手机、平板终端、家电、游戏机以及汽车等多种用途设计的半导体每年约供货61亿个。而根据Gartner的统计，英特尔的供货量为3亿2000万个左右，其中大部分面向个人电脑和服务器。营业利润率方面，英特尔为32.1％（2011年4～6月期），而ARM为44.5％（2011年4～6月期）。虽然英特尔也开发出了低耗电量MPU，并面向家电和便携终端销售，但ARM的地位目前并没有受到动摇。
ARM为何能在与英特尔的竞争中取胜呢？
答案是ARM构筑的特殊的商业模式。
ARM日本法人的社长西岛贵史介绍说，“ARM的周围存在数十万亿日元的业务”。目前被称为SoC的片上系统，除了MPU外，还在一枚芯片上集成了负责存储器管理和通信等多种功能。ARM就在从事其中的MPU设计。
面向家电厂商和汽车厂商供货的SoC是由半导体厂商为其附加MPU以外的各种功能后开发制造和销售的。ARM的收入来源是向各厂商收取授权费，以及根据半导体供货数量收取的每个数日元至10日元不等的专利使用费。处于核心位置的ARM虽然很小，但通过将周边的半导体厂商都裹卷进来，产生了巨大的离心力。
另外，从财务方面可见的特点是，ARM通过不自行生产的“无厂经营”方式。这是高收益的原因所在，但如果单就没有工厂这一点而言，从事半导体设计和开发，而把生产委托给代工企业（受托生产公司）的无厂半导体厂商也是同样的模式。只不过，ARM从事MPU设计这一核心业务，通过授权业务，实现了更加领先的商业模式。
如果换一种方式来理解ARM的业务，那就是有多达250家半导体企业将MPU设计外包给了ARM。与各公司分别开发相比，委托给ARM统一开发会更加节约成本。
而x86阵营的商业模式则截然不同。英特尔的x86技术架构对外是近乎封闭的，与另一家拥有小部分x86专利的厂商AMD之间也时有争讼。在这片领地里，实行的是一家企业负责从架构、设计、测试到生产的一体化全产业链模式。IBM前董事长郭士纳曾撰文指出，微软和英特尔组成了“Win-Tel”联盟，“英特尔公司几乎控制了PC微处理器领域。而其他所有的公司都围绕着主导型公司转”。这种商业模式下的英特尔，控制着行业的技术方向和价格趋势，成长为全球最大的半导体公司，也得以长期保持40%以上的毛利率。可正是这种模式使英特尔得了利益，却丢了朋友。
ARM与厂商的共谋发展
配备ARM公司MPU的SoC供货量在2010年约为61亿个，今后会进一步增加。如此之大的数量，仅凭一家公司终归无法生产，只有将其分散到众多企业之间，ARM的业务才能顺利推进。这自然而然地形成了可以称得上是“ARM经济圈”的一大网络。
ARM的成功还对处于同一经济圈中的半导体厂商的业务产生了巨大影响。
从事个人电脑用图像处理半导体业务的美国英伟达，现在还在涉足用于智能手机、平板终端和车载信息终端的半导体业务。随着Windows8对ARM的支持，该公司还将进军个人电脑用MPU领域。以通信、半导体为主力业务的美国高通也计划进军个人电脑市场。
对于日本企业而言，ARM的崛起则是各企业走向世界的机会。松下半导体公司系统LSI业务组长冈本吉史坦率地表示，“在我们宣布采用ARM的MPU开发电视用途高性能SoC后，来自海外企业的咨询便出现了增加”。
分享的经营哲学，让ARM产生一股“雪球效应”：雪球越滚越大，加入联军的人数越来越多。即使ARM小得像一只蚂蚁，ARM联军却已变成一支百万大军，拥有扳倒英特尔的巨大力量。

三、ARM、英特尔未来之战：何以左右战局？
1）ARM未来在移动平台方面的Roadmap解读
根据ARM公司披露的公司未来处理器路线图，其中包括三款新ARM处理器“知识产权核心”，代号分别为Eagle、Heron和Merlin。
其中，Eagle属于高性能的Cortex-A系列，将是目前高端智能手机和智能本中常见的Cortex-A8/A9的后继产品，主要面向智能手机、移动计算、数字电视和通讯产品市场。Heron为面向嵌入式市场的Cortex-R系列，针对汽车发动机性能管理、基带芯片、硬盘控制器芯片等。而Merlin则是小尺寸低功耗Cortex M家族的一员，针对工业控制、嵌入式音频处理器等产品。
入门级手机市场，ARM将提供Cortex-A5处理器。它提供了与ARM11类似的性能，但功耗效率方面得到极大的提高。现在很多手机厂商正基于高通的MSM7225A/27A芯片做设计，它所采用的就是A5内核。
高端智能手机对性能的需求是无止境的，其处理器平台目前正从A8转向双核A9。号称“安卓第一机”的三星Galaxy S II就内置了双核A9处理器和Mali 400 GPU，性能相当出色。预计今年年底，首款ARM四核A15处理器也将问世，与之配套的Mali T600可支持OpenCL以及Microsoft Direct X。
其实，A15就是为了满足移动产品日益提高的性能需求而设计的，它将对移动产品的进步带来积极的推动作用。未来的大趋势就是手机平台在基带部分支持LTE，AP+GPU部分实现PC桌面级用户体验。A15与Mali T600的组合完全可以实现上述目标。
2011年11月，ARM公司发布了全新的Mali系列图形处理单元（GPU）Mali-T658，有望应用于高端智能手机、平板电脑、智能电视及汽车娱乐系统中。Mali-T658的出现，对于支持ARM在高性能智能手机，乃至服务器领域和英特尔进行强有力的竞争起到关键的作用。
2）英特尔的Roadmap解读
英特尔第四任CEO——贝瑞特，卸任前留给Intel有价值的是“Tick-Tock”计划。“Tick-Tock”是一个象声词，如果将正弦时钟波形在音箱中播放时，可以听到连续不断的“Tick-Tock”。Intel从2006年1月5日使用已经成型的65nm技术推出“Core Microarchitecture”，这也标志着Tick-Tock计划的开始。
在Tick-Tock中，Tick指工艺的提高，从65nm，45nm，32nm，22nm，16nm和11nm。数学功底稍微好些的人不难发现，相邻的两个数字之间的倍数大约是1.414【1.414约等于sqrt（2）。Intel使用这些数字的主要原因是继续捍卫摩尔定律】。Intel继续延续着摩尔提出的“集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍”的定律。Tock指CPU内核的进步，工艺的提高使得之前只能出现在经典论文中出现的技术得以实现。Tick-Tock计划规划了Intel x86处理器直到2016年的Roadmap。
Intel的Tick-Tock计划已经执行到Sandy Bridge处理器，Ivy Bridge 22nm架构处理器也很快将如期而至。Intel将以庞大的人力，充实的物力继续着这个计划。所有这一些都是贝瑞特留给Intel的第五任CEO保罗·欧德宁的。欧德宁必须有所作为。
PC领域再无对手的Intel，目光重新锁定在移动计算领域，Atom处理器应运而生。这颗芯片上承载着Intel的希望，所有人都在关注Atom能否解开Intel在移动领域的无奈，嵌入式领域的另一个处理器巨头ARM也在枕戈待旦。
测试显示，三栅极3D晶体管不能左右ARM英特尔战局？
公司之间的纷争有其独特的魅力。英特尔 VS AMD就是热议多年的话题，然后又变成微软 VS 谷歌。现在最有趣的一对是英特尔 VS ARM。英特尔发布三栅极3D晶体管之后，关于该技术能否左右二者之间的战局业界已有很多评论文章。
目前看来，ARM似乎肯定会采用平面的22nm工艺，而英特尔则会采用Tri-Gate三栅极3D晶体管。要评判三栅极晶体管能否为英特尔提供显著优势，先得回答一些问题：
·英特尔称22nm三栅极晶体管功耗比自己的32nm平面晶体管低50%。但22nm三栅极晶体管与22nm平面晶体管的功耗差异有多大呢？
·采用22nm三栅极晶体管之后，芯片能比采用22nm平面晶体管节省多少功耗？10%，30%，还是50%？
这些都不难估算，我们来做个测试。
晶体管级的计算
英特尔在自己的新闻发布会上展示了一些具体的晶体管I-V曲线。这些曲线在图1经过重制。根据这些数据你可以得到图2中的信息。你会注意到22nm 三栅极晶体管的电源电压能够比32nm平面晶体管低50%，但只比22nm平面晶体管低19%。
图2.三栅极晶体管和平面晶体管的晶体管级对比
芯片级计算
在这里采用开源的IC模拟器IntSim估算三栅极晶体管在芯片级所带来的好处。IntSim能够描述现代芯片各方面的模型，它对之前的英特尔微处理器的模拟结果也和实际数据非常吻合。更多细节请看图3以及2007年国际计算机辅助设计大会（ICCAD）上关于IntSim的原始论文。
这次研究选择了一个1GHz移动逻辑内核，该内核基于（1）22nm平面晶体管或（2）22nm 三栅极晶体管。由于英特尔只提供了晶体管数据的相对数字，这里选择采用国际半导体技术路线图（ITRS）的数字，并根据图2进行放大。IntSim的结果见图4。
图4.IntSim估算的节能情况
·三栅极所节省的140mW电源电压需求很实用，因为它可以同时降低时钟与线路耗电。时钟功耗与线路功耗减少28%。
·驱动电阻，等于电源电压比驱动电流。三栅极晶体管降低了这一电阻。这意味着线性电容更易驱动，同样性能要求下的栅也可以做的更小。这一点结合图2所示晶体管节省的功耗，使得逻辑门总共节省了28%的功耗。
·由于晶体管质量更好，中继器功耗降低32%。
总的来说，在22nm微处理器内核上采用三栅极晶体管能比平面晶体管降低约28%的功耗。这是非常显著的表现。
尽管，三栅极晶体管——这是一项了不起的技术成就。但这会对英特尔、ARM之战产生重大影响么？我想不会。
英特尔与ARM的较量仍有一些变数：
·ARM已经在移动领域尽占先机。我从自己的经历中学到的一点是，想取代已经在市场上扎根的技术或产品非常困难。
·英特尔x86采用CISC架构。高级RISC机器——ARM的全称（Advanced RISC machines）——采用RISC架构。RISC架构过去在移动领域每瓦能比CISC带来更好的性能。X86能追上么？
·英特尔的处理器工艺比ARM领先一代，这是非常重要的优势。
·ARM芯片一般都在远东的低成本晶圆厂生产。
·ARM芯片供应商远比x86更多。客户喜欢竞争，因为这样可以压低价格。
·谁将会更早的将其它突破性技术“投入生产”？比如3D的DRAM逻辑电路堆叠芯片或者单片（monolithic）3D？英特尔还是ARM？其中有些技术对移动芯片功耗、性能、裸片面积的帮助会比三栅极更大。
·英特尔的资源远比ARM阵营的厂商更多——这对它很有帮助。特别是在这个设计成本上亿美元、晶圆厂投资过五十亿美元、工艺研发需十亿美元的时代。
·微软会不会执行将Windows 8移植到ARM上的目标？如果执行的话，速度和效果又会如何？这对笔记本电脑和上网本来说意义重大，但可能不会对智能手机市场带来太大冲击。
三栅极晶体管是一次了不起的工程成就，但它能在英特尔与ARM纷争中扮演什么重要角色，却有待时间验证。

四、编者后记：PC王者英特尔、移动霸主ARM——交互式僵持的竞争…
通过两者Roadmap对比分析后，Intel采取的制程（Tick）与架构（Tock）交替更新战略是否会在未来的某一天对ARM产生威胁？
工艺确实可以降低功耗。未来A15可能会走到28nm，但在迈向更深工艺节点的时候，不一定纯粹靠工艺来解决功耗问题。A15性能提升必然伴随着功耗的增加，ARM的思路是可以通过多核、或者大小核异构化配置来获得功耗的优势，而不单纯依靠工艺。
假设某一天Intel通过生产工艺的改进使得和ARM的功耗差不多了，ARM的授权模式也会带来更大的竞争优势。许多企业可以提供基于ARM技术的处理器，他们既可以提供各种不同功能的产品，也可以共同分享回报；而Intel在该市场发展之初就把自己放在了众多公司的竞争面上。东方不亮西方亮，将这种此起彼伏、百花齐放的局面归结于ARM商业模式所带来的灵活性——在ARM的生态圈里，许多公司都有机会把自己的能力和智慧加入到这个产业链里面，带来的产品多样化优势比单一化的模式要强势很多。
计算机处理器厂商和手机芯片厂商井水不犯河水的均势被打破，对于这个移动互联网时代的新动向，如果可以用简单的话来概括其原因，那就是：手机和计算机走得越来越近了。英特尔现在致力的目标，就是从ARM牢牢占据的100%移动市场中中夺取一部分市场份额。面对PC业芯片老大的“捞过界”，ARM公司选择了针锋相对，正借力微软进行着ARM架构服务器的探讨。
到目前为止，英特尔和ARM都还没有在对方的市场形成实质性影响，但双方已经在PC和手机领域的交叉地带进行了交锋。在这片中间区域，先后出现了“上网本”（NetBook）、“智能本”（SmartBook）、平板电脑等多种差异化产品，截至目前的战况是：x86阵营取得了先机，但ARM阵营的势头更猛。交互式僵持的竞争，仍在继续…