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为什么美国高通芯片核心必须依靠ARM?

作者:五金加工
文章来源:本站

  高通芯片不是必须依靠ARM,而是离不开ARM。很多人可能没听说过ARM公司,它的净收入也毫不起眼,2022年仅为3.34亿英镑左右,大约29亿人民币,相当的貌不惊人。

  不过,ARM把半导体知识产权(IP)以授权的方式玩出了新花样和新高度,成功从芯片界的学渣进阶到与英特尔平起平坐的学霸,其成绩主要如下:

  成立20余年,成功建立起可与英特尔抗衡的ARM指令集生态系统帝国,客户几乎包括世界上所有的半导体公司,高通、华为不用说了,连英特尔也没能逃脱其“魔爪”;

  由于ARM卖IP太成功,日本软银2022年开价234亿英镑收购ARM,如果按净收入折算成本,软银需要70年才能回本;

  看好ARM的不止软银。此前,苹果公司和英特尔也曾想将ARM公司收入囊中,但英国人没答应;

  其实,ARM公司刚成立时还没这么会玩。

  ARM公司成立于英国剑桥,股东包括苹果、诺基亚、Acorn、VLSI、Technology等公司,最初也是走英特尔的封闭式设计模式:建立自己的指令集,确立芯片内核和架构,再找代工厂生产制造。

  然而业绩平平,出货量少,日子过得苦巴巴的。

  不得已,ARM决定剑走偏锋,抛弃封闭式设计模式,采用IP授权给其它芯片设计公司的开放式设计模式。

  重点来了,ARM的IP授权主要有两种,一种是指令集授权,另一种是微架构授权。获得ARM的指令集授权,等于加入ARM生态系统,保证了软件兼容性,但微架构不是ARM设计,而是自研,比如苹果的A7系列后的芯片和高通的大部分骁龙芯片。

  微架构授权则是芯片设计公司买到ARM的 微处理器核后,根据自己不同的需要,加入适当的外围电路,从而“设计(组装)”出自己的芯片。发布时只要出现“使用ARM Cortex-AX核心的芯片”/“Cortex-AX核心”之类的字眼,表明就是这种模式的产物。

  华为和三星即采用购买ARM架构的模式设计芯片:

  当然,高通有时也使用ARM的授权架构,其中最出名的就是骁龙810,采用ARM的八核Cortex-A57/A53 CPU架构,由于发热降频严重,坑苦了小米等一众好伙伴。

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  不仅是高通的骁龙芯片,苹果的A系列芯片、三星的Exyons芯片、华为的麒麟芯片、联发科的芯片都是基于ARM架构的,由ARM提供核心技术进行定制或者授权而来。可以这么说,ARM公司处于手机芯片的最顶层。

  ARM是一家英国的公司,不卖芯片,只卖“图纸”,是一家半导体知识产权提供商,在2022年被日本软银收购(题外话,软银还是阿里巴巴的最大投资商)。全球95%的智能手机和平板电脑使用了ARM架构,高通、华为、苹果、三星的处理器均采用了ARM架构的芯片;

  ARM提供的CPU核心为:Cortex-Axx,比如A75,A73,A55,A53等,华为最新的麒麟980使用了A76架构,因此才有了非常强悍的性能,数据上超过了骁龙855;

  ARM提供的GPU核心为:Mail-Txxx/Gxx,比如Mail-G72等。

  这里分析两个典型的手机处理器,高通的骁龙710和华为麒麟970,参考搭积木原理:

  2个A75大核(2.2GHz)+6个A55小核(1.7GHz)共8核的设计,GPU采用了自家设计的Adreno 616,没有采用ARM的Mail系列;

  4个A73大核(2.4GHz)+4个A53小核(1.8GHz)共8核的设计,GPU采用了ARM的Mail-G72 MP12(12核心)。

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  说起高通的骁龙芯片,听说的大有人在,但是说起ARM,听过的人可能比较少。ARM,即使一家公司,也是一种技术,还是一种构架。目前移动处理器、单片机等的内核95%都是基于ARM。高通的芯片自然也离不开ARM构架。

  ARM公司来源于英国,是IP(半导体知识产权)提供商,自己不设计芯片、不生产芯片,只设计指令集、IP内核等,然后把这些内容授权给其他的半导体公司,如高通、恩智浦、意法半导体、TI、苹果等,由他们来设计芯片、生产芯片,于是世界上多数的移动处理器和单片机等虽然是各个不同的半导体厂商提供的,但都流淌着ARM的血液,这是一条非常成功的商业模式。

  ARM将技术授权给半导体厂商,从中收取授权费用,其授权模式具有三种,分别为:1)2)3)

  使用层级的授权是最低权限的

  内核层级的授权,是指以所授权的内核为核心,在其基础上增加自己的需求,如增加GPIO、SPI通信、IIC通信、UART通信等片上资源,我们所使用的单片机多是这种模式,如STM32系列的单片机等。

  构架/指令集授权,这个是最高权限的授权,用户被授权后可以对指令集进行修改、对内核再封装,形成自己的CPU,如高通、苹果、华为等采用的都是这种授权。

  在移动处理器和通用单片机领域,ARM绝对是王者一般的存在。在PC端Intel也是王者一般的存在,两者都是霸主级别的构架,RISC-V有可能是一颗新星,可以形成三足鼎立之势。如果ARM对全球的半导体公司取消授权的话,那么高通、苹果、三星、华为等目前的移动处理器都将无法生产,这会带来无可估量的损失。即使设计新的构架也需要一定的时间,再加上CPU的设计、量产,将是一段非常长的周期,而且还不一定能研发成功。不仅如此,基于ARM的单片机短时间内也不会有新的型号出现。

  所以不光高通目前离不开ARM,多数的半导体巨头都离不开ARM。

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  ARM提出了微架构设计思路,并且设计了现在几乎所有移动芯片的公版架构基础。提出架构本身需要雄厚的半导体基础和相应的专利,研发会更加的耗时耗力。半导体这种硬件行业,经验是一道难以逾越的鸿沟,后来者想要居上,基本上还是需要通过弯道超车——比如行业的巨大变革。

  所以高通即便通过自己的技术去设计一款新的架构,目前尚且没有能够支撑它的理论基础,研究出来的性能未必能够超过ARM,如果超不过,所有的研究经费就都打了水漂。高通与其花费大量时间精力去研究一个架构,不如调校一下ARM的架构使其实现性能的提升。依靠提升性能的芯片赚到的利润,远比给ARM的授权费多得多。

  而且另外一点,高通是设计SoC的,SoC里面不只有CPU和GPU,还有其他组件,设计CPU和GPU并不是高通的强项。

  在RISC-V普及之前,移动芯片领域依然会是ARM垄断局面,不只是高通,任何一家都离不开ARM架构。

  一句话,ARM架构目前来说是最好用的,性价比最高的,并且已经形成生态,地位目前难以动摇。

  英国ARM公司是全球领先的16/32 位嵌入式 RISC 微处理器解决方案的供应商,向全球各大领先电子公司提供高性能、低成本和高效率的RISC 处理器、外设和系统芯片技术授权。通俗来说, ARM公司就是制造处理器“图纸”的,然后授权给别的厂商,可以轻微DIY,但是换汤不换药。

  ARM公司在1990年11月英国剑桥的一个谷仓里成立,最初只有12人,怀着一个梦想:推出一个好的32位RISC CPU,让全世界每个人都至少有一个ARM芯片。 很多以核为基础的系统芯片设计都以ARM核为基础。尽管Intel的微处理器在PC领域处于压倒优势地位,但在嵌入系统领域,Intel利用了ARM核的技术授权。

  ARM技术具有很高的性能和更高的功效,因而容易被更多的厂商接受。同时,合作伙伴的增多,可获得更多的第三方工具、制造和软件支持,又使整个系统成本降低,产品进入市场的时间加快,从而具有更有利的竞争优势。适用于多种领域,比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

  ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商,每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系,ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。

  目前,总共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议,其中包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人,则包括微软、升阳和MRI等一系列知名公司。

  

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