说说手机中最核心的CPU公司ARM的来历以及与华为海思的关系

1978年，一家名字叫cpu的公司，悄悄在英国剑桥诞生。

不要惊讶，这个CPU，和我们经常所说的电脑里那个CPU是两回事。

Central Processing Unit，中央处理器

CPU公司的全称，是Cambridge Processor Unit，字面意思是“剑桥处理器单元”。

CPU公司的创始人，是一个名叫Hermann Hauser的奥地利籍物理学博士，还有他的朋友，一个名叫Chris Curry的英国工程师。

Hermann Hauser和Chris Curry

CPU公司成立之后，主要从事电子设备设计和制造的业务。他们接到的第一份订单，是制造赌博机的微控制器系统。

这个微控制器系统被开发出来后，称之为Acorn System 1。

Acorn System 1

1979年，在经营逐渐进入轨道之后，这家公司给自己换了个名字，叫做Acorn Computer Ltd。

Acorn是什么意思？橡子。对，就是冰河世纪里面，那只松鼠一直在追的那个东东。

Acorn Computer Ltd公司的商标，里面就有一个橡子。

之所以叫Acorn，还有一个有趣的说法，就是因为他们想在电话黄页里排在Apple（苹果）公司的前面。

在Acorn System 1之后，他们又陆续开发了System 2、3、4，还有面向消费者的盒式计算机——Acorn Atom。

Acorn Atom

到了1981年，公司迎来了一个难得的机遇——英国广播公司BBC打算在整个英国播放一套提高电脑普及水平的节目，他们希望Acorn能生产一款与之配套的电脑。

这个计划非常宏大，英国政府也参与其中（购机费的一半将由政府资助），电脑一旦采购，将进入英国的每一间教室。

接下这个任务之后，Acorn就开始干了起来。结果，很快他们就发现，自己产品的硬件设计并不能满足需求。当时，中央处理器的发展潮流，正在从8位变成16位。Acorn并没有合适的芯片可以用。

一开始，他们打算使用美国国家半导体和摩托罗拉公司的16位芯片。但是，经过评估后，他们发现了两个缺陷：

第一，芯片的执行速度有点慢，中断的响应时间太长。

第二，售价太贵，一台500英镑的电脑，处理器芯片就占到100英镑。

于是，他们打算去找当时如日中天的英特尔（INTEL），希望对方提供一些80286处理器的设计资料和样品。然而，英特尔冰冷地拒绝了他们。

INTEL

备受打击的Acorn公司，一气之下决定自己干，自己造芯片。（这个桥段是不是很熟悉？）

当时，Acorn公司的研发人员从美国加州大学伯克利分校找到了一个关于新型处理器的研究——简化指令集，恰好可以满足他们的设计要求。

在此基础上，经过多年的艰苦奋斗，来自剑桥大学的计算机科学家Sophie Wilson和Steve Furber最终完成了微处理器的设计。

Sophie Wilson和Steve Furber

前者负责指令集开发，后者负责芯片设计

对于这块芯片，Acorn给它命名为Acorn RISC Machine。

嗯，这就是大名鼎鼎的“ARM”三个字母的由来。

Acorn是公司名称，Machine是机器，那RISC是什么意思呢？

前面说过，他们是基于“简化指令集”技术做出的芯片。RISC的意思，就是简化指令集计算机，Reduced Instruction Set Computer。

注意！前方灰色字体高能预警，非技术控请直接跳过。

这里解释一下，到底“简化指令集”有什么意义。

它是相对于“复杂指令集（CISC，complex instruction set computer）”的一个概念。

早期的处理器都是CISC架构（包括英特尔的处理器），随著时间推移，有越来越多的指令集加入。由于当时编译器的技术并不纯熟，程序都会直接以机器码或是组合语言写成，为了减少程序的设计时间，逐渐开发出单一指令，复杂操作的程序代码。设计师只需写下简单的指令，再交给CPU去执行。

但是后来有人发现，整个指令集中，只有约20％的指令常常会被使用到，大约占了整个程序的80％；剩余80％的指令，只占了整个程序的20％。（典型的二八原则）

于是，1979年美国加州大学伯克利分校的David Patterson教授提出了RISC的想法，主张硬件应该专心加速常用的指令，较为复杂的指令则利用常用的指令去组合。

简单来说，CISC任务处理能力强， 适合桌面电脑和服务器。RISC通过精简CISC指令种类，格式，简化寻址方式，达到省电高效的效果，适合手机、平板、数码相机等便携式电子产品。

当时研发出来的第一款处理器芯片的型号，被定为 ARM1。

我们来对比一下ARM1和当时Intel的80286处理器（也就是常说的286）：

可以看出来，ARM1和80286各有所长。

但是，就在同一年，1985年10月，英特尔发布了80386。在80386面前，ARM1就只有被吊打的份了。

Intel 80386

32位，27.5万个晶体管，频率为12.5MHz，后提高到33MHz

让ARM直接在性能上和x86系列硬杠，显然是不现实的。ARM有意无意地选择了与Intel不同的设计路线——Intel持续迈向x86高效能设计，ARM则专注于低成本、低功耗的研发方向。

扯远了，继续回来说BBC要的那款电脑。

前面说了，BBC在1981年就提出需求，如果等到1985年ARM1出来，那岂不是黄花菜都凉了？

所以，在ARM1问世之前，Acorn其实已经提供了解决方案给BBC。

当时，Acorn的电脑，临时采用了MOS 6502处理器（由MOS科技研发的8位微处理器）。

MOS 6502处理器

这款电脑一开始取名Proton，后来被改名为BBC MIcro。

BBC Micro

到了 1984 年，大约80%的英国学校都配有这款电脑。Acorn公司彻底在大英帝国老百姓面前刷了一把存在感。

后来，ARM处理器被研发出来之后，用在了BBC Micro的后续型号中。

BBC Micro电脑里面的ARM芯片

在ARM1之后，Acorn陆续推出了好几个系列，例如ARM2，ARM3。

时间又继续往前推移。

1990年，Acorn为了和苹果合作，专门成立了一家公司，名叫ARM。

ARM LOGO

LOGO可以说是相当简洁了

注意，这里的ARM是公司名称，不是芯片名称。这个ARM的完全拼写也不一样，是Advanced RISC Machines。

前面的芯片名称：Acorn RISC Machine

现在的公司名称：Advanced RISC Machines

ARM是一家合资公司，苹果投了150万英镑，芯片厂商VLSI投了25万英镑，Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。

尽管如此，ARM的起步还是比较寒酸。他们最开始的办公地点，是一个谷仓。

谷仓

不过，谷仓的内部环境还算不错。

谷仓的内部环境

在成立后的那几年，ARM业绩平平，工程师们也人心惶惶，害怕随时都会失业。

在这个情况下，ARM决定改变他们的产品策略——他们不再生产芯片，转而以授权的方式，将芯片设计方案转让给其他公司，即“Partnership”开放模式。

没想到正是这种模式，开创了属于ARM的全新时代。

注意！下面这段是重点！

ARM所采取的是IP（Intellectual Property，知识产权）授权的商业模式，收取一次性技术授权费用和版税提成。

具体来说，ARM有三种授权方式：处理器、POP以及架构授权。

处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器，对方不能改变原有设计，但可以根据自己的需要调整产品的频率、功耗等。

POP（processor optimization pack，处理器优化包）授权是处理器授权的高级形式， ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商，方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器。

架构授权是ARM会授权合作厂商使用自己的架构，方便其根据自己的需要来设计处理器（例如后来高通的KrAIt架构和苹果的Swift架构，就是在取得ARM的授权后设计完成的）。

所以，授权费和版税就成了ARM的主要收入来源。除此之外，就是软件工具和技术支持服务的收入。

对于半导体公司来说，授权费和版税到底有多少呢？一次性技术授权费用在100万-1000万美元之间，版税提成比例一般在1%-2%之间。

正是ARM的这种授权模式，极大地降低了自身的研发成本和研发风险。它以风险共担、利益共享的模式，形成了一个以ARM为核心的生态圈，使得低成本创新成为可能。

当ARM提出这种合作模式之后，开始了尝试——

1991年，ARM将产品授权给英国GEC Plessey半导体公司。

1993年，ARM将产品授权给Cirrus LogIC和德州仪器（Texas Instruments，TI）。

与德州仪器的合作，给ARM公司带来了重要的突破。而且，也给ARM公司树立了声誉，证实了授权模式的可行性。

此后，越来越多的公司参与到这种授权模式中，与ARM建立了合作关系。其中就包括三星、夏普、华为等公司。

在此基础上，ARM坚定了授权模式的决心，并着手设计更多性价比高的产品。

1993年，苹果公司推出了一款新型掌上电脑产品——Newton。ARM公司开发的ARM6芯片被用于该产品之中。

Apple Newton Message PAD

现在被认为是PDA和智能手机的鼻祖

Nokia 6110

相信有不少人用过或见过

ARM在纳斯达克上市

Apple ipod

众所周知，在乔帮主的带领下，ipod取得了巨大的商业成功。

这还没完，2007年，真正的划时代产品出现了。

那就是iPhone。

苹果iPhone的出现，彻底颠覆了移动电话的设计，开启了全新的时代。

第一代iPhone，使用了ARM设计、三星制造的芯片。

Iphone的热销，App Store的迅速崛起，让全球移动应用彻底绑定在ARM指令集上。

紧接着，2008年，谷歌推出了ANDROID（安卓）系统，也是基于ARM指令集。

至此，智能手机进入了飞速发展阶段，ARM也因此奠定了在智能手机市场的霸主地位。

同年，ARM芯片的出货量达到了一百亿颗。

2011年，就连传统Wintel联盟（windows+intel）的微软，也宣布Windows8平台将支援ARM架构。

孙正义

实际的芯片型号并不止这些

ARM11芯片之后，也就是从ARMv7架构开始，ARM的命名方式有所改变。

新的处理器家族，改以Cortex命名，并分为三个系列，分别是Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M。呵呵，发现了没，三个字母又是A、R、M。

Cortex-A系列（A：Application）

针对日益增长的消费娱乐和无线产品设计，用于具有高计算要求、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域，如智能手机、平板电脑、汽车娱乐系统、数字电视等。

Cortex-A系列

Cortex-A系列

Cortex-R系列 （R：Real-time）

针对需要运行实时操作的系统应用，面向如汽车制动系统、动力传动解决方案、大容量存储控制器等深层嵌入式实时应用。

Cortex-R系列

Cortex-R系列

Cortex-M系列（M：Microcontroller）

该系列面向微控制器领域，主要针对成本和功耗敏感的应用，如智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、家用电器、消费性产品和医疗器械等。

Cortex-M

在普通用户眼里，ARM并不是一家知名的公司，但与ARM合作的公司却几乎全是全球知名科技企业大佬 ，其中包括苹果、三星、高通、华为、英特尔、LG、飞利浦等等知名科技企业，而且这些企业都与ARM签订了硬件技术使用许可协议，各大企业从ARM公司购买ARM的微处理器核，根据自己的领域，加入自己的设计，从而形成自己的一套独立的ARM微处理器核。

ARM的重要性不言而喻，很多企业都想将这一家重要的企业并入自己的旗下，使自己的ARM处理器得到最快的发展，但后来ARM还是被资金实力雄厚的日本软银集团收入囊中，现在的ARM已经是一家日资企业，而现在的ARM的主要收入依然是靠授权给各个芯片厂商收取授权费用以及一定的版税来发展。

1991年，华为成立了自己的ASIC设计中心，专门负责设计「专用集成电路」（Application-specific integrated circuit，ASIC）。

当时的华为，创立仅仅四年，员工只有几十人，资金非常紧张，一度濒临倒闭的边缘。奠定基业的C&C08数字程控交换机，还是三年后的事情。

这个ASIC设计中心的成立，意味着华为开始了IC设计的漫漫征途。

1993年，ASIC设计中心成功研发出华为第一块数字ASIC。

随后，分别在1996年、2000年、2003年，研发成功十万门级、百万门级、千万门级ASIC。总的来说，每一步都算是沉稳有力。

时间到了2004年10月，这时的华为，实力已今非昔比，销售额达到462亿人民币，员工人数也达到数万人。有了一定底气的华为，在ASIC设计中心的基础上，成立了深圳市海思半导体有限公司，也就是我们现在经常说的——「华为海思」。

海思的英文名是HI-SILICON，其实就是HUAWEI-SILICON的缩写。SILICON，就是硅的意思。众所周知，硅是制造半导体芯片的关键材料。硅这个词，也成了半导体的代名词。

一直以来，华为海思都是华为公司百分之百全资控股的子公司。按华为海思内部某领导的说法，华为就是海思，海思就是华为。

海思总裁何庭波，也是华为17名董事之一

因为华为海思和华为一样没有上市，很多信息都没有公开披露，再加上行事低调的一贯风格，所以，就像笼罩了一层神秘的黑纱，多了很多神秘感。外界对华为海思的了解总是十分片面，甚至有很多误解。

说到华为海思，很多人都会首先想到华为手机现在普遍使用的麒麟（Kirin）处理器，例如华为P20手机的麒麟970芯片。

其实，华为海思虽然从事芯片的研发，但并不仅限于手机芯片。准确地说，华为海思提供的是数字家庭、通信和无线终端领域的芯片解决方案。通俗一点，就是手机芯片、移动通信系统设备芯片、传输网络设备芯片、家庭数字设备芯片等，统统都做。

海思官网列出的部分解决方案领域

值得一提的，是安防监控领域。在这个领域，华为海思经过十多年的深耕，全球市场份额甚至达到90%之多。

此外，华为海思高端路由器的芯片，也相当有竞争力。华为2013年11月曾经发布过一款400G骨干路由器产品（NE5000E-X16A），采用的是海思芯片SD58XX，比思科同类型产品都要早推出一年。

华为400G骨干路由器产品

还是来具体说说，大家最熟悉也最关心的手机终端芯片吧。

首先，请看一下这个表：

这是华为海思麒麟系列芯片主要型号列表，列举了各大型号麒麟芯片的关键参数和推出日期。

简单介绍一下吧。

2009年，华为海思推出了第一款面向公开市场的手机终端处理器——K3。

这款处理器华为自己的手机没有使用，而是打算卖给山寨机市场，和联发科等芯片厂商进行竞争。因为产品还不成熟，所以并没有获得成功。

2010年，苹果自研的A4处理器在iPhone4上大获成功，这也在一定程度上刺激了华为海思。

于是，在2012年，华为海思推出K3V2处理器。

这一次，华为把它用在了自家手机中，而且是定位旗舰的Mate 1、P6等机型。

不过，这颗处理器选择了台积电40nm工艺制程，整体功耗高，兼容性非常差，很多游戏都不兼容。所以，用户没有接受，手机整体的销量很差。

尽管如此，K3V2也算是一次勇敢的尝试，为后续型号奠定了一定的基础。

2013年底，华为海思推出了麒麟910。这是他们的第一款SoC。

前面我们也提到了SoC，那么，到底什么是SoC？

SoC，就是System-on-a-Chip，也就是「片上系统」。

从通信目的来看，我们的智能手机通常由两大部分电路组成：一部分是负责高层处理部分的应用芯片AP，相当于我们使用的电脑；另一部分，就是基带芯片BP。

基带芯片，相当于我们使用的Modem，手机支持什么样的网络制式（GSM、CDMA、WCDMA、LTE等）都是由它来决定的。打个比方，基带芯片就相当于一个语言翻译器，他会把我们要发送的信息（比如：语音，视频），根据制定好的规则（比如：WCDMA，CDMA2000），进行格式转换，然后发送出去。

基带芯片并不仅仅是基带部分，它还包括射频部分（RF）。基带部分负责信号处理和协议处理，射频部分负责信号的收发。而厂家通常直接把射频芯片和基带芯片放在一个芯片里面，物理上合一，统称为基带芯片。

基带芯片

然后呢，基带芯片通常又会被整合到手机主处理芯片上，成为其中一部分。

高度集成化的 SoC 芯片

高度集成化的 SoC 芯片

这个高度集成的手机主处理芯片，就是一块SoC芯片。SoC芯片相当于控制中枢，它既包括基带芯片，也包括CPU（中央处理器芯片）、GPU（图形处理器芯片）、其它芯片（例如电源管理芯片）等。

SoC芯片

就以麒麟910为例，它的CPU是ARM的1.6GHz四核Cortex-A9，GPU是ARM的Mali-450，基带芯片是自家的Balong710（巴龙710）。

麒麟910

介绍得这么详细，大家应该都看懂了吧？

虽然910是第一款华为海思的手机SoC芯片，但是因为性能和兼容性等方面的原因，还是没有得到市场的认可。直到2014年9月，麒麟925芯片推出，麒麟芯片才逐渐被大家所接受。

目前，经过一路的迭代，麒麟系列芯片已经发展到麒麟970，用在P20等华为旗舰机型上。

麒麟970的主要技术参数

一直以来，华为采取的是麒麟芯片和自己旗舰手机进行绑定的战略。例如P7和麒麟910T，Mate7和麒麟925，P8高配版和麒麟935，Mate 9和麒麟960，乃至到Mate 10、荣耀10和麒麟970。

之所以这么做，华为有很多方面的考虑。

一方面，早期的时候，麒麟芯片除了华为自己，根本就没有人敢用。如果不是自家订单带来的出货量，麒麟芯片早就凉了。

另一方面，直接绑定自家旗舰手机，给麒麟芯片带来很大的压力。这种倒逼的压力，必定会迫使海思努力提升芯片性能和质量。

不过话说回来，这种绑定方式确实存在很大的风险，很可能一块完蛋（前面说了，早期的时候K3V2就导致P6的失败）。但是，在坚定不移的决心之下，华为终究是赢得了这场冒险。

华为孤注一掷投入海思，并不是头脑发热。现在来看，这种做法非常具有远见。结合最近发生的状况，相信大家都同意吧？

属于自己的芯片，到底意味着什么？更低的研发和制造成本，更有底气的议价能力，更可靠的供货保障。每一条，都让现在无数手机厂家羡慕嫉妒恨。

可以说，华为海思芯片，已经成为华为掌握竞争主动权的「逆天神器」。

任教主六年前说的那句话，也就成了大家拍案叫绝的神奇预言：

“……（芯片）暂时没有用，也还是要继续做下去。一旦公司出现战略性的漏洞，我们不是几百亿美金的损失，而是几千亿美金的损失。我们公司积累了这么多的财富，这些财富可能就是因为那一个点，让别人卡住，最后死掉。……这是公司的战略旗帜，不能动掉的。”

华为创始人 任正非

芯片是一个高度垂直分工的产业，从设计、制造、到封装测试，每一个环节，都有相关领域的公司在负责。

芯片产业链

除了英特尔之外，世界上很少有集成电路厂家能独立完成芯片的全流程设计制造。

华为海思显然也不具备所有的芯片能力。严格来说，华为海思只是一家负责芯片设计的公司。它完成芯片设计之后，也是要交给晶圆代工企业台积电进行制造的。

台积电的华为芯片生产线

不知道大家有没有注意到，通常行业内进行芯片企业排名的时候，都会进行分类。像华为海思这样的公司，会被称为“无晶圆半导体设计公司”，被分在Fabless公司类。

在半导体芯片行业，企业的模式主要分三种：IDM、Fabless，Foundry。

1、有的公司，从设计，到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包，被称为IDM(Integrated Design and Manufacture)公司，例如英特尔Intel。

2、有的公司，只做设计这块，是没有fab（工厂）的，通常就叫做Fabless（无工厂），例如ARM、AMD、高通、华为海思等。

3、而还有的公司，只做代工，只有fab，不做设计，称为Foundry（代工厂），例如台积电等。

下面这个图，是2017年全球排名前十的Fabless企业榜单。里面就有中国的华为海思和紫光入榜。华为海思营收47.15亿美元，增长21%，排名第7。排名第一的，是高通（Qualcomm）。

即使只从设计的角度来看，华为海思也不可能是完全独立自主，从零开始。

华为海思购买了ARM的设计授权。

之前介绍ARM的文章中，和大家解释过，ARM是专门做芯片设计的。它的商业模式，就是出售IP（Intellectual Property，知识产权）授权，收取一次性技术授权费用和版税提成。

全世界很多企业都购买ARM的授权，并在此基础上进行设计。

无论是在芯片的指令集上，还是芯片的设计以及代工上，都需要有技术实力和雄厚的资本来支撑，在40纳米、28纳米的工艺流片上，很多国、内外厂商都在做，包括国内的展讯、全芯、芯微、国外的德州仪器、飞思科，后来的小米也开始设计28纳米的芯片，但这些企业几乎都止步于28纳米的设计，而到了10纳米以后，就连联发科和英伟达都不敢再涉入，现在也就只有苹果、三星、高通和华为四家企业了。

大家也要知道，完全抛开ARM，对于现在的市场格局来说，即使做得到，也是没有商业价值的。因为整个行业很多软件都是基于ARM指令集的，已经形成了生态。如果脱离生态制造出独有的芯片，是没有软件可用的。用这种芯片的手机，也只能是板砖一块而已。

好了，关于华为海思，差不多就介绍到这。

总而言之，对于华为来说，创办海思，自研芯片，无疑是一件正确的事情。但是，对于国家和产业来说，一两家海思肯定是不够的。我们需要更多的芯片企业，需要更完整的芯片生态。

即便如此，我们也要小心，不能情绪冲动，盲目开干。芯片之路，注定是漫长而艰辛的，相比于短期的情绪冲动，我们更需要持续的理性和耐心。

毕竟，能成功跑到终点的，才是最后的赢家。

整理 芯片春秋——ARM传及小枣君