RISC-Y BUSINESS —1983年，Acorn Computers需要一个CPU。于是10个人自己造了一个。JEREMY REIMER – 9/23/2022, 11:47
ARM的历史RISC-Y BUSINESS —— 1983年，Acorn Computers需要一款CPU。于是10个人自己制造了一个。JEREMY REIMER – 9/23/2022，晚上11:47！!
1983年，Acorn Computers处于巅峰状态。不幸的是，麻烦就在眼前。这家小型英国公司因为赢得英国广播公司的合同，制作国家电视节目所需的电脑而燃起了名气。《BBC微型电脑》的销售量飙升，并有望超过120万台。但是，个人计算机的世界正在发生变化。家长为帮助孩子做作业而购买的廉价8位微型计算机市场已饱和。来自大洋彼岸的新机型，如IBM PC和即将推出的苹果Macintosh，承诺更强大和易用。Acorn需要一种竞争方式，但它没有足够的研发资金。
一个想法的种子
BBC Micro 的设计师之一 Sophie Wilson 就预见到了这个问题。她添加了一个名为“Tube”的插槽，可以连接到更强大的中央处理器。插入新的 CPU 可以接管计算机，使原始的 6502 芯片空出来处理其他任务。但是她应该选择哪个处理器呢？Wilson 和共同设计师 Steve Furber 考虑了各种 16 位选项，例如 Intel 的 80286，National Semiconductor 的 32016 和 Motorola 的 68000。但是没有一个完全令人满意。
在与计算历史博物馆的后续采访中，威尔逊解释道：“我们能够看到所有这些处理器所做的事情以及它们所没有做的事情。所以它们没有做好使用内存系统的工作是第一件事，第二件事是它们不够快，不够易用。我们习惯于用机器码编程6502，而我们希望我们能够达到一种功率水平，这样如果你用更高级的语言编写，你可以实现相同类型的结果。”但是替代方案是什么呢？微小的英国橡树公司是否能够从头开始自己制造CPU呢？为了找到答案，威尔逊和弗伯前往国家半导体以色列工厂进行考察。他们看到了成百上千的工程师和大量昂贵的设备。这证实了他们的猜想，这样的任务可能超出了他们的能力范围。然后他们访问了亚利桑那州梅萨市的Western Design Center。这家公司正在制造备受喜爱的6502并设计了一个16位的继任者65C618。威尔逊和弗伯除了在一个郊区的平房里看到几个工程师和一些学生使用旧的Apple II电脑和一些胶带制作图表外，几乎没有看到任何东西。
突然间，制造自己的CPU似乎成为可能。威尔逊和弗伯的小团队之前已经设计过自定义芯片，例如为BBC微型计算机设计的图形和输入/输出芯片。但是这些设计比CPU更简单，组件更少。
尽管遇到了挑战，Acorn的高管支持他们的努力。事实上，他们不仅给予支持。Acorn的联合创始人赫尔曼·豪瑟（Hermann Hauser），拥有物理学博士学位，向团队提供了IBM研究论文的副本，描述了一种新的、更强大的CPU类型。它被称为RISC，即“精简指令集计算”。
RISC
这到底意味着什么？为了回答这个问题，让我们简单地了解一下CPU是如何工作的。它从晶体管开始，晶体管是由硅和不同化学物质混合而成的微小三明治状器件。晶体管有三个连接器。当在门输入中放入电压时，它允许电流自由地从源输入流向漏输出。当门上没有电压时，电流停止流动。因此，晶体管可以作为可控开关。
简化晶体管动画。
杰里米雷默。你可以组合晶体管形成逻辑门。例如，两个连接在串联中的开关形成“与”门，而两个并联连接的开关形成“或”门。这些门让计算机通过比较数字来做出选择。
简化的“与门”和“或门”，使用晶体管。杰里米雷默。
但是如何表示数字呢？计算机使用二进制或2进制，通过将小正电压等同于数字1，而没有电压则等同于0来表示数字。这些1和0被称为比特。由于二进制算术非常简单，所以很容易制造可以将0或1加到0或1并存储和可选进位位的二进制加法器。比1更大的数字可以通过添加同时工作的更多加法器来表示。同时可访问的二进制位数是衡量芯片“比特性”的一个指标。像6502这样的8位CPU以8位块的形式处理数字。
算术和逻辑是CPU的重要组成部分。但是人类需要一种方法来告诉它该怎么做。因此，每个CPU都有一组指令集，这是它可以移动数据进出内存、进行数学计算、比较数字并跳转到程序的不同部分的所有方式的列表。RISC的思想是大幅减少指令数，从而简化CPU的内部设计。如此大幅减少指令数？16位芯片Intel 80286总共拥有357个独特指令。Sophie Wilson正在创建的新的RISC指令集仅有45个。
Intel 80286和ARM V1指令集的比较。
每个指令变体都有单独的数字代码。（作者编制的电子表格。）为了实现这种简化，威尔逊采用了“装载和存储”体系结构。传统（复杂）CPU有不同的指令来将来自芯片内部的两个“寄存器”（芯片内部的小块内存）或来自外部存储器中两个地址之和的数字相加，或者两者的组合。相比之下，RISC芯片指令只能在寄存器上工作。然后，单独的指令将答案从寄存器移动到外部存储器。扩大 / 通用CISC CPU与通用RISC CPU的汇编语言比较。在进行操作之前，RISC处理器必须将内存值加载到寄存器中。
这意味着为RISC CPU编写的程序通常需要更多的指令才能产生相同的结果。那它们如何更快呢？一个答案是，简单的设计可以以更高的时钟速度运行。但另一个原因是更复杂的指令需要更长时间的芯片来执行。通过保持它们简单，可以使每个指令在单个时钟周期内执行。这使得使用一种称为“流水线”的东西更容易。
通常，CPU需要在几个阶段处理指令。它需要从存储器中提取指令，解码指令，然后执行指令。Acorn正在设计的RISC CPU将具有三级流水线。当芯片的一部分执行当前指令时，另一部分正在提取下一个指令，等等。
RISC设计的缺点是程序需要更多的指令，因此在存储器中占用更大的空间。在20世纪70年代末，第一代CPU正在设计时，1MB内存的成本约为5,000美元。因此，任何减少程序内存大小的方法（并且具有复杂的指令集将有助于实现）都是有价值的。这就是为什么像Intel 8080、8088和80286这样的芯片有那么多的指令的原因。
但是存储器的价格迅速下降。到1994年，1兆字节的价格将低于6美元。因此，未来所需的额外内存将不再是一个大问题。为了进一步未来证明新的Acorn CPU，团队决定跳过16位，直接采用32位设计。实际上，这使芯片在内部更简单，因为您不必经常分解大数量，并且可以直接访问所有内存地址。（事实上，第一款芯片只公开了其32个地址线中的26个引脚，因为时代要求的640万字节的内存是一个荒谬的数量）。此时，团队唯一需要的就是一个新CPU的名称。考虑了各种选项，但最终被称为Acorn RISC机器或ARM。第一款ARM芯片的开发时间为18个月。为了节省成本，团队在将其投入硅片前花费了大量时间来测试其设计。Furber在BBC Micro上使用解释型BASIC编写了ARM CPU的模拟器。当然，这非常慢，但它有助于证明该概念，并验证了Wilson的指令集将按设计工作。
据威尔逊表示，开发过程既雄心勃勃又简单明了。“我们当时认为自己有点疯狂，我们觉得自己做不到。但是我们不断发现实际上并没有停止的地方，只需要不断地努力工作。” 费伯主要负责芯片的布局和设计，而威尔逊则专注于指令集。但实际上，这两种工作是相互交织在一起的。选择每个指令的代码数字并非随意。每个数字都是根据二进制数字转化后的结果选择的，使得指令总线上的适当电线可以激活正确的解码和路由电路。测试过程不断完善，威尔逊带领一个团队编写了更先进的仿真器。她解释说：“通过纯指令模拟器，我们可以让事物在6502第二处理器上每秒运行数十万个ARM指令。我们可以编写大量软件，将BBC BASIC移植到ARM和其他平台的第二处理器操作系统。这使我们越来越有信心。其中一些东西的工作效果比我们以前看到的任何东西都好，尽管我们正在解释ARM机器代码。ARM机器代码本身就非常高效，所以解释后的ARM机器代码的效果往往比同一平台上的编译代码要好。” 这些惊人的结果促使这个小团队完成了工作。第一款ARM CPU 的设计被发送到美国的VLSI Technology Inc.进行制造。第一版芯片于1985年4月26日返回Acorn。威尔逊将其插入BBC Micro的Tube插槽，加载移植到ARM版本的BBC BASIC，并使用特殊的打印命令进行了测试。芯片回复：“[你好，世界，我是ARM]，”然后团队打开了一瓶香槟。
其中之一是最早的ARM芯片。
让我们稍微退后一步，反思一下这是一项多么惊人的成就。整个ARM设计团队只有Sophie Wilson、Steve Furber、几位其他芯片设计师和一个四人团队编写测试和验证软件。这款基于先进RISC设计的新型32位CPU由不到10个人创建，第一次就正确地起作用。相比之下，国家半导体已经进行了第10次的32016修订，仍然在发现错误。ACORN团队是如何做到的呢？他们设计ARM尽可能简单。V1芯片仅具有27,000个晶体管（80286具有134,000个！），并且采用3微米工艺制造-即3,000纳米，约为今天CPU的一千分之一。
ARM V1芯片及其块图。
在这个详细的级别上，你几乎可以看到单个晶体管。例如，看一下寄存器文件，并将其与这个交互式块图进行比较，该块图说明随机访问内存的工作原理。你可以看到指令总线从输入引脚传输数据，并将其路由到译码器和寄存器控件。虽然第一个ARM CPU令人印象深刻，但需要指出它所缺少的东西。它没有内置缓存存储器。它没有乘法或除法电路。它还缺少浮点单位，因此非整数的操作比它们可以更慢。然而，使用简单的移位寄存器可以帮助处理浮点数。这款芯片以非常谦虚的6 MHz的速度运行。这个勇敢的ARM V1表现如何呢？在基准测试中，它被发现与以相同时钟速度运行的Intel 80286相比，大约快了10倍，并等同于以17 MHz运行的32位Motorola 68020。ARM芯片还设计成能够在非常低的功率下运行。威尔逊解释说，这完全是一项节省成本的措施，团队想要为芯片使用塑料外壳而不是陶瓷外壳，因此他们设定了最大功率使用量为1瓦特的目标。
但是，他们用于估计功率的工具是原始的。为了确保他们没有超过限制并熔化塑料，他们对每个设计细节非常保守。由于设计的简单性和低时钟速率，实际功率消耗最终达到了0.1瓦特。事实上，团队将ARM插入的第一个测试板连接断裂并未连接任何电源。当他们发现故障时，这是一个很大的惊喜，因为CPU一直在工作。它仅仅是从支持芯片发出的电漏电中开启的。根据威尔逊的说法，ARM芯片的功率消耗之低是“完全意外的”，但这在后来变得非常重要。#装备新电脑因此，英国橡树公司拥有了这样一个令人惊叹的技术，领先于竞争对手数年。那么，财务上的成功肯定很快就会出现，对吧？好吧，如果你遵循计算机历史，你可能已经猜到答案了。
到了1985年，BBC Micro的销售开始减少，受到廉价的Sinclair Spectrum和IBM PC克隆机的挤压。Acorn将其公司的控制权出售给了Olivetti，先前曾与其合作为BBC Micro制造打印机。通常来说，如果你将自己的计算机公司卖给了一个打字机公司，这不是一个好兆头。Acorn向研究人员和爱好者出售了一块带有ARM芯片的开发板，但其市场仅限于现有BBC Micro所有者的范围内。该公司需要一台全新的电脑，以真正展示这个新CPU的强大性能。在此之前，它需要稍微升级原型ARM。1986年，ARM V2推出，增加了对协处理器（例如浮点协处理器，当时是计算机的受欢迎附加组件）和内置硬件乘法电路的支持。它采用2微米工艺制造，这意味着Acorn可以将时钟频率提高到8MHz而不消耗更多电力。但是，仅有CPU还不足以构建完整的计算机。因此，团队建造了一个图形控制器芯片、输入/输出控制器和内存控制器。到了1987年，包括ARM V2在内的四个芯片以及一个原型计算机已经准备就绪。为了反映其先进的思维能力，该公司将其命名为Acorn Archimedes。
鉴于当时已经是1987年，个人电脑现在不仅仅只有提示输入BASIC指令的功能。用户要求像Amiga、Atari ST和Macintosh上那样漂亮的图形用户界面。Acorn在加州帕洛阿尔托设置了一个远程软件开发团队，该团队设计了Archimedes的下一代操作系统。它被称为ARX，承诺具有抢先式多任务处理和多用户支持。ARX运行缓慢，但更大的问题是它延迟了很长时间。Acorn Archimedes准备出货，但公司没有一个可以运行它的操作系统。这是一个危机情况。Acorn管理层去找保罗·费洛斯(Paul Fellows)，他是Acornsoft团队的负责人，曾为BBC Micro编写过多种语言。他们问他：“你和你的团队能否在五个月内编写并发布Archimedes的操作系统？”费洛斯说：“我是那个傻瓜，我说可以做到。”
五个月的时间不多，从零开始制作操作系统。快速、粗糙的操作系统被称为“亚瑟项目”，可能是以著名的英国计算机科学家亚瑟·诺曼（Arthur Norman）命名的，也可能是“ARm by THURsday！”的缩写。它起初是BBC BASIC的扩展。Richard Manby在BASIC中编写了一个名为“Arthur Desktop”的程序，仅仅是为了演示团队开发的窗口管理器可以做什么。但是他们没有时间了，所以演示被烧录到了第一批计算机的只读存储器（ROM）中。
第一批Archimedes型号于1987年6月出货，其中一些仍然带有BBC品牌。这些计算机的速度确实很快，而且性价比很高——引进价格为800英镑，当时约为1300美元。这与1987年售价为5500美元，并具有类似的计算能力的Macintosh相比较有利。
但是Macintosh有PageMaker、Microsoft Word和Excel等各种有用的软件。Archimedes是一个新的计算机平台，在推出时没有太多软件可用。计算机世界正在迅速走向IBM PC兼容机和Macintosh（还有几年时间是Amigas），其他人发现自己被挤出了。Archimedes计算机在英国媒体上获得了好评，并拥有一批热情的粉丝，但在头几年中只售出不到10万台系统。
种子在成长
Acorn迅速修复了Arthur中的错误，并致力于开发一个更加现代化的操作系统RISC OS。1989年，RISC OS正式推出，紧随其后的是新版本的ARM CPU——V3。V3芯片采用1.5微米工艺生产，将ARM2核心的尺寸缩小到了可用晶片空间的四分之一左右。这为其留出了4千字节的快速一级缓存内存的空间。同时，它的时钟速度也提高到了25 MHz。虽然这些改进已经令人印象深刻，但像Sophie Wilson这样的工程师认为ARM芯片还可以取得更大的突破。但是，由于Acorn的资源正在迅速枯竭，团队需要寻找外部投资者才能实现这些梦想。
就在这时，来自另一家以流行水果命名的电脑公司的代表走进门来。
“请收听下个月的ARM故事第二部分。历史上的ARM（第二部分）：一切开始走向成熟。曾经只有十二个人和一个梦想的公司如今已成为了一个价值十亿美元的企业。”
一切开始聚拢
故事到目前为止：**1980年代末，Acorn Computers公司面临十字路口。由Sophie Wilson和Steve Furber领导的一个小团队发明了一种强大的新型电脑芯片——Acorn RISC Machine（ARM）。Acorn推出了一系列使用这些ARM芯片的新型电脑，名为Archimedes。但是世界并未前来拜访这家公司。从一开始，很难让任何人关心这项惊人的技术。在首批ARM芯片发货几个月后，Acorn Computers的Steve Furber打电话给一名科技记者，并试图让他报道这个故事。这位记者回答说：“我不信你。如果你一直在做这件事，我会知道的。”然后挂掉了电话。在Acorn苦苦挣扎之际，Furber试图想象如何将ARM芯片拆分成一个单独的公司。但他无法想出如何使商业模式奏效。他在一次采访中表示：“你必须卖出数百万才能支付版税。”“我们无法想象会卖出数百万个这样的东西。”前途黯淡——直到另外一家电脑公司的代表走进了门。一个名叫苹果的小公司。
一家新公司苹果是如何第一次听说ARM的呢？苹果的高级技术组（Advanced Technology Group）的两名工程师保罗·加瓦里尼（Paul Gavarini）和汤姆·皮塔德（Tom Pittard）建造了一台名为Moebius的原型计算机，它使用了ARM2芯片，并运行着Apple.][和Macintosh软件，比本地的6502和68000 CPU的仿真速度更快。苹果的高层管理层对这台机器感到困惑，并迅速将其淘汰，但加瓦里尼和皮塔德继续在内部演示中鼓吹ARM，展示了运行LISP时令人印象深刻的基准测试结果。LISP是一种重量级语言，苹果内部正在使用它来测试新的图形界面，但它被认为对于嵌入式应用来说过于笨重。当苹果老将拉里·特斯勒（Larry Tesler）看到这些基准测试结果时，他恍然大悟。特斯勒刚刚接手苹果牛顿（Apple Newton）项目，他需要替换其中缓慢且存在漏洞的AT＆T Hobbit CPU。ARM芯片看起来是一个胜利者。它不仅是一个速度恶魔，而且其难以置信的低功耗使其成为手持牛顿设备的理想选择。
苹果公司CEO约翰·斯卡利展示了一款牛顿的预生产版本。特斯勒与ARM团队安排了一次会议，他很喜欢他们的路线图。但问题在于，苹果是一家计算机公司，而英国橡树公司则是直接的竞争对手。这为一个决定制定了铺垫：ARM员工希望摆脱英国橡树公司日益衰落的厄运。橡树公司的大股东Olivetti更喜欢制造IBM PC克隆产品。制造ARM芯片的硅晶圆代工厂VLSI Technology则希望拥有更多的客户。而苹果则想取得许可使用该芯片。将ARM分拆出去符合各方的利益。1990年11月，达成了一项“三方协议”。苹果现金投资300万美元获得30%的股份。VLSI投资50万美元，还提供了自己的知识和工具。英国橡树公司转让了其所有ARM知识产权和价值300万美元的12名员工。应苹果公司的要求，新公司更名为Advanced RISC Machines，ARM如今独立运作。#一个新的领导者。
第一家ARM总部。
是的，它是一个改造过的谷仓！* 苹果芯片制造商 ARM 的成立***！在苹果开始注资之前，他们想为ARM选择一位CEO。苹果聘请了与找到约翰·斯卡利一样的猎头公司，但这次结果要好得多，他们聘请了罗宾·萨克斯比。 萨克斯比1947年出生于英格兰切斯特菲尔德。小时候，他就对电气布线感到着迷，青少年时期他创办了他的第一个业务，修理收音机和电视机。他在利物浦上大学，学习电子工程，在1968年毕业后，他的第一份工作是协助设计英格兰第一台晶体管电视机。1973年加入摩托罗拉，很快被提升为销售工程师，他的工作是到公司的客户处旅行，并帮助他们用摩托罗拉产品构建他们的设计。当他加入CPU部门时，他认为他的客户都是主流计算机公司，但令他惊讶的是，大多数想要摩托罗拉CPU的人都有着特定的嵌入式应用。有一次，他为摩托罗拉起草了一个提议，希望将其CPU设计团队分拆并提供设计服务，但管理层并不喜欢这个想法。
1990年代的Robin Saxby. *
每日邮报***在摩托罗拉工作后，Saxby加入了一家名为ES2的初创公司，该公司试图开发新的硅芯片制造技术。 ES2已经为ARM构建了一些测试芯片，所以Saxby已经了解了这家公司。但当他被问到是否要加入ARM作为其第一任CEO时，他对自己是否是最佳人选表示怀疑。为了确保，他在一家酒吧安排了一次与ARM员工的午餐会议。当时，公司缺乏领导。史蒂夫·福伯离开寻求其他机会，Sophie Wilson则做出了“艰难的决定”，留在Acorn，尽管她仍然可以提供咨询服务。剩下的12名ARM员工迟到了，Saxby差点离开。但是当他们到达那里时，会议取得了巨大的成功。所有12名工程师一致同意Robin Saxby是正确的选择。即使那时，他也需要一点推动。他问11岁的女儿，是否该冒险接受这份新工作。她[说] “爸爸，我有个骰子，如果你抛出6，你就会成为百万富翁。”他掷了一下。结果是6。他在1991年初成为ARM的第一任CEO。
我花了23次才把这个“6”扔出去。*杰里米·雷默***！
艰难的时期公司首先需要一个商业模式。萨克斯比翻出了他的旧摩托罗拉建议书，并为ARM的需求进行了修改。公司将许可其技术以一笔预付款为前提，并在每个芯片销售中收取一定的版税。理论上，这一组合足以维持生计。萨克斯比的愿景一开始就是雄心勃勃的：他希望ARM成为“全球RISC标准”。设定目标是一回事，实现它则是另一回事。计算机世界的其余部分也跳上了RISC快车。IBM于1986年推出了6150 RT，接着是MIPS和惠普的PA-RISC，以及SUN的SPARC。Motorola在1988年出货88000，英特尔在1989年发布i860和i960，DEC正在开发其Alpha芯片。和这些巨头中的任意一个竞争都很困难。去战胜他们似乎是不可能的。
但这些公司大多使用RISC制造高端台式工作站。萨克斯比记得自己在摩托罗拉的时候，嵌入式应用市场被忽视了。也许全球RISC标准现在还无法达成，但全球嵌入式RISC标准是可以实现的。而且，ARM芯片的晶体管更少，耗电更少，比竞争对手更便宜，适用于更广泛的应用范围。一些最初的授权是针对传真调制解调器和其他小型应用的。初期，资金紧张。Acorn最初承诺创始工程师他们会在第二年获得薪资增加，但在1991年，ARM的资金快用完了。萨克斯比说，如果公司获得了一份重大的新合同，他会兑现这个承诺。他与英国国防承包商Plessey签署了一份协议，并给工程师们追溯涨薪。公司的第一个新产品是ARM6核心，是ARM3的后继产品。它建立在0.8微米的工艺上，运行速度为20 MHz。保持了精简指令集复杂度的哲学，它只有两个新指令。核心本身只有35,000个晶体管，不比原始的ARM多出多少（相比之下，英特尔的386有275000个晶体管！）。为了制造Newton，ARM将这个核心与内存管理单元和4 KB的一级缓存打包在一起。这就是ARM610。同时，公司推出了ARM250。它具有旧的ARM3核心，但也包括了曾在Archimedes计算机中的所有支持芯片：内存控制器、I/O芯片和视频芯片。它是一个真正的“片上系统”（SoC）。当时，它除了使Archimedes便宜一些外，市场并不大。但这是即将到来的事物的一个暗示。
ARM250 SoC。展望未来。BBC Acorn 用户杂志。1993年，苹果公司终于发布了备受期待的Newton。首年销售了6万台，对于像苹果这样的大公司来说，这可以视为巨大的失败。但对于ARM来说，每个芯片20美元的版税成为送来的好机会。萨克斯比把资金再投入到ARM中，把公司规模从30人扩大到60人，这是一次赌博。为了让这个计划成功，ARM需要赢得一些重要的许可证。
说服大公司有时对于像ARM这样的小公司来说困难重重。在与前雇主摩托罗拉的会议上，萨克斯比回忆道，那位高管在结束时说：“当然，我们没法为你支付任何许可费或版税。”该公司期望ARM对于“曝光度”可以满意，因为摩托罗拉本来就可以自己完成这项工作。萨克斯比问那位高管有多少工程师在该项目上工作。回答是大约有200人。萨克斯比问：“你是否意识到，你要向我们支付的许可费是你支付给工程师薪水的四分之一？”他仍然拒绝给ARM钱，萨克斯比离开了这项交易。像得到其他大公司的好处一样。
德克萨斯仪器公司（Texas Instruments）也认为自己可以用自己的内部资源比ARM更出色。当德克萨斯仪器公司CPU部门的负责人要求获得ARM许可证时，他的上司回击道：“你告诉我，在将微处理器内核嵌入基带芯片的设计中，我们甚至无法与其他公司竞争？”后来，在讨论潜在合作的会议上，德州仪器人员没有签署保密协议就来到了现场。萨克斯比坚持要他们立即离开，并在签字后再回来。ARM可能很小，但萨克斯比决不会让公司被推来推去。
德州仪器犹豫不决，但最终还是决定向其最大的客户之一——诺基亚引进ARM。这是一次试验。如果ARM能说服诺基亚使用其设计，那么它们就足够好，足以由TI进行制造。1993年，诺基亚已经是移动电话领域的冉冉升起之星，前一年就已经销售了300万部手机。它对新型号有着宏伟的计划，但是公司对16位日立H8 CPU很满意，这是传统的CISC芯片。虽然32位RISC芯片提供了大幅的速度和效率提升，但是代价是更高数量的指令需要等效代码，每个指令要用到两倍的存储器。桌面上这项额外的存储器需求不是什么大问题，但移动电话只有微小的RAM和存储容量。从与诺基亚的会议回程的航班上，ARM工程师们决定，如果诺基亚想要16位，它们就会得到16位。他们创建了一套全新的、简化的16位指令集，并设计了电路，将它们映射到现有的32位指令集中。这样，你可以拥有更小的程序代码，所占的存储器更少，但它将以接近两倍的速度运行于完全的16位芯片。作为一个玩笑，工程师们把这些扩展称为“拇指”，因为拇指是你手臂末端的东西。这个名字沿用至今。当诺基亚的工程师们看到拇指架构的计划以及将随之而来的更先进的ARM7核心时，他们非常兴奋。德州仪器意识到这家小型英国公司通过了这个测试，并在1994年终于获得了ARM许可证。现在德州仪器能够为新一代诺基亚手机制造先进的芯片了。这些手机中的第一款是Nokia 8110，它是具有ARM核心的第一款GSM手机。几年后，当它出现在电影《黑客帝国》中时，它就变得非常出名。
诺基亚8110。那是一款由ARM芯片支持的。
在TI交易之后，ARM一发不可收拾。该公司在电子行业中获得了真正的信誉。它与夏普、三星和NEC签订了协议。到1995年，该公司已经有10个许可证持有者。
ARM7非常受欢迎。这款CPU是在0.35微米工艺上建造的，速度高达66 MHz。拇指扩展对移动应用程序或任何需要代码密度的地方非常有用，但芯片也可以以全速运行32位代码。1996年，又有四家公司购买了ARM许可证：Oki、Alcatel、Yamaha和Rohm。甚至摩托罗拉最终也签署了一项协议。
为什么许多公司，包括已经制造自己芯片的大型电子公司，都想要与ARM签约？部分原因在于成本优势-ARM许可证不是价格过高，而它们肯定比雇用数百名工程师数年设计全新芯片要便宜。另一方面是Sophie Wilson和Steve Furber所创造的技术遗产。ARM芯片快速且易于制造，并且它们的功耗很低。但是，ARM还有一个优势：它不仅仅是另一个芯片制造公司。当ARM与其他公司合作时，它成为合作伙伴，帮助设计一种可根据另一个公司的特定需求进行定制的解决方案。为诺基亚开发拇指扩展功能就是其中的一个示例。ARM还与数字设备公司合作创建了StrongARM，这是芯片的更快版本，运行速度高达233 MHz。这些强大的芯片最终出现在苹果MessagePad 2000（改进的牛顿）、Eidos Optima视频编辑工作站和Acorn Computers最新的RISC PC上（这是Archimedes线的新名称）。对于Robin Saxby来说，与竞争芯片公司合作的想法一直是战略的一部分。他会说：“让你的敌人变成朋友。如果他们与你合作可以为自己赚更多的钱，为什么他们要与你抗争呢？”这种感觉弥漫着公司。在接受Ars采访时，一位ARM发言人解释说：“ARM的商业模式是一种基于成功的商业模式，基于ARM的合作伙伴成功时ARM就会成功。”经过缓慢的起步，公司现在证明了这并不仅仅是一种高峰的理想，而是有效的。
20世纪90年代，ARM的戏剧性增长。作者编制的数据和图表。Jeremy Reimer。但ARM仍然必须战略性地做出反应。当LSI Semiconductor请求授权时，Saxby拒绝了他，即使首席执行官提供了很多钱。他这样做是因为LSI将直接与ARM的制造合作伙伴VLSI竞争。相反，他要求LSI的首席执行官先为他们带来一些新业务，然后他再考虑。他回来了，带着来自硬盘公司西部数据的一份报价。每笔交易都预计会扩大市场并帮助ARM成为标准。到1998年，ARM已经超出了它最初的谷仓。该公司有274名员工，上一年收入达4400万美元，盈利超过800万美元，同时出货近1000万个ARM处理器。ARM还不是全球RISC标准的领导者——MIPS已经在那里夺冠，这在很大程度上要归功于索尼PlayStation——但它排名第三，并且已经超过了Intel的i960和Motorola的PowerPC。它也是所有RISC芯片供应商中增长最快的一个。
所有这些积极的增长使得公司上市的时机非常适合。1998年4月17日，该公司在伦敦证券交易所和纳斯达克成功发行了首次公开募股（IPO）。股票的初始价格为5.75英镑，即略低于10美元。当年晚些时候，ARM报告出售了5100万个处理器，股票飙升。ARM从最初的12人和一个梦想开始，现在已经成为了价值十亿美元的公司。
ARM团队庆祝在纳斯达克上市。
ARM的两个创始投资者则走向了相反的方向。苹果公司在1997年亏损了超过10亿美元，其经营现金正在危险边缘。在ARM首次公开募股的第二天开始，苹果公司抛售了大部分股份，其持股从42.3%降至不到6%。这一现金支出帮助史蒂夫·乔布斯在关键时刻稳定了公司。Acorn也在苦苦挣扎。由于销售持续下滑，该公司放弃了RISC PC的开发，并取消了最终版本的“Phoebe”模型，只留下其独特的黄色外壳。曾经，公司的资本价值低于其对ARM股份的24%份额。Acorn出售了其股票，并用这笔钱来重新筹资和重组公司。1999年，公司更名为“Element 14”，并将重点转向开发电信产品。
受ARM的成功推动，VLSI技术继续壮大。1999年6月，它被飞利浦电子以10亿美元的价格收购。#
一个变化的世界
ARM起初只是个疯狂的梦想。1985年，苏菲·威尔逊（Sophie Wilson）和史蒂夫·法伯（Steve Furber）看了许多可用的CPU，发现它们都不太令人满意。令人难以置信的是，他们带领一个10人团队，从零开始开发出了一种先进的32位精简指令集（RISC）CPU，仅用了18个月的时间从想法到实际硅片。最初的想法是利用这些惊人的CPU，构建出伟大的个人电脑，从而接管世界。但世界已经变了，不再有新的不兼容计算机平台的空间。相反，由于苹果（Apple）、VLSI和罗宾·萨克斯比（Robin Saxby）的远见，ARM芯片发现自己可以自由地到达需要它最多的任何地方。接下来的十年中，各种小设备都最需要ARM，从传真调制解调器到硬盘驱动器再到移动电话等等。但随着新千年的到来，这些小设备变得越来越强大。尽管牛顿失败了，但一般的个人数字助手市场在蓬勃发展，移动电话自己开始拥有类似于PDA的功能。ARM迎来了最大的机遇和最大的挑战。请敬请期待ARM故事的最后一部分！###ARM历史系列第三部分：循环回归在我们的系列结束篇中，ARM实现了将计算能力带给大众的目标。
故事至此：随着20世纪的结束，ARM面临巨大的变革。在其首任CEO Robin Saxby的领导下，该公司从一个谷仓里的12名工程师壮大到拥有数百名员工，并成为快速扩展的移动市场中优先选择的RISC芯片。但移动和电脑领域开始融合，后者的巨头们并不打算屈服于前者的新贵。（这是三部曲系列的最后一篇。请阅读第一部分和第二部分。）就像ARM故事中的许多事情一样，这就是从苹果开始的。
史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）辉煌地回到了他共同创立的公司。彩色圆顶iMac的发布，与微软的协议以及苹果的ARM股票出售，使该公司从破产边缘走向了稳定的财务基础。但是苹果的“iCEO”仍在寻找下一个大事。
乔布斯为iMac配备了一种称为FireWire的新连接器，它能够快速传输视频和声音。一种称为MP3的文件格式正在变得流行，用于计算机用户在计算机上共享音乐，而公司已经开始制造便携式MP3播放器。但是这些设备存储量很小、USB 1.0传输速度很慢，而且软件糟糕。乔布斯着迷于制作播放器的想法，并几乎把所有时间都投入到了这个项目中。
苹果与一家名为PortalPlayer的公司合作，后者一直在开发自己的播放器。硬件使用了一个定制的ARM芯片PP5502。它是一个带有双ARM7内核的片上系统，运行速度为90 MHz，内置32MB存储器。主板上唯一的其他大型芯片是FireWire控制器。ARM许可证的灵活性使得设计带有自定义电路的CPU（例如MP3解码）变得容易。
多容易啊？一位名叫约翰·西姆斯博士的熟人告诉我了同一时期的另一家MP3播放器公司的故事。一个工程师只用了六个月的时间就在标准的ARM设计中加入了数字信号处理器（DSP）。而一家竞争对手公司则是从头开始建立芯片，而不是与ARM合作，他们需要60名工程师，整个项目需要三倍的时间。iPod于2001年发货，在发布与Windows兼容的版本后，这款小型音乐播放器成为了行业标准。在设备高峰期，每年销售超过5000万台iPod。虽然人们迷醉于它的界面、易用性和标志性的白色耳机，但大多数人没有意识到iPod实际上是一台微型计算机。它有一个CPU、内存、一个微型硬盘和一个操作系统，它的触摸轮和按钮就像一个小鼠标和键盘。它甚至有一个位图显示器，可以播放简单的游戏。
说到游戏，ARM在2001年获得的第二个重大胜利是任天堂的Game Boy Advance。这是原Game Boy的继任者，搭载了一个带有嵌入式存储器的16.8 MHz ARM7核心。为了与旧系统兼容，它还有一个Sharp LR35902。即使是便携式游戏机也在从CISC转向RISC芯片。
iPod只是移动世界中将是一个具有划时代意义的时期的开始。在与摩托罗拉进行了一段奇怪而最终注定失败的交往之后，将iPod放入ROKR翻盖手机中，苹果开始着手从零开始制作新手机。该项目始于2004年。乔布斯不确定正确的方法是将iPod放大到变成手机，还是将Macintosh的OS X操作系统简化以便在移动设备上运行。为了解决这个问题，乔布斯让竞争团队同时工作于两种方法。托尼·法德尔的iPod小组经验丰富，但他们正面临着摩尔定律的错误一面。
ARM芯片从1985年的第一版到今天已经走了很长的路。该芯片由2.7万个晶体管组成，采用了3微米的工艺制造。这意味着晶体管和电线大约跨度为0.000003米，或0.003毫米。这似乎很小，但硅芯片制造技术的进步意味着，到2006年，芯片制造厂已经在使用90纳米的工艺制造了。这使得更多的晶体管，包括大量的快速缓存存储器，可以放在相同的大小芯片上。这也意味着芯片可以以更高的时钟速度运行。
相比之下，软件的改善速度要慢得多。编写和测试需要时间 – 以及修复每个新功能引入的不可避免的错误。因此，等待摩尔定律使可运行现有OS X软件的移动芯片可用比添加所有必要的功能到iPod的基础操作系统更快。乔布斯决定采用简化版OS X方法。但现在的问题是谁来制造芯片。乔布斯问英特尔公司的首席执行官保罗·奥特林尼是否想竞标为苹果即将推出的手机制造芯片的权利。制造业巨头因销售用于Windows操作计算机的台式x86 CPU而骄傲。但是，它还拥有一家基于ARM的业务XScale，该业务于1998年从Digital Equipment Corporation（DEC）购买。因此，英特尔可以轻松满足苹果的要求。但奥特林尼拒绝了这个提议。他计算出苹果每个CPU愿意支付的最高金额小于英特尔生产它们的花费，并且他不确定苹果手机会以高销量销售。此外，他对支持XScale感到紧张，尤其是因为英特尔正在开发Atom，其即将推出的低功耗版本的x86。他倍加强调x86并于2006年出售了XScale部门。这里有一定的讽刺意味。 DEC最初出售其ARM业务，因为它需要这笔钱。它需要这笔钱的原因是英特尔正在摧毁DEC的小型计算机和工作站市场。生产量更高的更便宜的基于x86的PC电脑随着时间的推移使这些较大的计算机越来越不具竞争力。现在，英特尔正放弃同样的移动芯片部门，以专注于桌面。
在英特尔拒绝合作之后，苹果转向了三星。这家韩国集团同意为苹果的即将推出的手机制造一款强大的新型ARM芯片。这就是S5L8900，一款带有ARM11核心的SoC，运行速度为412 MHz（欠频！），拥有128MB RAM，高达16GB的存储空间和集成的PowerVR MBX Lite 3D图形处理器。这是一款非常注目的芯片，让人想起了1991年的ARM 250“一体化Archimedes芯片”，但它足够强大，可以成为本世纪初一台不错的台式机的核心。
但它不是台式机。它是一款革命性的手机。乔布斯于2007年1月9日在Macworld上[宣布了iPhone的推出
今天重看这个声明，感觉这是历史的一个转折点。奇怪的是，乔布斯花了很多时间强调iPhone实际上是三个设备：一个电话、一款iPod 和一款互联网通信器。
现在没有人会用这种方式描述iPhone。它是一部放在口袋里的电脑。大型计算机的大小相当于房间，小型计算机的大小相当于冰箱，微型计算机的大小相当于烤面包机。这些新设备本来可以被称为纳米计算机。但我们称它们为智能手机，尽管许多人很少再使用电话功能。在发布iPhone之后，谷歌的Android子公司了其产品计划，从生产类似于黑莓的克隆机转向生产更类似于iPhone的产品。2008年发布的T-Mobile G1也运行在ARM上。它引发了一波Android设备的涌现，而所有其他智能手机平台都被淘汰了，没有智能手机的手机很快就灭绝了。
安卓的快速迭代
芯片回到原点
2008年，苹果以2.78亿美元收购了P.A. Semi公司。该公司有150名工程师，设计高效的PowerPC处理器。许多人想知道为什么苹果会收购一家PowerPC公司，特别是因为它在2005年已经将Macintosh从PowerPC转换成Intel x86处理器。
但是，PA Semi的工程师不仅了解PowerPC，他们还包括DEC Alpha和StrongARM处理器的主设计师以及曾在Intel的Itanium、AMD的Opteron和Sun的UltraSPARC上工作过的人。苹果所买的是世界顶级处理器设计专家。
广告该设计团队在秘密中工作了两年，直到2010年苹果公司推出iPad才揭开了面纱。它不使用三星的设计，而是运行在一种称为“A4”的芯片上，这是苹果内部设计的第一个SoC芯片（三星仍然制造芯片）。它以1 GHz的速度运行，并使用更新的ARM Cortex A8架构作为起点。这种架构相对于为第一代iPhone供电的旧版ARM11内核进行了显着升级。它们已经远离了原始的ARM CPU！
揭示A4芯片没有引起CPU设计社区的大风波。它被视为对现有移动芯片的正常改进。例如，英特尔正在忙于推广其高端x86台式机芯片，并试图用低功耗的基于x86的Atom重新进入移动芯片市场。其他芯片设计公司，如高通，正在他们自己的基于ARM的SoC设计中取得巨大成功，这些芯片被广泛地用于许多不同的Android产品中。
然而，新的苹果芯片出现了一个有趣的事情。 A4于2011年被A5取代，使其CPU性能加倍，并显着增加了视频芯片速度。下一年的A6也做了同样的事情。然后，在2013年，发布了A7。这是一款完全的64位CPU，甚至在32位过度方面也超过了ARM本身。它具有64位指令集，以及新的定制硅，可用作iPhone相机的图像处理器。在智能手机上放置64位CPU似乎是荒唐的。手机真的需要超过4GB的RAM吗？但是随着时间的推移，这些争论变得越来越不合理。
随着A7到A12的推出，这些移动芯片的性能图表上发生了有趣的变化。iPad Pro于2018年发布后，人们感到困惑。其A12 Bionic CPU的基准测试显示，在某些基准测试中，它比可比较的英特尔芯片更快（至少每个CPU核心）。这没有任何意义。移动芯片怎么可能比台式机更快？
答案是许多不同因素的混合。正如我们已经在结构图中看到的一样，最初ARM设计的简洁和优雅从一开始就为这些芯片在性能（特别是每瓦性能）方面提供了优势。这种优雅的一部分是由于减少指令集计算机（RISC）体系结构，它具有比Intel的复杂（CISC）x86芯片更简单的CPU指令和更少的指令。
但是Intel在所有这些年里并没有原地踏步。从1995年的Pentium Pro开始，该公司添加了一组隐藏的类似RISC的微操作。每当程序员向CPU发送常规的x86指令时，它都会在内部被翻译成这些微操作。这意味着Intel芯片可以像最强大的RISC芯片一样运行得非常快。由于Intel的规模经济规模——这家CPU巨头在2010年销售了近3亿个CPU——从x86遗留负担中损失的任何速度都被淹没了。它已经打败了其他RISC CPU，如SPARC、PowerPC和MIPS。甚至游戏机——它们不必像世代之间的遗留代码兼容性那样担心——到2013年也已从PowerPC转向x86芯片。
然而，全球智能手机市场的规模完全不同。世界上大部分地区仍然难以负担2000美元的个人电脑，但是200美元的智能手机更容易获得。因此，智能手机销售激增，在2010年超过了个人电脑销售，并且从未回头。到2018年，每年销售近15亿部智能手机。而Intel放弃在智能手机中使用Atom后，每个智能手机中都有一颗ARM芯片。 随着时间的推移，计算机和智能手机的销售。
现在规模经济有利于像三星和台湾半导体制造公司（TSMC）这样的移动芯片制造公司。苹果向TSMC投资了数十亿美元，并将其所有芯片制造业务都转移到了那里。英特尔无法从制造角度跟上步伐。2020年，英特尔承认它必须推迟从10纳米（nm）到7纳米工艺的转移。与此同时，TSMC跃升到了5纳米的制造工艺。虽然在这个尺度上，工艺数字开始失去了意义，但有一件事是清楚的：智能手机芯片已经准备好取得性能领先地位。在2020年11月，他们做到了。那时，苹果发布了其面向Macintosh电脑系列的M1芯片。这些芯片震惊了计算机世界，它们比最快的英特尔x86 CPU更加强大，但耗电量仅为其一小部分。ARM一直以每瓦性能获胜，但这些芯片则完全不同。M1芯片有160亿个晶体管。
我买了一台基于 M1 的 MacBook Pro，感觉它是第一台真正配得上笔记本名字的电脑。当我带着它去上班时，我甚至不需要携带充电器。无论运行什么程序，风扇从未启动，电池也从未耗尽。不可避免地，这种芯片也将面向 Windows 笔记本电脑。到那时，英特尔将会陷入真正的麻烦。ARM 经过 35 年的历程，已经走了个完整的圆。它始于 1985 年的台式计算机芯片，特别是 Acorn Archimedes。但当 Archimedes 未能占领市场时，ARM 芯片在1990年分离出成立了自己的公司。经过缓慢的开端，ARM 成为嵌入式 CPU 市场的标准，进入了像iPod、Game Boy Advance、iPhone 和 Android 等流行的移动设备。现在，终于有了回到个人电脑的机会。但 ARM 的灵活性意味着这些电脑不一定需要像 Apple 出售的那样昂贵。2009年，在原始的 ARM 芯片的故乡 England，注册了树莓派基金会，其使命是继续促进计算机科学教育，就像 Acorn 的 BBC 计算机在上世纪 80 年代所作的那样。鉴于这个历史悠久的血统，只有一个处理器是基金会会选择的。2012年发布了第一个树莓派。它是一款信用卡大小的单板计算机。树莓派配备了一个 ARM11 处理器，内置存储器以及计算机所需的每个连接器:用于鼠标和键盘的 USB、耳机插孔、用于显示器的 HDMI 以及以太网。它还配备了一个“通用输入输出”(GPIO) 连接器，使 tinkoer 能够轻松地连接和控制灯、传感器和电机。它售价35美元。后续的型号变得更加强大，但价格并没有上涨。ARM 的初衷是让大众拥有计算能力，这一目标已经实现了。
2006年，ARM的首席执行官罗宾·萨克斯比退休了。他已经计划了很长时间了。公司状况如此良好，他管理首席执行官交接非常出色，以至于ARM的股价甚至在消息公布后也没有波动。
我已经写过多年的计算机历史，有一件事我注意到的是，在市场上，高质量的技术很少能够取胜。同样在1985年发布的Amiga电脑显然领先了至少10年，但其母公司崩溃了，该平台从未恢复。
ARM的故事非常不同。虽然公司的创始人走了一条意想不到的道路，但他们的成功却出乎意料。我对此有一个理论。在我看来，两家公司都拥有杰出的工程师和先进的技术，但管理风格却迥然不同。为了检验我的想法，我需要找到一个知道ARM内情并知道一切的人。我需要和Saxby谈谈。Saxby非常愉快且慷慨地分享了他的时间。他讲述了他如何来到ARM以及如何与其他12名创始工程师立刻建立了友情。他开玩笑说，他选择了特定的工程师来填补关键职位，例如市场总监和销售总监以省钱。但实际上，他认为教好工程师如何销售比反过来容易得多。他还坚持让每个创始人都获得股票期权，以便他们都能分享公司的成功。但Saxby成功的关键在于他的管理方法简单而在商业世界中却不常见：ARM之所以成长，是因为它帮助别人成长。它将员工视为人而不是人力资源，让他们有机会学习和随着公司一起成功。他告诉我：“我深信，在任何团队中，任何成员在某些方面都比其他人更擅长，因此为了使团队表现出色，你需要让每个人都在自己最擅长的方面表现出色。相互合作的团队表现更佳。”他强调诚实对待员工的重要性，不要过度承诺公司所能提供的。ARM甚至视其竞争对手为潜在合作伙伴——当它帮助合作伙伴成功时，ARM也会受益。他说：“因为德州仪器没有理想的处理器来满足诺基亚的需求，所以他们对合作很感兴趣。”这种合作使ARM芯片成为了移动电话市场的标准。
**ARM芯片销售额随时间变化。*Jeremy Reimer***
让我们将这种理念与Amiga的母公司Commodore进行对比。它的创始人Jack Tramiel相信“商业就是战争”，他培养了一种管理风格，即为了使Commodore获胜，其他人必须失败。但他随后被一个漠不关心的金融家赶下台，后者用一位管理顾问Mehdi Ali取代了他的CEO职位。Ali对工程一无所知，也不想学习。他只想致富。Commodore很快就破产了，而Ali则在鄙视中消失了，直到死去。另一方面，ARM继续增长和成功。Saxby于2002年被英国女王伊丽莎白授予爵位，他的公司状况良好，继续以可信的顾问身份向公众提供信息和教育，成为工程和技术学会(IET)的主席，并深受所有人的喜爱，包括他的孙子孙女。
因此，如果你是一个有志成为技术CEO的人，想知道应该选择哪条路，答案应该很明显。
但是这个教训不仅适用于CEO，它适用于每个人。我们生活在前所未有的时代，在这个时代里，让我们能够与全球每个人进行沟通的技术现在却威胁着把我们分裂成争吵甚至战争的派系。然而这并不是必然的。最近的胜利，如詹姆斯·韦伯太空望远镜，是通过来自世界各地的工程师和科学家的合作实现的。Robin Saxby爵士解释说：“现实是，如果我们看看我们的星球，在每个国家，我们都有某些最棒的东西。只有通过合作，我们才能得到最好的结果。这是未来的唯一出路。”我完全同意。我是一名作家和网站开发者。我专攻于匪夷所思和美丽的事物，例如Amiga和newLISP。