那是 1983 年，Acorn Computers 處于世界之巔。不幸的是，麻煩就在眼前。

這家英國小公司因贏得英國廣播公司的合同——為全國電視節目生產電腦——而聞名。而這個被稱作BBC Micro 的產品銷量猛增，并有望超過 120 萬臺。

但是個人電腦的世界正在發生變化。父母購買廉價 8 位微型計算機以幫助孩子完成家庭作業的市場變得飽和了。來自大洋彼岸的新機器，如 IBM PC 和即將推出的 Apple Macintosh，承諾具有更強大的功能和更易用的功能。Acorn 需要一種競爭方式，但它沒有太多資金用于研發。

一個想法的萌芽

BBC Micro 的設計者之一索菲·威爾遜 (Sophie Wilson) 早就預見到了這個問題。她添加了一個稱為“Tube”的插槽，可以連接到更強大的中央處理器。一個帶插槽（slotted ）的 CPU 可以接管計算機，讓其原來的 6502 芯片空閑用于其他任務。

但是她應該選擇什么處理器呢？Wilson 和聯合設計師 Steve Furber 考慮了各種 16 位選項，例如 Intel 的 80286、National Semiconductor 的 32016 和 Motorola 的 68000。但沒有一個是完全令人滿意的。

286、32016 和 68000 CPU，大致按比例縮放

在后來接受計算歷史博物館采訪時，Wilson 解釋說：“我們可以看到所有這些處理器做了什么，沒有做什么。所以他們沒有做的第一件事就是沒有好好利用存儲系統。他們沒有做的第二件事是他們不快；它們不容易使用。我們習慣于用機器代碼對 6502 進行編程，我們更希望我們能夠達到一個強大的水平，這樣如果你用更高級的語言編寫，你就可以獲得相同類型的結果。”

但是有什么選擇呢？這家小型的公司Acorn 是否可以從頭開始制造自己的 CPU？為了找出答案，Wilson 和 Furber 參觀了 National Semiconductor 在以色列的工廠。他們看到了數百名工程師和大量昂貴的設備。這證實了他們的懷疑，即這樣的任務可能超出了他們的能力范圍。

然后他們參觀了位于亞利桑那州梅薩的西部設計中心。該公司正在制造廣受喜愛的 6502 并設計 16 位后繼產品 65C618。Wilson 和 Furber 發現的只不過是一座“郊區的平房，里面有一些工程師和一些學生使用舊的 Apple II 電腦和一些膠帶制作圖表。

突然之間，制造自己的 CPU 似乎成為可能。Wilson 和 Furber 的小團隊之前曾構建過定制芯片，例如 BBC Micro 的圖形和輸入/輸出芯片。但這些設計比 CPU 更簡單，組件更少。

盡管面臨挑戰，Acorn 的高層管理人員仍然支持他們的努力。事實上，他們不僅僅是支持。Acorn 聯合創始人 Hermann Hauser擁有物理學博士學位，他為團隊提供了IBM 研究論文的副本，描述了一種新的、更強大的 CPU 類型。它被稱為 RISC，代表“精簡指令集計算”。

參與到RISC中去

RISC到底是什么意思？為了回答這個問題，讓我們參加一個關于 CPU 工作原理的超級簡化速成課程。它從晶體管開始，這是一種由硅和不同化學物質混合而成的微型三明治狀設備。晶體管具有三個連接器。當電壓輸入到柵極輸入時，它允許電流從源極輸入自由地流向漏極輸出。當柵極上沒有電壓時，電流就會停止流動。因此，晶體管用作可控開關。

簡化的晶體管

您可以組合晶體管以形成邏輯門。例如，兩個開關串聯構成“與”門，兩個并聯構成“或”門。這些門讓計算機通過比較數字做出選擇。

簡化的AND 和 OR 門

但是如何表示數字呢？計算機通過將小的正電壓等同于數字 1 而將無電壓等同于 0 來使用二進制或基數 2。這些 1 和 0 稱為位。由于二進制運算非常簡單，因此很容易制作可以將 0 或 1 加到 0 或 1 上并存儲和和可選進位的二進制加法器。大于 1 的數字可以通過添加更多同時工作的加法器來表示。同時可訪問的二進制數字的數量是衡量芯片“位數”的一種方法。像 6502 這樣的 8 位 CPU 以 8 位塊的形式處理數字。

由與門和或門組成的全加器電路

算術和邏輯是 CPU 功能的重要組成部分。但是人類需要一種方法來告訴它該做什么。所以每個 CPU 都有一個指令集，它是它可以將數據移入和移出內存、進行數學計算、比較數字以及跳轉到程序的不同部分的所有方式的列表。

RISC 的想法是大幅減少指令數量，從而簡化 CPU 的內部設計。劇烈到什么程度？16 位芯片 Intel 80286 總共有 357 條獨特的指令。Sophie Wilson 創建的新 RISC 指令集只有 45 個。

Intel 80286 和 ARM V1 指令集

為了實現這種簡化，Wilson 使用了“load and store”架構。傳統的（復雜的）CPU 有不同的指令來從兩個內部“寄存器”（芯片本身的小內存塊）添加數字，或者從外部存儲器中的兩個地址添加數字，或者將每個地址的組合。相比之下，RISC 芯片指令只能在寄存器上運行。然后，單獨的指令會將答案從寄存器移至外部存儲器。

比較通用 CISC CPU 和通用 RISC 的匯編語言，RISC 處理器必須在對它們進行操作之前將內存值加載到寄存器中

這意味著 RISC CPU 的程序通常需要更多的指令才能產生相同的結果。那么他們怎么可能更快呢？一個答案是更簡單的設計可以以更高的時鐘速度運行。但另一個原因是芯片執行更復雜的指令需要更長的時間。通過保持簡單，您可以使每條指令在一個時鐘周期內執行。這使得使用稱為流水線的東西變得更容易。

通常，CPU 必須分階段處理指令。它需要從內存中取出一條指令，解碼指令，然后執行指令。Acorn 設計的 RISC CPU 具有三級流水線。當芯片的一部分執行當前指令時，另一部分正在獲取下一條指令，依此類推。

ARM V1 流水線，每個階段都需要相同的時間來完成

RISC 設計的一個缺點是，由于程序需要更多的指令，它們會占用更多的內存空間。早在 20 世紀 70 年代后期，當設計第一代 CPU 時，1 兆字節的內存成本約為 5,000 美元。因此，任何減少程序內存大小的方法（并且擁有復雜的指令集都有助于做到這一點）都是有價值的。這就是為什么像 Intel 8080、8088 和 80286 這樣的芯片有這么多指令的原因。

但內存價格正在迅速下降。到 1994 年，1 兆字節將低于 6 美元。因此，RISC CPU 所需的額外內存在未來將不再是問題。

為了進一步證明新 Acorn CPU的未來，該團隊決定跳過 16位并直接采用 32 位設計。這實際上使芯片內部更簡單，因為您不必經常分解大數，并且可以直接訪問所有內存地址。（事實上，他們第一個芯片只暴露了其 32 條地址線的 26 個引腳，因為 2 的 26 次方，即 64MB，在當時是一個荒謬的內存量。）

團隊現在需要的只是為新 CPU 命名。考慮了各種選擇，但最終，它被稱為 Acorn RISC Machine，或 ARM。

第一個ARM產品的誕生

ARM 的第一款芯片的開發耗時 18 個月。為了省錢，該團隊在將設計投入硅片之前花費了大量時間來測試設計。Furber 在 BBC Micro 上用解釋型 BASIC 為 ARM CPU 編寫了一個仿真器。當然，這非常慢，但它有助于證明這個概念并驗證 Wilson 的指令集可以按設計工作。

根據 Wilson 的說法，開發過程雄心勃勃但簡單明了。

“我們認為我們瘋了，”她說。“我們認為我們做不到。但是我們一直發現沒有真正的停靠點。這只是完成工作的問題。”

Furber 負責芯片本身的大部分布局和設計，而 Wilson 則專注于指令集。但事實上，這兩項工作深深地交織在一起。為每條指令選擇代碼編號并不是隨意的。選擇每個數字，以便在將其轉換為二進制數字時，指令總線上的適當電線會激活正確的解碼和路由電路。

測試過程日趨成熟，Wilson 領導了一個團隊編寫了一個更高級的仿真器。“使用純指令模擬器，我們可以在 6502 秒的處理器上以每秒數十萬條 ARM 指令的速度運行，”她解釋道。“我們可以編寫大量軟件，將 BBC BASIC 移植到 ARM 和其他所有東西，第二個處理器，操作系統。這給了我們越來越多的信心。其中一些東西比我們見過的任何其他東西都運行得更好，即使我們正在解釋 ARM 機器代碼。ARM 機器代碼本身的性能如此之高，以至于在同一平臺上，ARM 機器代碼的解釋結果往往優于編譯代碼。”

這些驚人的結果激勵著小團隊完成這項工作。第一個 ARM CPU 的設計被送到美國半導體制造公司 VLSI Technology Inc. 進行制造。該芯片的第一個版本于 1985 年 4 月 26 日返回 Acorn。Wilson 將其插入 BBC Micro 的 Tube 插槽，加載 BBC BASIC 的移植到 ARM 版本，并使用特殊的 PRINT 命令對其進行測試。芯片回答說，“Hello World, I am ARM ”，然后團隊打開了一瓶香檳。

讓我們退后一步，反思一下這是多么了不起的成就。整個 ARM 設計團隊包括 Sophie Wilson、Steve Furber、另外幾位芯片設計師，以及一個編寫測試和驗證軟件的四人團隊。這種基于高級 RISC 設計的新型 32 位 CPU 由不到 10 人創建，并且第一次就可以正常工作。相比之下，National Semiconductor 直到 32016 的第 10 次修訂仍然在發現錯誤。

Acorn 團隊是如何做到這一點的？他們將 ARM 設計得盡可能簡單。V1 芯片只有 27,000 個晶體管（80286 有 134,000 個！），并且采用 3 微米工藝制造——即 3,000 納米，或者比當今 CPU 的粒度小大約一千倍。

ARM V1 芯片及其框圖

在這種詳細程度下，您幾乎可以辨認出單個晶體管。例如，查看寄存器文件，并將其與這個關于隨機存取存儲器如何工作的交互式框圖進行比較。您可以看到指令總線從輸入引腳傳輸數據并將其路由到解碼器和寄存器控件。

與第一個 ARM CPU 一樣令人印象深刻，重要的是要指出它缺少的東西。它沒有板載緩存（onboard cache memory）。它沒有乘法或除法電路。它還缺少浮點單元，因此對非整數的運算比預期的要慢。但是，使用簡單的桶形移位器（barrel shifter）有助于處理浮點數。該芯片以非常適中的 6 MHz 運行。

那么這個小 ARM V1 表現又如何？在基準測試中，發現它在相同時鐘速度下比 Intel 80286 快大約 10 倍，相當于以 17 MHz 運行的 32 位摩托羅拉 68020。

ARM 芯片還設計為以非常低的功率運行。Wilson 解釋說，這完全是一種節省成本的措施——團隊希望為芯片使用塑料外殼（plastic case）而不是陶瓷（ceramic）外殼，因此他們設定了 1 瓦功耗的最大目標。

但是他們用于估算功率的工具很原始。為了確保他們不會超過限制并熔化塑料，他們對每個設計細節都非常保守。由于設計簡單且時鐘速率低，實際功耗最終為 0.1 瓦。

事實上，該團隊將 ARM 插入的第一批測試板之一的連接斷開，并且根本沒有連接任何電源。當他們發現故障時非常驚訝，因為 CPU 一直在工作。它只是由于支持芯片的漏電而開啟的。

根據 Wilson 的說法，ARM 芯片令人難以置信的低功耗是一個“完全的意外”，但它后來變得很重要。

ARMing a new computer

按照常理，Acorn 擁有這項驚人的技術，領先競爭對手數年。財務上的成功肯定很快就會到來，對吧？好吧，如果你關注計算機歷史，你可能會猜到答案。

到 1985 年，BBC Micro 的銷量已經非常慘淡，一方面受到廉價的 Sinclair Spectrum 的擠壓，另一方面受到 IBM PC 克隆產品的擠壓。Acorn 將其公司的控股權出售給了 Olivetti，此前它曾與 Olivetti 合作為 BBC Micro 制造打印機。一般來說，如果您要將計算機公司出售給打字機公司，那可不是什么好兆頭。

Acorn 向研究人員和愛好者出售帶有 ARM 芯片的開發板，但僅限于現有 BBC Micro 所有者的市場。公司需要一臺全新的計算機來真正展示這種新 CPU 的強大功能。

在此之前，它需要對原始 ARM 進行一點升級。ARM V2 于 1986 年問世，增加了對協處理器（例如浮點協處理器，這是當時計算機的流行插件）和內置硬件乘法電路的支持。它采用 2 微米工藝制造，這意味著 Acorn 可以在不消耗更多功率的情況下將時鐘速率提高到 8 MHz。

但僅靠 CPU 還不足以構建完整的計算機。因此，該團隊構建了一個圖形控制器芯片、一個輸入/輸出控制器和一個內存控制器。到 1987 年，包括 ARM V2 在內的所有四款芯片都已準備就緒，連同一臺用于安裝它們的原型計算機。為了反映其先進的思維能力，公司將其命名為 Acorn Archimedes。

Acorn Archimedes 的首批模型之一

考慮到那是 1987 年，人們現在期望個人計算機配備的不僅僅是輸入 BASIC 指令的提示。用戶需要像 Amiga、Atari ST 和 Macintosh 上那樣漂亮的圖形用戶界面。

Acorn 在施樂 PARC的所在地加利福尼亞州帕洛阿爾托成立了一個遠程軟件開發團隊，為阿基米德設計下一代操作系統。它被稱為 ARX，它承諾搶占式多任務處理和多用戶支持。ARX 很慢，但更大的問題是來晚了，太晚了。

Acorn Archimedes 正準備發貨，但公司沒有可在其上運行的操作系統。這是一個危機情況。所以 Acorn 的管理層去找 Paul Fellows 談話，他是 Acornsoft 團隊的負責人，曾為 BBC Micro 編寫過多種語言。他們問他：你和你的團隊能否在五個月內為阿基米德編寫并發布一個操作系統？”

根據 Fellows的說法，他是那個說是的，認為團隊可以做到的傻瓜。

對于從頭開始制作操作系統來說，五個月的時間并不算多。Erzhege quick-and-dirty 的操作系統被稱為“Project Arthur”，可能是以著名的英國計算機科學家亞瑟諾曼的名字命名的，但也可能是“ARm by THURsday!”的縮寫。它最初是 BBC BASIC 的擴展。Richard Manby 用 BASIC 編寫了一個名為“Arthur Desktop”的程序，只是為了演示您可以使用該團隊開發的窗口管理器做什么。但是他們已經過時了，所以這個演示被燒進了第一批電腦的只讀存儲器（ROM）中。

第一批 Archimedes 模型于 1987 年 6 月發貨，其中一些仍然帶有 BBC 品牌標志。這些電腦速度絕對很快，而且物有所值——入門價為 800 英鎊，在當時約為 1,300 美元。這與 1987 年售價 5,500 美元且具有相似計算能力的 Macintosh II 相比毫不遜色。

但 Macintosh 擁有 PageMaker、Microsoft Word 和 Excel，以及大量其他有用的軟件。Archimedes 是一個新的計算機平臺，在它發布時，可用的軟件并不多。計算世界正在迅速向 IBM PC 兼容機和 Macintoshes（以及幾年后的 Amigas）匯聚，其他所有人都發現自己被排擠了。Archimedes 計算機在英國媒體上獲得了好評，并贏得了熱情的粉絲群，但在頭幾年內售出的系統不到 100,000 臺。

蘋果的出現

Acorn 迅速采取行動修復 Arthur 中的錯誤，并致力于開發具有更多現代功能的替代操作系統 RISC OS。RISC OS 于 1989 年發布，緊接著發布了 ARM CPU 的新版本 V3。

V3 芯片采用 1.5 微米工藝制造，將其 ARM2 內核的尺寸縮小到可用芯片空間的大約四分之一。這為包含 4 KB 的快速一級緩存存儲器留下了空間。時鐘速度也增加到 25 MHz。

雖然這些改進令人印象深刻，但像 Sophie Wilson 這樣的工程師認為 ARM 芯片可以進一步發展。但是，Acorn 迅速減少的資源所能做的事情是有限的。為了實現這些夢想，ARM 團隊需要尋找外部投資者。

就在這時，另一家以一種受歡迎的水果命名的計算機公司的代表走進了門。

Apple 最初是如何聽說 ARM 的？Apple 高級技術組的兩名工程師 Paul Gavarini 和Tom Pittard構建了一臺名為M?bius的原型計算機。它使用 ARM2 芯片并運行Apple 和 Macintosh 軟件，模擬 6502 和 68000 CPU 的速度比本地版本快。Apple 的高層管理人員對這臺機器感到困惑并迅速將其淘汰，但 Gavarini 和 Pittard 在內部演示中不斷地鼓吹 ARM，在運行 LISP 時展示了令人印象深刻的基準。

LISP 是一種重量級語言，Apple 在內部使用它來測試新的圖形界面。但它被認為對于嵌入式應用來說過于龐大。當 Apple 資深人士拉里·特斯勒 (Larry Tesler) 看到這些基準時，他靈機一動。

Tesler 剛剛接手了Apple Newton項目，他需要更換其緩慢且有故障的 CPU，即 AT&T Hobbit。ARM 芯片看起來像是贏家，因為它不僅是一個速度惡魔，而且其令人難以置信的低功耗使其成為手持牛頓設備的理想選擇。

Tesler 安排了一次與 ARM 團隊的會面，他喜歡他在他們的路線圖中看到的內容。但有一個問題。Apple 是一家計算機公司，而 Acorn 是其直接競爭對手。

這為一個重大決定奠定了基礎。ARM 員工希望擺脫 Acorn 日漸衰落的命運；Acorn 的大股東 Olivetti 對制造 IBM PC 克隆更感興趣；制造 ARM 芯片的硅代工廠 VLSI Technology 想要更多的客戶；Apple 想授權該芯片。

于是，剝離 ARM 符合每個人的利益。

1990 年 11 月，他們達成了三方協議。Apple 以 300 萬美元現金購買了 30% 的股份。VLSI 投資了 50 萬，加上它的知識和工具。Acorn 轉讓了其所有 ARM 知識產權和 12 名員工，價值 300 萬美元。應 Apple 的要求，新公司更名為 Advanced RISC Machines。

從此以后，ARM 現在只能靠自己了。

一個新的領導者

在 Apple 放下資金之前，它想為 ARM 選擇一位 CEO。Apple 聘請了發現 John Sculley 的同一家獵頭公司，但這一次，它的結果要好得多。他們雇用的人是Robin Saxby。

Saxby 1947 年出生于英國切斯特菲爾德。小時候，他對電線很著迷，十幾歲時，他開始了自己的第一筆生意，修理收音機和電視機。他在利物浦上大學，學習電子工程。1968 年畢業后，他的第一份工作是幫助設計英國第一臺基于晶體管的電視。

他于 1973 年加入摩托羅拉，并迅速晉升為銷售工程師。這意味著他的工作是四處拜訪公司的客戶，幫助他們使用摩托羅拉產品進行設計。當他轉到 CPU 部門時，他認為他的客戶都是主流計算機公司。令他驚訝的是，大多數想要摩托羅拉 CPU 的人都想到了利基嵌入式應用程序。有一次，他為摩托羅拉寫了一份提案，要求摩托羅拉分拆其 CPU 設計團隊并提供設計服務，但管理層不喜歡這個想法。

在摩托羅拉之后，薩克斯比加入了一家名為 ES2 的初創公司，該公司試圖開發一種新的硅芯片制造技術。ES2 已經為 ARM 構建了一些測試芯片，所以 Saxby 已經知道這家公司。但當他被要求加入 ARM 擔任首任首席執行官時，他懷疑自己是否是這份工作的最佳人選。

為確保萬無一失，他與 ARM 員工在一家酒吧安排了一次午餐會。當時，公司缺乏領導。Steve Furber 離開去尋找其他機會，而 Sophie Wilson 做出了“艱難的決定”——留在 Acorn，盡管她仍然可以提供咨詢服務。剩下的 12 名 ARM 員工午餐遲到了，薩克斯比差點離開。但當他們到達那里時，會議取得了巨大的成功，所有 12 位工程師一致認為 Robin Saxby 是正確的選擇。

即使那樣，他也需要一點推動力。他問他 11 歲的女兒，他是否應該冒險接受這份新工作。她說：“爸爸，我有一個骰子，如果你擲骰子，結果是六，你就會成為百萬富翁。”

他扔了，是一個六。于是Robin Saxby在1991 年初成為 ARM 的第一任首席執行官。

開始新的嘗試

公司需要的第一件事是商業模式。Saxby 重新整理了他舊的摩托羅拉提案，并根據 ARM 的需要對其進行了修改。除了對售出的每塊芯片收取一定比例的特許權使用費外，該公司將以預付費用的方式許可其技術。從理論上講，這種組合足以讓燈保持亮著。薩克斯比的愿景從一開始就雄心勃勃：他希望 ARM 成為“全球 RISC 標準”。

設定目標是一回事，實現目標又是另一回事。計算世界的其他部分也加入了 RISC 的行列。IBM 于 1986 年發布了6150 RT，隨后是MIPS和 HP 的PA-RISC以及帶有SPARC的SUN 。摩托羅拉在 1988 年推出了 88000，英特爾在 1989 年發布了 i860 和 i960，而 DEC 正在開發其 Alpha 芯片。與這些巨頭中的一個競爭會很困難，擊敗所有人似乎更是不可能的任務。

但這些公司大多使用 RISC 來制造高端桌面工作站。Saxby 記得他在摩托羅拉的時候，嵌入式應用程序是一個被忽視的市場。也許全球 RISC 標準現在還遙不可及，但全球嵌入式 RISC 標準是可以實現的。與競爭產品相比，ARM 芯片的晶體管更少，消耗的電能也更少。這使得它們的制造成本更低，適用于更廣泛的應用。

一些首批許可是針對傳真調制解調器和其他小型應用程序的。早期，資金緊張，Acorn 最初向創始工程師承諾他們將在次年加薪，但在 1991 年，ARM 的現金告罄。薩克斯比表示，如果公司獲得一份重要的新合同，他將兌現這一承諾。他與英國國防承包商Plessey簽署了一項協議，并為工程師提供了回溯的加薪。

Saxby的第一個新產品是 ARM6 內核，它是 ARM3 的后繼產品。它采用 0.8 微米工藝制造，運行頻率為 20 MHz。遵循降低指令集復雜性的理念，它只有兩條新指令。核心本身只有 35,000 個晶體管，比原來的 ARM 的 27,000 個多不了多少。相比之下，Intel 的 386 有 275,000 個晶體管對于 Newton，ARM 將這個內核與內存管理單元和 4 KB 的一級緩存打包在一起。這就是 ARM610。

同時，公司推出了ARM250。它有較舊的 ARM3 內核，但也包括阿基米德計算機中的所有支持芯片：內存控制器、I/O 芯片和視頻芯片。它是真正的“片上系統”或 SoC。當時，除了讓阿基米德的制造成本降低一點外，它沒有太大的市場。但它暗示了即將發生的事情。

ARM250 SoCL展望未來。

1993 年，Apple 終于發布了拖延已久的Newton。第一年，它售出了 60,000 臺。對于像蘋果這樣的大公司來說，這被認為是一次巨大的失敗。但對于 ARM 來說，每個芯片的專利使用費為 20 美元，這是一筆意外之財。Saxby 將現金投資回 ARM，使公司規模從 30 人增加到 60 人，翻了一番。這是一場賭博。為了讓它發揮作用，ARM 需要獲得一些主要的許可。

吸引更多大客戶

作為一家小公司，有時很難與大公司打交道。在與他的前雇主摩托羅拉會面時，Saxby回憶說這位高管在結束時說：“當然，我們無法向您支付任何許可費或版稅。” 該公司預計 ARM 會樂于通過“曝光”獲得報酬，因為摩托羅拉本可以自己完成這項工作。Saxby比問這位高管，他有多少工程師參與這個項目。答案是大約 200。“你知道嗎，”Saxby比問道，“你支付給我們的許可費是你為你的工程師支付的費用的四分之一？” 他仍然拒絕給 ARM 錢，Saxby比放棄了這筆交易。

德州儀器 (Texas Instruments) 是另一家認為利用自己的內部資源可以比 ARM 做得更好的公司。當 TI 的 CPU 部門負責人向他的老板申請 ARM 許可時，他回擊道：“你是說我們甚至無法在設計微處理器內核以嵌入基帶芯片方面與其他公司競爭？” 后來，在討論潛在合作伙伴關系的會議上，TI 人員在未簽署保密協議的情況下抵達。Saxby堅持要他們立即離開，簽完字再回來。ARM 可能很小，但 Saxby 不會讓公司任人擺布。

TI 猶豫不決，但最終決定將 ARM 引入其最大的客戶之一：諾基亞。這是一個考驗。如果 ARM 能夠說服諾基亞使用其設計，它們就足以讓 TI 構建它們。

1993年，諾基亞已是手機界的后起之秀，前一年手機銷量已達300萬部。它為其新型號制定了宏偉的計劃，但該公司對 16 位 Hitachi H8 CPU（傳統的 CISC 芯片）非常滿意。32 位 RISC 芯片在速度和效率方面實現了巨大飛躍，但代價是同等代碼需要更多的指令——而且每條指令占用兩倍的內存。在臺式機上，這種額外的內存需求沒什么大不了的，但手機的內存和存儲空間很小。

在與諾基亞會面后回家的航班上，ARM 工程師決定，如果 16 位是諾基亞想要的，那么 16 位就是諾基亞要得到的。他們創建了一套全新的簡化 16 位指令集，并設計了將它們映射到現有 32 位指令集的電路。這樣，您可以擁有占用更少內存的更小程序代碼，但它的運行速度幾乎是全 16 位芯片的兩倍。開個玩笑，工程師稱這些擴展為“Thumb”，因為拇指是Arm末端的東西，但這個名字卡住了。

當諾基亞工程師看到 Thumb 架構的計劃，以及隨之而來的更先進的 ARM7 內核時，他們非常興奮。TI意識到這家英國小公司通過了考驗，終于在1994年拿到了ARM授權。現在TI可以為新一代諾基亞手機制造先進的芯片。

這些手機中的第一款是諾基亞 8110，它是第一款采用 ARM 內核的GSM手機。幾年后，它因出現在電影《黑客帝國》中而出名。

步步高升

在被TI看上之后，ARM 再也沒有回頭。該公司現在在電子行業擁有真正的信譽。它與夏普、三星和 NEC 簽署了協議。到 1995 年，公司擁有多達 10 個被許可人。

ARM7 很受歡迎。CPU 采用 0.35 微米工藝制造，運行速度高達 66 Mhz。Thumb 擴展對于移動應用程序或代碼密度很重要的任何地方都很有用，但該芯片也可以全速運行 32 位代碼。1996 年又有四家公司購買了 ARM 許可：Oki、Alcatel、Yamaha 和 Rohm。甚至摩托羅拉最終也接受了，并在次年簽署了一項協議。

為什么那么多公司，包括已經制造了自己的芯片的大型電子公司，都想與 ARM 簽約？部分原因在于成本優勢——ARM 的許可并沒有貴得讓人望而卻步，而且它們肯定比支付數百名工程師數年時間從頭設計新芯片要便宜。另一部分是 Sophie Wilson 和 Steve Furber 創造的技術遺產：ARM 芯片制造速度快且易于制造，而且耗電量大。

但 ARM 還有另一張王牌：它不僅僅是另一家芯片制造公司。當 ARM 與其他公司合作時，它成為合作伙伴，幫助設計可以根據其他公司的特定需求定制的解決方案。諾基亞 Thumb 擴展的發明只是其中一個例子。ARM 還與 Digital Equipment Corporation 合作創建了StrongARM，這是一種更快的芯片版本，運行速度高達 233 MHz。這些功能強大的芯片最終出現在 Apple MessagePad 2000（改進版 Newton）、Eidos Optima 視頻編輯工作站和 Acorn Computers 最新的 RISC PC（Archimedes 系列的新名稱）中。

對于 Robin Saxby 而言，與競爭對手的芯片公司合作的想法始終是戰略的一部分。“把你的敵人變成朋友，”他會說。“如果他們可以通過與你合作為自己賺更多的錢，他們為什么要和你打架？”

這種感覺彌漫在整個公司。ARM 發言人在接受 Ars 采訪時解釋說：“ARM 商業模式是一種基于成功的商業模式，其基礎是 ARM 在其合作伙伴成功時取得成功。” 經過緩慢的起步，該公司現在證明這不僅僅是一個崇高的理想。它正在實現。

ARM 在 1990 年代飛速發展

但 ARM 仍然必須具有戰略意義。當 LSI 半導體向公司申請許可證時，Saxby 拒絕了，盡管 CEO 給了他很多錢。他這樣做是因為 LSI 將直接與 ARM 的制造合作伙伴 VLSI 競爭。相反，他要求 LSI 的首席執行官先給他們帶來一些新業務，然后他再考慮。他帶著硬盤公司 Western Digital 的合同回來了，每筆交易都有望擴大市場并幫助 ARM 成為標準。

到了上市時刻

到 1998 年，ARM 的規模已經超出了原來的谷倉。該公司擁有 274 名員工，上一年的收入為 4400 萬美元，并且在出貨近 1000 萬個 ARM 處理器，同時實現了超過 800 萬美元的利潤。但ARM 還不是全球 RISC 標準——MIPS 在那里奪得桂冠，這主要歸功于索尼 PlayStation——但它排在第三位，并超過了英特爾的 i960 和摩托羅拉的 PowerPC，它也是所有 RISC 芯片供應商中增長最快的。

所有這些積極的增長使公司上市成為了一個好時機。1998 年 4 月 17 日，公司在倫敦證券交易所和納斯達克成功地進行了首次公開募股 (IPO)。該股票的初始價格為 5.75 英鎊，或略低于 10 美元。那年晚些時候，當 ARM 報告銷售了 5100 萬個處理器時，股價飆升。ARM 最初只有 12 個人和一個夢想，現在是一家價值 10 億美元的公司。

ARM 的兩個創始投資者正朝著相反的方向前進。蘋果公司在 1997 年虧損超過 10 億美元，其運營現金正處于危險的低位。從 ARM IPO 的第二天開始，Apple 拋售了大部分股份，從 42.3% 的股份減少到不到 6%。這次套現幫助史蒂夫喬布斯在關鍵時刻穩定了公司。

Acorn也在苦苦掙扎。在銷量持續下滑后，該公司放棄了 RISC PC 的開發，并取消了最終的“Phoebe”型號，只留下了其獨特的黃色外殼。有一段時間，該公司的資本價值低于其持有的 ARM 股份的 24%。Acorn 賣掉了它的股票，用這筆錢對公司進行再融資和重組。1999年，公司更名為“Element 14”，并將重點轉向開發電信產品。

在 ARM 成功的推動下，VLSI 技術繼續發展。1999年6月被飛利浦電子以10億美元收購。

一個不斷變化的世界

ARM 最初只是一個瘋狂的夢想。早在 1985 年，Sophie Wilson 和 Steve Furber 就查看了許多可用的 CPU，發現它們全都不夠用。令人難以置信的是，他們帶領一個 10 人團隊從頭開發了一個先進的 32 位 RISC CPU，只用了 18 個月就從想法到工作芯片。

最初的想法是利用這些驚人的 CPU 并圍繞它們構建出色的個人計算機，從而接管世界。但是世界已經變了，沒有更多的空間容納新的、不兼容的計算機平臺。相反，多虧了 Apple、VLSI 和 Robin Saxby 的遠見，ARM 芯片發現自己可以自由地走到最需要它的地方。在接下來的十年里，從傳真調制解調器到硬盤驅動器再到手機，各種小型設備最需要它。

但隨著新千年的臨近，這些小型設備變得越來越強大。盡管 Newton 失敗了，但個人數字助理市場卻在蓬勃發展，手機本身也開始具備類似 PDA 的功能。這個舞臺是為 ARM 的最大機遇和最大挑戰而準備的。

在這個時候，評估公司創始人史蒂夫·喬布斯 (Steve Jobs) 也得意洋洋地回到了他與他人共同創立的公司。1998 年彩色橡皮糖iMac的發布、與微軟的協議以及蘋果 ARM 股票的出售使該公司從瀕臨破產的境地轉為穩固的財務基礎。但蘋果公司的“iCEO”仍在尋找下一件大事。

喬布斯為 iMac 配備了一種名為 FireWire 的新連接器，可以實現視頻和聲音的快速傳輸。一種稱為 MP3 的文件格式越來越受到計算機用戶在其計算機上共享音樂的歡迎，并且公司已經開始制造便攜式 MP3 播放器。但這些設備的存儲空間很小，USB 1.0 傳輸速度很慢，軟件也很糟糕。喬布斯開始癡迷于打造一個播放器的想法，并將幾乎所有的時間都投入到這個項目中。

Apple 與一家名為 PortalPlayer 的公司合作，該公司一直在開發自己的播放器。硬件使用了定制的 ARM 芯片 PP5502。它是一個片上系統，具有運行頻率為 90 MHz 的雙 ARM7 內核和 32MB 板載內存。主板上唯一的另一個大芯片是 FireWire 控制器。ARM 許可的靈活性使得設計具有用于 MP3 解碼等功能的自定義電路的 CPU 變得容易。

原始 iPod 主板，ARM PP5502 SoC 在左下方，FireWire 控制器在右上角。

有多容易？一位熟人約翰·西姆斯 (John Sims) 博士向我講述了大約同時期另一家 MP3 播放器公司的故事。一名工程師僅用了六個月的時間就將數字信號處理器 (DSP) 添加到標準 ARM 設計中。一家從頭開始構建芯片而不是與 ARM 合作的競爭對手公司有 60 名工程師在類似的項目上花費了三倍的時間。

iPod 于 2001 年面世，在發布兼容 Windows 的版本后，這款小巧的音樂播放器成為了行業標準。在該設備的鼎盛時期，每年售出超過 5000 萬臺 iPod。雖然人們迷戀它的界面、易用性和標志性的白色耳機，但大多數人沒有意識到 iPod 實際上是一臺微型計算機。它有一個 CPU、內存、一個微型硬盤和一個操作系統，它的觸摸輪和按鈕就像一個小鼠標和鍵盤。它甚至有一個可以玩簡單游戲的位圖顯示器。

說到游戲，ARM 在 2001 年的第二場大勝利是任天堂的 Game Boy Advance。作為最初的 Game Boy 的繼任者，它配備了帶嵌入式內存的 16.8 MHz ARM7 內核。它還有一個夏普 LR35902，用于與舊系統兼容。甚至便攜式游戲機也在從 CISC 芯片跳轉到 RISC 芯片。

每個人的掌上電腦

iPod 只是移動世界劃時代變革時期的開始。在與摩托羅拉在 ROKR 翻蓋手機中放入 iPod 進行了一次奇怪且最終注定失敗的合作之后，Apple 將目光投向了從頭開始制造新手機。

該項目始于 2004 年。喬布斯不確定是將 iPod 放大以將其變成電話還是剝離 Macintosh 的 OS X 操作系統以使其在移動設備上運行才是正確的方法。為了解決這個問題，喬布斯讓競爭對手的團隊同時研究這兩種方法。Tony Fadell 的 iPod 團隊經驗豐富，但他們面對的是摩爾定律錯誤的一面。

摩爾定律顯示了這些年來 CPU 的顯著改進

ARM 芯片自 1985 年推出第一個版本以來已經取得了長足的進步。該芯片具有 27,000 個晶體管，采用 3 微米工藝生產。這意味著晶體管和電線的直徑大約為 0.000003 米，即 0.003 毫米。這可能看起來很小，但硅芯片制造的進步意味著到 2006 年，芯片代工廠正在使用 90 納米工藝。這允許更多的晶體管，包括大量的快速緩存存儲器，可以安裝在相同大小的芯片上。這也意味著芯片可以以更高的時鐘速度運行。

相比之下，軟件的改進要慢得多。編寫和測試以及修復每項新功能不可避免地引入的大量錯誤都需要時間。因此，等待摩爾定律推出可以運行現有 OS X 軟件的移動芯片實際上比向 iPod 的準系統操作系統添加所有必要的功能要快得多。喬布斯決定采用精簡的 OS X 方法。但仍然存在誰來制造芯片的問題。

喬布斯詢問英特爾首席執行官保羅歐德寧是否愿意競標為蘋果即將推出的手機制造芯片的權利。這家制造巨頭在為基于 Windows 的計算機提供動力的臺式機 x86 CPU 的銷售中名列前茅。但是，它還擁有基于 ARM 的業務 XScale，這是它于 1998 年從數字設備公司 (DEC) 購買的。因此，英特爾本可以輕松滿足蘋果的要求。

但歐德寧拒絕了這個提議。他計算出 Apple 愿意為每個 CPU 支付的最高金額低于 Intel 為制造這些 CPU 所花費的金額，而且他不確定 Apple 手機是否會大量銷售。此外，他對顯示對 XScale 的支持感到緊張，尤其是當英特爾正在開發即將推出的 x86 低功耗版本 Atom 時。他在 x86 上加倍下注，并于 2006 年出售了 XScale 部門。

這里有一定的諷刺意味。DEC 最初出售其 ARM 業務是因為它需要錢。它需要這筆錢，因為英特爾正在破壞 DEC 的小型機和工作站市場。隨著時間的推移，更便宜的基于 x86 的 PC 的產量越來越大，這些大型計算機的競爭力越來越小。現在，英特爾放棄了同樣的移動芯片部門，專注于臺式機。

英特爾拒絕這筆交易后，蘋果轉向三星。這家韓國企業集團同意為蘋果即將推出的手機制造功能強大的新型 ARM 芯片。它是 S5L8900，一個 ARM11 內核的 SoC（降頻！）以 412 MHz 運行，128MB RAM，高達 16GB 的存儲空間，以及一個集成的 PowerVR MBX Lite 3D 圖形處理器。這是一款非凡的芯片，讓人想起 1991 年的 ARM 250“芯片上的阿基米德”，但它的功能足以成為世紀之交的體面臺式機的核心。

但它不是臺式機。那是一部電話——而且是一部革命性的電話。喬布斯于 2007 年 1 月 9 日在 Macworld 上發布了 iPhone。今天重看發布會，感覺就像是歷史的轉折點。奇怪的是，喬布斯花了很多時間強調 iPhone 實際上是三種設備：電話、iPod 和互聯網通信器。

現在沒有人會這樣描述 iPhone。這是一臺裝在口袋里的電腦。大型機有房間那么大，小型機有冰箱那么大，微型機有烤面包機那么大。這些新設備很容易被稱為納米計算機。相反，我們稱它們為智能手機，盡管很多人已經很少使用電話部分了。

公告發布后，谷歌的 Android 子公司迅速改變了其產品計劃，從生產黑莓克隆產品轉向生產更接近 iPhone 的產品。2008 年發布的 T-Mobile G1 也在 ARM 上運行。它釋放出大量的 Android 設備，所有設備都匯集在具有單個大觸摸屏的黑色薄矩形的相同外形尺寸上。除了 iPhone 和 Android，所有其他智能手機平臺都被淘汰出局，非智能手機很快就絕跡了。

安卓的快速迭代

芯片故事圓滿結束

2008 年，Apple以 2.78 億美元的價格收購了 PA Semi 。該公司雇用了 150 名工程師并設計了高能效的 PowerPC CPU。許多人想知道蘋果為什么要收購一家 PowerPC 公司，尤其是在 2005 年蘋果將 Macintosh 從 PowerPC 轉移到英特爾 x86 處理器之后。

但 PA Semi 的工程師了解的不僅僅是 PowerPC。他們包括 DEC 的 Alpha 和 StrongARM 處理器的首席設計師，以及曾在 Intel 的 Itanium、AMD 的 Opteron 和 Sun 的 UltraSPARC 上工作過的人。蘋果買的是一些世界頂級的處理器設計專家。

這個設計團隊秘密工作了兩年，直到 2010 年蘋果推出 iPad。它沒有使用三星的設計，而是運行在名為“A4”的東西上，這是蘋果內部設計的第一款 SoC（三星仍然制造該芯片）。它以 1 GHz 的速度運行，并使用更新的 ARM Cortex A8 架構作為起點。Cortex 設計從為第一款 iPhone 提供動力的舊 ARM11 內核進行了重大升級。他們與最初的 ARM CPU 相差甚遠！

插圖顯示工藝改進如何在每個維度上將原始 ARM1 縮小 100 倍

A4 芯片的發布并沒有在 CPU 設計界引起任何轟動。它被視為對現有移動芯片的常規改進。例如，英特爾正忙于推廣其高端 x86 臺式機芯片，并試圖通過其基于 x86 的低功耗 Atom 重新進入移動芯片市場。其他芯片設計公司，如高通，在他們自己的基于 ARM 的 SoC 設計方面取得了巨大成功，這些設計被用于許多不同的 Android 產品。

但是這些新的 Apple 芯片發生了一件有趣的事情。A4 在 2011 年被 A5 取代，其 CPU 能力翻了一番并顯著提高了視頻芯片速度。明年的A6做了同樣的事情。然后，在 2013 年，A7 發布了。它是一個完全 64 位的 CPU，甚至擊敗了 ARM 本身，從 32 位過渡到 ARM。它有一個 64 位指令集，以及用作 iPhone 相機圖像處理器的新定制芯片。

在智能手機中安裝 64 位 CPU 似乎很可笑。手機真的需要超過 4 GB 的 RAM 嗎？但隨著時間的推移，這些爭論開始變得越來越沒有意義。隨著 A7 讓位給 A8 再到 A12，這些移動芯片的性能圖表發生了一些有趣的事情。

Apple 的 ARM 芯片的性能開始趕上英特爾

正是2018 年 iPad Pro的發布，讓人摸不著頭腦。其 A12 仿生 CPU 的基準測試表明，在某些基準測試中，它比同類英特爾芯片更快（至少每個 CPU 內核）。這沒有任何意義。移動芯片怎么可能比桌面芯片快？

答案是許多不同因素的結合。正如我們已經看到的那樣，原始 ARM 設計的簡單性和優雅性使這些芯片從一開始就在性能方面——尤其是每瓦性能方面——占據優勢。這種優雅部分歸功于精簡指令集計算機 (RISC) 架構，它具有更簡單的 CPU 指令，并且比英特爾的復雜 (CISC) x86 芯片更少。

但這些年來，英特爾并沒有原地踏步。從 1995 年的 Pentium Pro 開始，該公司添加了一組隱藏的類 RISC微操作。每次程序員向 CPU 發送一條常規的 x86 指令時，它都會在內部翻譯成這些微操作。這意味著英特爾芯片的運行速度幾乎與最強大的 RISC 芯片一樣快。x86 遺留包袱帶來的任何速度損失都被英特爾巨大的規模經濟所淹沒——到 2010 年，這家 CPU 巨頭每年銷售近 3 億個 CPU。它已經擊敗了其他 RISC CPU，如 SPARC、PowerPC 和 MIPS。甚至游戲機——不必太擔心各代之間遺留代碼的兼容性——到 2013 年也從 PowerPC 切換到 x86 芯片。

然而，全球智能手機市場的規模完全不同。世界上大部分地區仍然難以買得起 2,000 美元的個人電腦，但 200 美元的智能手機卻更容易獲得。結果，智能手機銷量出現爆炸式增長，在 2010 年超過了 PC 銷量，并且再也沒有回頭。到 2018 年，每年售出近 15 億部智能手機。在英特爾放棄嘗試在智能手機中使用 Atom 之后，每款手機中都裝有 ARM 芯片。

隨著時間的推移，電腦和智能手機的銷量

現在，規模經濟有利于三星和臺積電 (TSMC) 等移動芯片制造公司。蘋果向臺積電投資數十億美元，并將其所有芯片制造業務轉移到那里。從制造的角度來看，英特爾無法跟上。2020 年，英特爾承認將不得不推遲從 10 納米 (nm) 工藝向 7 納米工藝的轉變。與此同時，臺積電躍升至 5 納米制造工藝。雖然工藝數字在這種規模上開始失去意義，但有一點很清楚：智能手機芯片已準備好引領性能。

在 2020 年 11 月，他們做到了。就在那時，Apple發布了用于 Macintosh 計算機系列的 M1 芯片。這些芯片震驚了計算世界——它們比最快的英特爾 x86 CPU 更強大，但它們消耗的功率只是其一小部分。ARM 一直是每瓦性能的贏家，但這些芯片完全是另一回事。

35 年后，ARM 又回到了原點。

它始于 1985 年，作為臺式電腦的芯片——尤其是 Acorn Archimedes。但當 Archimedes 未能占領市場時，ARM 芯片于 1990 年分拆成自己的公司。經過緩慢的起步，ARM 成為嵌入式 CPU 市場的標準，并進入流行的移動設備，如 iPod、 Game Boy Advance，以及 iPhone 和 Android 等智能手機。現在，終于，它又回到了個人電腦中。

但 ARM 的靈活性意味著這些計算機不一定是昂貴的，就像蘋果公司銷售的那樣。2009 年，Raspberry Pi Foundation在最初的 ARM 芯片的發源地英國注冊成立。它的使命是繼續在教育中促進計算機科學，就像 Acorn 的 BBC 計算機在 1980 年代所做的那樣。鑒于這個傳奇的血統，基金會只會選擇一個處理器。

第一個 Raspberry Pi 于 2012 年發布。它是一個信用卡大小的單板計算機。Pi 配備了 ARM11 處理器、內置內存以及計算機所需的所有連接器：用于鼠標和鍵盤的 USB、耳機插孔、用于顯示器的 HDMI 和以太網。它還帶有一個“通用輸入輸出”或 GPIO 連接器，允許工程師輕松連接和控制燈、傳感器和電機。它花了 35 美元。隨后的模型變得更強大但并沒有更昂貴。

ARM 最初的使命，即為大眾提供計算能力，已經實現。

Raspberry Pi連接了一些閃爍的燈。

這一切意味著什么

2006 年，ARM 首席執行官 Robin Saxby 退休。他計劃了一段時間。公司的狀況非常好，而且他對 CEO 交接的管理也非常到位，消息傳出時 ARM 的股價甚至連眼睛都沒有眨一下。

盡管走了一條意想不到的道路，但公司創始人的成功超出了他們最瘋狂的夢想。我有一個關于為什么會這樣的理論。在我看來，這兩家公司似乎都有出色的工程師和卓越的技術，但管理風格卻截然不同。不過，為了檢驗我的想法，我必須找到一個在場并且了解 ARM 發生的一切事情的人。我需要和薩克斯比談談。

ARM 甚至將其競爭對手視為潛在的合作伙伴——當它幫助合作伙伴取得成功時，ARM 也從中受益。“因為德州儀器 (TI) 沒有滿足諾基亞需求的理想處理器，”他說，“所以他們有興趣進行合作。” 這種合作導致 ARM 芯片成為手機市場的標準。

ARM 芯片銷量隨時間變化。

審核編輯 ：李倩