蘋(píng)果在芯片領(lǐng)域布下“王炸之局”,高通、三星難擺苦追宿命

　　在智能手機領(lǐng)域，蘋(píng)果從指令集到微架構一手打造的 64 位芯片可說(shuō)打遍天下無(wú)敵手，即便是三星、高通等芯片產(chǎn)業(yè)龍頭，也難以撼動(dòng)其市場(chǎng)地位。

　　然而，這次在 MWC 2018 中，我們可以看到包含三星、高通，都已經(jīng)推出基于自有微架構的手機處理芯片，在 GeekBench 效能的測試數據中僅落后去年推出的蘋(píng)果 A11 芯片約 2 成，而不再是僅能達到其同世代產(chǎn)品一半性能的窘?jīng)r，自研微架構可說(shuō)已經(jīng)帶來(lái)了一定的成果。不過(guò)，嚴格說(shuō)來(lái)，其性能差距仍是相當明顯，未來(lái)數年這個(gè)格局應該也很難被轉變。

　　雖然華為早些年也投入微架構的自研工作，但 2018 年 MWC 上并沒(méi)有宣布相關(guān)的信息，其最新的麒麟 970 因為基于標準 ARM 公版架構，整體效能約為 A11 的一半左右，落差相當大。DT 君認為，華為自研微架構芯片應該會(huì )隨著(zhù)年底新款高端手機一并發(fā)布，而屆時(shí)期 AI 核心也會(huì )有一定的變革，借以應對高通和三星，甚至蘋(píng)果在高端手機市場(chǎng)的挑戰。

　　像聯(lián)發(fā)科、瑞芯微、全志等追求性能價(jià)格比的公司，基本上就和自研微架構無(wú)緣了，ARM 官方發(fā)表的架構表現如何，基本上這些公司的產(chǎn)品就是長(cháng)怎么樣，不會(huì )有太大意外。也因此，落后蘋(píng)果產(chǎn)品一大截已經(jīng)是可預見(jiàn)的結果，不過(guò)這些公司的目標市場(chǎng)本來(lái)就不是高端定位，所以也不用期待太多。

　　所以，當年蘋(píng)果對 ARM 指令集的布局可以說(shuō)回報豐厚，其投資效益不出意外的話(huà)甚至還可繼續延續數年之久，當然，蘋(píng)果在芯片研發(fā)和布局的資本投入并不是其他芯片廠(chǎng)商可以相提并論的，即便占了先機，但持續的投入才是蘋(píng)果未來(lái)得以維持絕對優(yōu)勢的關(guān)鍵。

　　蘋(píng)果布了一個(gè)“王炸之局”

　　無(wú)論如何，整件事情要從一個(gè)影響手機、半導體產(chǎn)業(yè)極為深遠，但又不為人知的老故事開(kāi)始說(shuō)起，然后回頭看看目前的 ARM 架構市場(chǎng)變化。

　　這一切都要由蘋(píng)果所布的局開(kāi)始。一位在半導體產(chǎn)業(yè)資歷極深、曾在各大處理器廠(chǎng)商中擔任要職的人士對 DT 君透露，蘋(píng)果自有芯片的布局，甚至要往上延伸至 IP 供貨商，也就是 ARM 身上。

　　那么，身為芯片最上游的 ARM 如何受到蘋(píng)果的影響?這要從 ARM 對 64 位架構發(fā)展態(tài)度的消極開(kāi)始看。

　　ARM 從推出高端 Cortex-A 架構之后，就一直固守在 32 位，并且強調 32 位的性能已經(jīng)足夠使用，甚至在 PC 或服務(wù)器市場(chǎng)也能和 X86 相提并論。但事實(shí)上，ARM 的 32 位指令在移動(dòng)市場(chǎng)表現雖不錯，但成長(cháng)性有限，且隨著(zhù)未來(lái)應用復雜度增加，其先天的 4GB 內存尋址限制將會(huì )成為整個(gè)應用生態(tài)的緊箍咒，而在服務(wù)器市場(chǎng)，缺乏 64 位尋址能力的 ARM 架構，也幾乎找不到半點(diǎn)市場(chǎng)空間。

　　如果沒(méi)有前進(jìn)到 64 位，ARM 架構不只在服務(wù)器市場(chǎng)將持續空白，移動(dòng)市場(chǎng)也可能早就被重新經(jīng)營(yíng)低功耗移動(dòng)市場(chǎng)的 X86 架構給擊倒了。

　　2012 年，ARM 終于在其長(cháng)遠的處理器列表上添加了 64 位架構，晚了 X86 架構 13 年，然而這并非完全出自 ARM 自己之手。

　　蘋(píng)果希望維持 A 系列處理器在移動(dòng)市場(chǎng)上的性能優(yōu)勢，且將應用擴及包含筆記本與 PC 市場(chǎng)，作為取代 X86 架構的武器。但是在遲遲等不到 64 位架構到來(lái)的情況下，只好主動(dòng)和 ARM 進(jìn)行溝通，提供其研究多年的 64 位指令集設計建議，蘋(píng)果總共定義了 26 條 64 位指令，在 2012 年發(fā)表的 ARM v8.0a 使用了其中的 18 條指令，次年的 ARM v8.1a 則補上了其余的 8 條指令。

　　談到這邊，各位應該對蘋(píng)果 A 系列芯片性能要比同時(shí)期產(chǎn)品更高的理由心里有點(diǎn)底了吧。

　　當然，ARM 作為公正 IP 供應者，理論上不應該也不會(huì )偏向任何一方，雖然在大客戶(hù)的要求下，硬著(zhù)頭皮推出采用蘋(píng)果建議的 64 位架構設計，但完成后也同樣對外開(kāi)放授權。蘋(píng)果無(wú)償貢獻這些指令集，最后所有芯片廠(chǎng)商都能借助授權使用，乍看之下是為人作嫁衣，讓競爭者撿了便宜。

　　但實(shí)際上，蘋(píng)果在芯片設計方面早有深厚的基礎，且在 A5 之后轉而自行設計芯片架構，最后一款 32 位芯片 A6 更是自行設計微架構，對相關(guān)指令集所需要的配套優(yōu)化架構了然于心，反觀(guān)套用 64 位 ARM 公版架構的廠(chǎng)商紛紛在市場(chǎng)上受挫而叫苦連天。

　　ARM 后續雖不斷改進(jìn)其公版微架構，但蘋(píng)果已經(jīng)穩居市場(chǎng)先機，包含高通、三星、華為等都認為繼續采用公版架構將無(wú)法拉近與蘋(píng)果的距離，因此紛紛投入研發(fā)基于 64 位 ARM 指令集的自有微架構，但市場(chǎng)的落差已然存在，即便到現在，蘋(píng)果仍在處理器微架構的效率表現上遙遙領(lǐng)先其他芯片設計廠(chǎng)商，甚至逼近 X86 的程度。

　　所以說(shuō)，蘋(píng)果已為其 64 位架構布了一個(gè)非常深遠的局，而且其影響將持續下去。

　　不過(guò) ，ARM 被軟銀(SoftBank)并購之后，除了在 IoT 市場(chǎng)推出各種相應方案，也積極布局服務(wù)器市場(chǎng)，沒(méi)有死守在由蘋(píng)果開(kāi)拓出來(lái)的 64 位路徑上，而是以此為基礎，增加更多的應用可能性。

　　然而，過(guò)去幾年被蘋(píng)果遠遠拋開(kāi)的移動(dòng)芯片供貨商也逐漸走出自己的路，畢竟，如果只是單純依照建議公版，那永遠也追不上蘋(píng)果。通過(guò)自有微架構的開(kāi)發(fā)，這些廠(chǎng)商也逐漸拉近與蘋(píng)果的距離。

　　蘋(píng)果不僅拔得 64 位 ARM 架構頭籌，性能亦持續領(lǐng)先

　　我們都知道，蘋(píng)果 A 系列芯片是最早進(jìn)入 64 位的 ARM 架構，其他方案幾乎都晚了蘋(píng)果 1 年以上，其最主要的原因是前面提到的，蘋(píng)果早在 ARM 推出其官方 64 位架構指令集前就已經(jīng)先行布局自有架構的開(kāi)發(fā)。

　　另外還有一個(gè)原因，除了當時(shí)手機等移動(dòng)平臺上沒(méi)有 64 位應用開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，芯片廠(chǎng)看不到蘋(píng)果所看到的差別，擔心最終只是落得噱頭一場(chǎng)，投資開(kāi)發(fā)新架構可能成泡沫，且 ARM 的 64 位架構的由來(lái)也讓各大芯片廠(chǎng)商不怎么放心，因此裹足不前，坐看蘋(píng)果拔得頭籌，而當蘋(píng)果取得市場(chǎng)關(guān)注之后，才接連引發(fā)移動(dòng)市場(chǎng)的 64 位革命。

　　A4、A5 芯片采用 ARM 官方 IP，實(shí)際效能表現只能說(shuō)普通，若沒(méi)有 GPU 的幫助，那跟一般 ARM 架構方案根本沒(méi)有落差。A6 雖然轉用自行開(kāi)發(fā)的 swift 微架構，但性能表現也僅略?xún)?yōu)于同時(shí)其競爭產(chǎn)品，真正拉開(kāi)差距的，就是首代 64 位架構，也就是基于 Cyclone 架構的 A7 處理器。

　　與其他基于標準公版 Cortex-A57 的同時(shí)期位 ARM 架構芯片比較起來(lái)，Cyclone 架構把指令發(fā)射寬度 (issue-width) 從標準的 3 個(gè)增加到 6 個(gè)，并且大幅增加片上緩存以及存取帶寬。而基于 A7 的終端產(chǎn)品從 2013 年底逐漸上市，反觀(guān)業(yè)界首款基于 64 位 ARM 架構 Cortex-A57 遲至 2015 年初才有產(chǎn)品上市，且因為 A57 只是在 32 位架構 A15 的基礎上增加 64 位指令，很多東西都是等比例放大，沒(méi)有經(jīng)過(guò)優(yōu)化，配置非常不均衡，加上芯片代工工藝跟不上，首波推出的芯片與終端方案表現可說(shuō)是極為凄慘。

　　2015 年，蘋(píng)果也理所當然的用基于 Cyclone 二代微架構的 A8 以及 Twister 微架構的 A9 碾壓 Android 高端產(chǎn)品陣營(yíng)，其設計理念也很一致，用大規模同步指令譯碼能力取代原本的高頻設計，并且增加帶寬與緩存，讓指令集運行更有效率，而同時(shí)期的芯片廠(chǎng)仍持續強調運作頻率等蘋(píng)果根本看不上眼的規格。

　　也因此，蘋(píng)果能夠長(cháng)期穩定運作在相對高效能之下，而其他產(chǎn)品通常只能全力運作非常短的時(shí)間，然后就碰到功耗門(mén)，被強制降頻，該時(shí)期代表作驍龍 810 甚至只能在低于一半的預設頻率下才能勉強維持穩定運作，雖然號稱(chēng) 8 核心，但實(shí)際性能遠遠落后于蘋(píng)果的雙核產(chǎn)品。

　　移動(dòng)領(lǐng)域雖稱(chēng)霸，但意圖取代 X86 的大計并不成功

　　前面也提到，蘋(píng)果布局 64 位 ARM 架構其實(shí)目的不是只為了手機等移動(dòng)終端，而是要全面取代其在 Mac 計算器上的處理器，然而理想很豐滿(mǎn)，現實(shí)狀況是，即便增加了 64 位指令，ARM 的基本結構本來(lái)就不適合大規模高頻率的運作方式，即便蘋(píng)果已經(jīng)做了很多嘗試，但仍然事倍功半。

　　而英特爾過(guò)去幾年在市場(chǎng)上毫無(wú)敵手，core 微架構撐了十幾年仍淘汰不了，每年固定擠牙膏的作法雖然讓其包括蘋(píng)果在內的客戶(hù)非常不滿(mǎn)，但也只能無(wú)奈的買(mǎi)單。英特爾雖然躺著(zhù)賺，但也不敢忽視了蘋(píng)果的一舉一動(dòng)。

　　只要蘋(píng)果推新架構，英特爾就會(huì )推出性能剛好領(lǐng)先一段距離的產(chǎn)品壓陣，甚至部分小改版，或者是針對特殊市場(chǎng)的處理器產(chǎn)品也會(huì )優(yōu)先供應蘋(píng)果，避免蘋(píng)果真的下了要全面替換處理器的決定。

　　這個(gè)策略也被證實(shí)十分有效，截至目前為止，蘋(píng)果要替換處理器架構都還只是停留在傳言的階段而沒(méi)有成真。當然，之前的確有某家代工廠(chǎng)已經(jīng)在幫蘋(píng)果設計代工基于 ARM 架構的 NB 產(chǎn)品，只是最后因為市場(chǎng)策略調整，或是因為產(chǎn)品性能表現不佳，亦或者是因為來(lái)自英特爾的壓力，相關(guān)產(chǎn)品最終胎死腹中。

　　雖然蘋(píng)果相關(guān)的規劃進(jìn)行狀況并不順利，但未來(lái)肯定還是會(huì )繼續嘗試替換掉來(lái)自英特爾的芯片產(chǎn)品，畢竟蘋(píng)果的最高準則就是單一類(lèi)型產(chǎn)品有要第二供貨來(lái)源，而英特爾已經(jīng)獨占太久了。換句話(huà)說(shuō)，就是蘋(píng)果認為英特爾實(shí)在賺太多了。

　　不過(guò)，在 AMD 咸魚(yú)翻身之后，或許蘋(píng)果又會(huì )有不同的決定，但一切還是要回歸市場(chǎng)選擇以及蘋(píng)果的策略方向。

　　被蘋(píng)果推向 64 位的 ARM，雖成霸主但客戶(hù)皆懷異心

　　ARM 雖然用了來(lái)自蘋(píng)果的架構，卻也沒(méi)有自滿(mǎn)于現況而裹足不前，v8.0a 到 v8.1a 都是針對移動(dòng)平臺跨向 64 位而設計，并且希望兼顧 PC 市場(chǎng)所需要的高性能表現，其隨后發(fā)表的 ARM v8.2a 是針對服務(wù)器所需要的半精度浮點(diǎn)計算、增強內存模型，并且引入 RAS(可靠性可用性可服務(wù)性) 的支持與統計分析擴展，而在短短不到 3 個(gè)月的時(shí)間內，ARM 又發(fā)表了 v8.3a，改善了處理器本身的資安特性，而 2018 年推出的 v8.4a，則是再度強化加密與內存管理，從這邊也可看出，未來(lái) ARM 已經(jīng)逐漸從移動(dòng)處理器的 IP 供貨商角色抽離，希望能做到包含服務(wù)器等全方位市場(chǎng)的布局。

　　也因為這些架構上的布局，服務(wù)器市場(chǎng)終于漸有起色，部分云服務(wù)客戶(hù)也開(kāi)始采用基于 ARM 架構的服務(wù)器芯片，而不再偏好來(lái)自英特爾的架構。

　　另一方面，ARM 被軟銀收購之后，不只 NRE 及一次性技術(shù)許可費大漲 3 倍以上，每年也都大幅調升專(zhuān)利費的比重，但好在手機市場(chǎng)上還有個(gè)萬(wàn)惡的高通以及微軟坐收高額技術(shù)許可費，所以看起來(lái)增加的幅度還不明顯，但是在其他 IoT 或者嵌入式領(lǐng)域中，就造成了芯片方案廠(chǎng)商很大的負擔。

　　但其實(shí)連三星都已經(jīng)有點(diǎn)受不了了，原本三星是采用最頂級的架構訂閱模式，只要有推出新架構，三星都可以直接使用，但后來(lái)也改為只簽訂有使用到的架構授權，而非全包。

　　另外，ARM 當然也知道繼續一直漲價(jià)下去，很多低端嵌入式的芯片設計廠(chǎng)商都會(huì )受不了，于是也提出 DesignStart 項目，包含了幾款 Cortex-M0 到 M3 等低端 MCU 核心，免除了初始專(zhuān)利費這個(gè)門(mén)坎，乍看之下十分優(yōu)惠。不過(guò)這些架構其實(shí)都已經(jīng)很古老，性能有點(diǎn)追不上目前 IoT 所需要的性能門(mén)檻，所以客戶(hù)如果要開(kāi)發(fā)新應用，多半也不會(huì )使用 DesignStart 項目。而 ARM 每次推出新架構，價(jià)格都會(huì )繼續往上迭加，舊方案則是每年漲價(jià)。

　　也因為如此，ARM 的營(yíng)收也不斷成長(cháng)。

　　市場(chǎng)看到 ARM 已經(jīng)逐漸走向另一個(gè)巨頭的壟斷道路，也開(kāi)始有所警覺(jué)，因此包括 ANDES、RISC-V 等費用較合理、甚至免費架構采用的人也越來(lái)越多，然而這些架構缺乏了關(guān)鍵的非循序 (Out-Of-Order) 執行能力，無(wú)法肩負手機等高端計算環(huán)境需求，但是在低端嵌入式環(huán)境中，已經(jīng)開(kāi)始有不少應用實(shí)例出現，生態(tài)也逐漸成熟，諸如聯(lián)發(fā)科、WD、華為也都成為 RISC-V 的擁護者，并開(kāi)發(fā)相關(guān)方案，性能與功耗表現亦獲得市場(chǎng)肯定。

　　成為霸主的路上自然挑戰不斷，ARM 希望把自己打造成處理器 IP 界的霸主，自然也要面對各種考驗，雖然目前來(lái)看，這些考驗都還是屬于小兒科的階段，對 ARM 產(chǎn)生不了威脅，但霸主往往都會(huì )過(guò)于輕敵，并把自己的需求看得太重要，以致于忽視客戶(hù)的心聲，ARM 未來(lái)是否也會(huì )如此，值得觀(guān)察。