提到芯片商，大家首先會想起誰？英特爾、AMD、蘋果、三星、高通、聯發科、麒麟......實際上，除了英特爾和AMD等少數混“X86圈子”的芯片廠外，其餘廠商都是要看ARM臉色吃飯的。
“ARM”的兩層含義
“ARM”這個詞彙包含兩層含義（圖2）。第一層，ARM是“英國芯片設計公司”的縮寫（已於2016年被日本軟銀收購），是一家致力於半導體芯片設計研發的企業。
第二層，ARM是與X86平級的CPU架構，它和X86的差別是改用了RISC（精簡指令集計算機），雖然整體性能不如X86架構特有的CISC（複雜指令集計算機），但卻因主打低成本、低功耗和高效率這三手好牌，恰好迎合了包括智能手機在內的諸多移動設備的發展潮流，從而一統非PC領域計算設備的江山。
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有關ARM和X86之間的恩怨和異同，感興趣的讀者可以參考本刊2017年第3期《不再甘心移動 ARM染指PC千億市場》這篇文章。
不一樣的運營模式
ARM之所以默默無聞，主要就在於其獨特的運營模式。作為全球最著名的半導體芯片廠商，英特爾總將芯片的IP設計、IC設計、晶圓製造和封裝測試等環節大包大攬。
反觀ARM公司，其只負責半導體芯片產業鏈中最初的IP設計部分，也就是研發ARM指令集、內核架構、圖形核心和互連架構等，並將它們授權給其他芯片商完成從半導體芯片設計、生產到銷售的其他流程（圖3）。而ARM的盈利來源，則在於前期的授權費用，以及芯片廠後期銷售時支付的提成費用。
如果套用一句流行的廣告詞，那就是“我們（ARM）不生產芯片，我們只提供一個芯片設計的Idea”。
可以說，作為一家不生產芯片的芯片廠商，ARM卻在全球範圍內支撐起了各種嵌入式設備、智能手機、平板電腦、智能穿戴和物聯網設備的運行，只是ARM每年都會從構建上述設備體內的上百億顆處理器中“抽成”，嚴格遵守薄利多銷的運營模式。
有意思的是，隨著時間的推移ARM和X86的邊間也開始變得模糊起來。比如，ARM現在就開始“入侵”傳統X86架構處理器堅守的高性能計算終端市場了。首當其衝的就是服務器，AMD在2014年就發佈了首款ARM架構處理器“Opteron A1100”，並於2016年部署到服務器領域（圖4）。作為與英特爾平級的X86芯片供應商，AMD的“倒戈”也恰好印證了ARM架構的先天優勢：擁有更高的靈活性，定製能力以及更低的開發費用和功耗。
AMD副總裁Andrew Feldman曾表示，研發完全定製化、採用ARM架構的服務器芯片目前僅需花費18個月時間並耗資3000萬美元，而研發基於X86架構的服務器芯片則需要花費3年到4年時間並耗資3億到4億美元，孰優孰略一看便知。
除了服務器市場，微軟也聯合高通推出了基於ARM架構處理器（驍龍835）打造的Windows 10筆記本（圖5），並主打“永遠在線”特性，而且很快就要與我們正式見面。對此類設備感興趣的讀者，可參考本刊2018年第一期《Always Connected PC 驍龍牌筆記本欲乘風破浪》這篇文章。
那麼，就我們最關心的手機處理器而言，ARM給蘋果、高通、聯發科和麒麟等芯片商都提供了哪些幫助？
ARM一門四劍客
最早被應用在智能手機身上的處理器，來自基於ARMv6指令集設計的ARM11架構，比如第一代iPhone搭載的三星S5L8900、HTC G1搭載的高通MSM7201就都是基於ARM11架構定製。隨著消費者對智能手機性能的期望值越來越高，ARM從ARMv7指令集開始引入全新的“Cortex+X”冠名方式（圖6），讓手機處理器架構的定位和性能變得更加直觀。
ARM Cortex架構系列可謂“能屈能伸”的典範，它能提供非常廣泛的可擴展性能選項，設計人員有機會在多種選項中選擇最適合自身應用的內核，從而獲得更好的能耗比、靈活性和成本控制。
針對不同領域，ARM將旗下的Cortex內核細分為了三大家族：針對開放系統的“Cortex-A”、面向嵌入式系統的“Cortex-R”和主打各種微控制器的“Cortex-M”（圖7）。同時，ARM還可以提供與Cortex架構配套打包的Mali系列GPU方案，共同構成了ARM旗下的一門“四劍客”。
Cortex-A
Cortex-A系列又稱“應用處理器”（Application Processors），它是面向移動計算，如智能手機、平板電腦和服務器市場定製的高端處理器內核，支持包括Linux、Android、Windows和iOS等系統必須的內存管理單元（MMU），也是與我們接觸最為密切的存在。
ARM Cortex-A存在4個關鍵時間節點（表1）。第1個節點是Cortex-A9開啟了多核時代的大門，但同時也讓Cortex-A9與高性能、高發熱和高功耗劃上了等號；第2個節點是Cortex-A7和Cortex-A15架構與big.LITTLE“大小核”技術的出現，造就了更靈活的“2+2”、“2+4”、“4+4”多核組建方式，可以讓多核處理器更好地在性能和功耗之間取得平衡；
第3個節點是Cortex-A72和Cortex-A53實現了從32bit向64bit的進化；第4個節點則是最新Cortex-A75和Cortex-A55架構的出現（圖8），它們都基於最新的ARMv8.2-A指令集構建，並針對人工智能（AI）和機器學習（ML）能力進行了特別優化，同時還帶來了TrustZone安全防禦技術、改進的DynamIQ big.LITTLE技術，綜合性能格外搶眼。
Cortex-R
Cortex-R系列又稱“實時處理器”（Real-time Processors），它是面向實時應用領域的處理器內核，如硬盤控制器、汽車傳動系統和無線通訊的基帶控制等。和A系列相比，R系列內核缺少了對頁表的支持，軟件端看到的地址就是物理地址，軟件運行時間和中斷響應速度都更快更穩定且容易預測。雖然Cortex-R系列內核不支持完整的Linux和Windows操作系統，但對大量的實時操作系統（RTOS）支持更加完美。
Cortex-M
Cortex-M系列又稱“微控制器處理器”（Microcontroller Processors），它是面向單片機和深度嵌入式系統市場的處理器內核，比如智能電錶這樣的細分市場就是Cortex-M的主攻方向。
Mali系列GPU
智能手機自然要具備出色的娛樂動力，所以合理的CPU+GPU搭配方案就顯得尤為重要了（圖9）。對ARM公司來說，如何讓芯片廠繳納更多的授權費？恩，在授權CPU的同時，再打包一份GPU不就結了？
於是，和高通Adreno、Imagination Technologies PowerVR齊名的ARM Mali嵌入式圖形處理器就誕生了。隨著Cortex-A系列架構的不斷升級，ARM Mali GPU也經歷了從Mali-200、Mali-400、Mali-T600、Mali-T700、Mali-T800、Mali-G71和Mali-G72的迭代更新（圖10）。而影響ARM Mali GPU性能的因素有二，其一是GPU版本越新越好，比如Mali-G72肯定就要比Mali-T880強；其二是ARM Mali GPU可以選配不定數量的計算單元，GPU相同時計算單元越多性能越強。比如集成20個計算單元的Mali-G71MP20（如Exynos 8895）就要比八個計算單元的Mali-G71MP8（如麒麟960）強很多。
總的來說，ARM Cortex架構將我們身邊無數的電子設備串聯了起來，大到汽車中控、智能電視；小到智能手機、運動手錶；微到物聯網設備中超低成本的無線傳感器節點，在幾乎所有用電力驅使且具備一定計算能力的小夥伴都是ARM的客戶（圖11）。
小提示
ARM還有面向支付、電子政府、SIM卡等安全市場的SC系列，只是此類產品與普通用戶關聯不大，所以本文就不再涉及了。
ARM的商業模型是“你交錢，我授權”。但是，根據繳納授權費用預算的多少，以及芯片廠自身的技術實力，ARM還是提供了多種授權方案供客戶選擇（圖12）。
這是ARM提供的最深度授權方式，芯片廠可以僅購買ARM的指令集（如ARMv7、ARMv8），ARM允許芯片廠對指令集進行擴展或縮減，然後由芯片廠自行搞定內核架構、圖形核心和互連架構等一系列研發設計。蘋果A系列處理器之所以強悍，就是採用了ARM指令集授權然後自研CPU架構的策略，從而獲得了遠超同期公版ARMCortex-A架構的性能。
值得一提的是，高通早期的Krait架構也採用了ARM指令集授權方案，並先後經歷了APQ8064（Krait 200）、驍龍600（Krait 300）、驍龍800/801（Krait 400）和驍龍805（Krait 450）共四代（圖13）。三星從Exynos 8890開始也通過指令集授權的方式推出了自主架構“貓鼬M1”（Mongoose M1，只限大核部分，小核依舊是ARM公版的Cortex-A53）。
考慮到很多芯片廠實力有限，所以ARM還提供了類似“交鑰匙”的授權方案，客戶可以根據自己的需要直接挑選公版Cortex-A架構使用。這種授權可以幫助芯片廠快速搞出產品，只是能自由發揮的空間不大，處理器的類型、工藝標準都是規定好的，同類產品之間很難在CPU性能上拉開差距，性能的強弱完全取決於主頻、GPU模塊和搭配的調制解調器等外圍芯片。麒麟、聯發科和小米澎湃系列（圖14），就多以這種使用層級的授權為主。
BoC（Built on ARM Cortex Technology）許可介於前面兩種授權之間，AMD允許芯片廠基於公版Cortex-A架構的基礎上進行“半定製化”。只是ARM仍然擁有並控制IP，但允許獲得BoC授權的芯片廠對指令窗口大小、高速緩存等進行更改，並對芯片廠設計所要求的更改保密。
高通應該是全部經歷三種授權的芯片廠代表。為了搭上64bit時代的首班車，高通在驍龍810時代採取了使用層級授權，直接套用ARM公版Cortex-A57+A53（圖15），可惜受制於20nm工藝拖累深陷發熱和降頻的漩渦中，也成為了高通曆史上口碑最差的驍龍處理器；在驍龍820時期，高通改用指令集授權方案，推出了自研的64位Kryo CPU核心，在運行效率上超過了同期的公版Cortex-A57，挽回了驍龍810丟失的聲譽。
從驍龍835開始，高通又青睞於BoC許可授權，推出了分別基於Cortex-A73和Cortex-A53公版架構“魔改”而來的四顆大核Kryo 280和四顆小核Kryo 280。據悉，驍龍845高通還將沿用BoC許可授權，只是將核心換成了由Cortex-A75、A55魔改而來的Kryo 385（圖16）。
小結
手機處理器的強弱很大程度上就取決於內核架構版本，蘋果A系列處理器之所以強大，就是借了自研核心的光。問題來了，自研核心就一定優於ARM公版架構嗎？有關這個問題，我們將在下個章節中加以解讀。
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