一文看懂ARM公司

ARM的總部在劍橋，同時在倫敦和紐約上市。市盈率接近50.這在晶元行業是個很誇張的數字，要知道Intel才十幾的市盈率。原因有兩個，第一名氣大，移動界晶元的武林盟主，絕對的市場佔有率。第二銷售額低，凈利也不高，2015年授權費和版稅加一起才12億美金，銷售額連國內展訊都趕不上。ARM內部，真正盈利較好的只有做處理器的部門。

說到部門，ARM是麻雀雖小五臟俱全。全公司四千人，分布在處理器部門，媒體部門（圖形處理器，視頻和顯示模塊），系統IP和軟體部門（匯流排，中斷控制器，MMU，內存控制器，安全模塊，調試模塊，系統設計，各類基礎軟體），物理設計部門（物理庫和處理器後端設計），軟體工具部門（編譯器，調試工具，模擬模型），物聯網部門（藍牙，物聯網操作系統），圖像信號部門，技術支持部門，銷售和市場部門，還有個商業發展部門（負責和戰略客戶的技術與合作，BAT之類，看著像是和市場部的內鬥產物，英國佬的宮斗也是有千年傳承的）。最後，還有個神秘的架構部門，裡面的人動不動就是principle啊fellow啊，制定指令集，研發不是很黑的黑科技。研發中心在劍橋，法國索菲亞，芬蘭，奧斯丁，以色列，匈牙利印度和上海都有。分布這麼廣和收購歷史有關。

ARM的賺錢方式簡單明了，授權和版稅。誰想用ARM的IP，那麼跟據流片的次數，可以付一次流片的費用，也可以買三年內無限次流片，更可以永久買斷。晶元量產後，根據產量，會按百分比收一點版稅。這個和高通的版稅完全不同，ARM全球一年版稅也就幾億美元，只是高通的零頭的零頭。

作為重中之重的處理器設計部門，產品有A,R,M三個系列，和ARM名字重合，挺有趣。A指的是Application Processor，以前專指移動處理器，後來又擴展到伺服器和網路處理器領域。R指Real Time，主要用於汽車，控制，固態硬碟，數據機等實時性需求較強的領域。M指MCU，一看名字就知道是微控制器，領域就更廣，去年全球ARM MCU出貨量過60億片，但單價很便宜。

A系列是ARM揚名立萬的本錢，沒有A系列，ARM也就是個高級8051的水平。ARM把A系列按照每赫茲功耗分為三等，低端的代表如A7和新出的A35/A32，運行在幾百兆赫茲，功耗幾十毫瓦，適合手錶和超低端手機。中端的代表如A53，作為大小核中的小核，運行在1-2Ghz，功耗3百毫瓦以下.當然也有人把它當大核用，功耗500毫瓦以上。再往上就比較豐富，A57是個相對較差的作品，再往後的A72，A73都達到了預期目的，運行在2Ghz以上，500豪瓦左右的功耗。在ARM的計劃里，每年提升20%的每赫茲性能，2018年底會出一款單核性能和Intel x86抗衡的處理器，節點在7nm甚至5nm上，不知是不是能實現。我覺得有點懸，台積電的7nm上的最高頻率和16nm也沒差多少，加壓到3Ghz了不起了，而x86現在就快到4Ghz了。ARM哪怕有每赫茲性能提升50%也趕不上，更何況intel也在緩慢提升。目前看來，通過增加發射寬度，把二級緩存放到核內，優化一級緩存命中，使用數據緩存vipt，還是可以在線性提升功耗的前提下提升性能。但是 ARM設計的哪怕最高端的處理器，也是把手機作為應用目標的，所以在功耗上不會很激進，單核一瓦都不會到。話說回來，其實小核賺到的授權費更高，你看市面上那麼多A53的處理器在跑，不光手機，平板，伺服器，網路都有。

R系列芯如其名，所有的設計都往實時性靠攏。可能有人對實時性有誤解，以為實時性就是性能高，響應快，這是不完全的。硬實時性指的是，任何運算和處理，都在確定的較短時間內完成。按照這個理念，虛地址是不適合的，因為虛實轉換查頁表可能會連續不匹配，造成不可預計的訪存時間。甚至中斷處理中實地址訪問內存也是不可控的，因為可能多個主設備存在訪問衝突，必須使用綁定核的專有片上內存，才能保證幾十個時鐘周期內一定讓中斷得到處理。其它的措施，比如所有內部匯流排和緩存加入校驗，採用雙核冗餘處理，都是R系列的特點。汽車和自動控制是R系列的典型應用。其餘的存儲控制器，3/4G數據機等，用處理器做的都是協議控制，不存在確定響應時間的問題，只要平均延時達到要求即可。所以有人用A系列做這一類應用，毫不奇怪。R系列的趨勢是實現虛擬化，這是汽車電子公司提出的要求，初看挺奇葩，但是ARM的解釋是，當初如果先有虛擬化，那麼就不會有trustzone了。在實地址下，虛擬化效率更高，因為A系列的虛擬化可能需要查20次頁表才能找到最終實地址，而R系列3-6次就可以，還可以把頁表放在片上內存，那就不存在延遲不可控一說了。所以R系列上的安全可以通過實地址虛擬化來實現。

M系列應用太廣，目前比較火的智能硬體和物聯網基本都用它，去年出貨量60億片，不過ARM在上面估計連1億美元版稅都沒收到。它的特點是晶元面積小，功耗極低，做的好一個電池板用幾年都可以。當然，也有M7這種奇葩型的MCU，運算能力超A7甚至A53，自帶緩存，目前用於無人機控制等對計算能力和實時性要求都高的地方。MCU上的趨勢也是安全，物聯網的基本需求。當然，由於晶元面積本來就小，不適合用虛擬化實現，還是用的老的trustzone的簡化版比較現實。

除了處理器RTL授權，ARM還可以指令集授權。這個話題一直被人津津樂道。目前的客戶包括蘋果，高通，博通，Cavium，海思，展訊等等。ARM其實是把指令集授權客戶看成潛在的威脅的，所以不僅售價高（幾千萬美元也不稀奇），而且還有時間和行業限制，過個三五年又得重新買。此外，客戶還不光買指令集，指令集驗證模型也得要吧？不然自己寫還不一定對。現在要做一個處理器其實沒那麼困難，微結構就那樣，90%的時間都是花在驗證上。難的是要做到商業化，那需要長時間慢慢的積累，不斷的驗證，不斷的微調。不同性能和功耗目標所採取的設計也並不相同。有條捷徑是拿ARM的RTL改，不過合同上這樣是不被允許的。

從市場來看，手機和平板ARM基本無競爭。Intel曾經想通過貼錢進入平板，現在隨著策略改變也沒啥動作了。還曾經和rockchip合作，把硬核授權，讓RK生產，如今也煙消雲散。唯一還在堅持的就是對展訊的投資與合作，授權硬核，提供工廠，試圖讓展訊以低價鋪開x86手機晶元市場。其實這本意是不錯的，intel自己造晶元太貴，只能讓中國公司來做才能降成本。不過隨著intel移動戰略的改變，現在的前途真是未卜，可見生態的力量之強大。據說ARM當初給諾基亞和德州儀器提供手機晶元設計的時候，完全沒想到過什麼生態戰略，也是想著賺一把走人，一不小心就做大了。

在伺服器市場，ARM和Intel的情況完全反轉。ARM苦於沒有真正的晶元做生態軟體優化，而晶元廠商也苦於沒有像手機那樣成熟的軟體，一切都要自己來。想想當初Intel為了打入手機市場硬是在二進位文件層面做指令翻譯，如今ARM面對的問題也沒好到哪去。伺服器和網路不像手機，隨隨便便可以死機重啟，哪怕晶元沒問題，軟體移植的不好，或者各家ARM指令集的晶元在軟體穩定性上表現不一致，那麼在互聯網生產環境是沒人敢大量使用的。所以這個市場上的生態更難打破，只能一點點拱白菜吧。好在企業市場不同於消費市場，決定權在企業用戶，群狼前赴後繼，主打低功耗低成本，拱得多了總會有一部分市場份額的。

別的小一些的市場，網路處理器，全球一共20億美元，ARM也是大勢所趨了。曾經占統治地位的MIPS和PowerPC，以後只會出現在一些低端網路設備上。還有個應用就是2/3/4G數據機，這個市場其實很大，手機離不開它。R系列在這裡用的挺多，不過作為協議控制，用A系列也可以，也確實有人這麼做。另外一個是存儲控制器，包括機械和固態硬碟控制，MIPS和tensilica占著一點空間，還有一個後起之秀，那就是Synopsys的ARC處理器。憑藉著EDA軟體搭賣處理器，在ARM沒有生態優勢的市場確實挺有吸引力。作為數據中心裡計算，存儲，網路三大塊之一，存儲倒是可以和網路結合，在單晶元上集成乙太網和ONFI介面，運行Linux及其開源軟體，Ceph之類的，把以前需要伺服器加網卡加SSD陣列的網路節點整個替換掉。由於軟體單一，優化相對容易，加上高能效低成本，也許能從這個角度打開伺服器和數據中心的市場。

圖形處理器其實比處理器更代表著未來。他們的主要區別是CPU一條指令僅僅對應有限的一次或者幾次數據訪問，然後指令與指令間存在著大量相對隨機的跳轉和數據讀取。而GPU一條指令可能需要成百上千次數據讀取，並且順序排列。順序訪問對於訪問內存可是天大的好事，詳情可以參看之前的文章。桌面GPU利用高帶寬，將順序訪問發揮到極致。但是他並不在緩存存儲中間結果，而是寫到內存。ARM的移動GPU，是所謂的tile based GPU，讀取一定量的數據後，會在緩存進行操作。從而省掉了很多帶寬，看上去更省電。

ARM在GPU上的競爭對手有IMG和高通。不過高通只在自己的晶元上使用，而IMG基本只在蘋果上賣出去。如果一個晶元公司想做手機晶元，那麼GPU的選擇只有ARM和IMG，其餘vivante之類的都是坑，海思和飛思卡爾都吃過虧。如果使用了Atom或者MIPS做CPU，那最好別選ARM MALI，否則沒人支持兼容問題。GPU的某些命令是需要CPU指令來做加速的。使用敵對陣營的CPU和GPU，各種安全，內容保護，硬體一致性，以及之上構建的異構計算也不容易做好。總之，ARM的GPU在技術上不如高通和IMG，但是憑藉著CPU的優勢，在安卓市場佔了40%。並且，現在IMG的中國市場上也只有展訊在用。紫光買了IMG3%的股份真是用心良苦。

接下去就是匯流排。ARM的匯流排分成幾類，一類是NIC，沒有固定拓撲結構，通過簡單crossbar互聯，適用於簡單場景。一類是CCI，固定拓撲，也是crossbar結構，支持一致性，適合少量處理器。再往下是CCN，環狀結構，通過固定交叉點連成一個環，延遲大但頻率高些，適合16個以上的處理器。再後來是CMN，網狀結構，也是固定交叉點，形成 NxN網路，支持更多的CPU互聯。再有一種是NoC，節點是個小路由器，連線更少頻率更高。沒有固定拓撲結構，可以連接任意多的設備。

在這麼多匯流排里，CCI是一個重點。最新的CCI550設計完美到ARM就沒有後續產品計劃。它可以讓多個CPU和GPU互聯，並且以極小的代價維護硬體一致性。在CCI550的基礎上，安全支付，視頻內容保護（看正版好萊塢授權大片的前提），異構計算，現實增強，全都可以高效實現，手機應用將會大大豐富。現在一線的幾個手機晶元公司在2016年底推出的方案里就會包含這個匯流排。不過真正把應用跑順，還是需要一些時間的磨合。

CCI有什麼缺點？最大的缺點就是無法支持更多的CPU和GPU。環狀網路CNN是一個過渡方案，而網狀網路CMN是一個較為成熟的設計。兼顧了訪問局部性，支持新的高效原子操作，支持網路處理器常用的stashing，還支持智能路由。由於跑在較高頻率（2Ghz@16nm），雖然訪問的路線變長，但是平均延時縮短了。目前CMN還不支持晶元互聯，沒法像x86那樣組成多路伺服器，這一點還有待發展。作為晶元間匯流排互聯的協議倒是剛定，叫CCIX，不知前景如何。

CCI/CCN/CMN都是支持一致性的。很多時候需要更靈活的連接各個設備，把不同的數據寬度，介面協議，電源/時鐘/電壓域，還要考慮布線，這些糅合在一個網路中，卻又不需要硬體一致性那這時候就可以用NoC和NIC。NoC以路由和包轉發為特點的網路，可以自由拓展。NIC更為簡單，沒有路由，只有簡單交換，調度，交織能力很有限，用於簡單SoC結構不錯，複雜了還是得上NoC。最近NoC也推出了一致性支持，採用類似多層Snoop filter的結構，向CCI/CMN發起挑戰。結果如何，拭目以待。

其餘的系統IP，隨著手機應用的豐富，也在逐漸發展。虛擬化，安全，移動計算，都是將來的趨勢。其中值得一提的是ARM的內存控制器，經過長期對系統傳輸的研究，ARM把它的調度演算法不斷優化，可以將內存帶寬利用率提高到90%以上。而很多複雜場景，比如視頻攝錄與回放，CPU，GPU，video，display，ISP同時工作，系統訪存會面臨很大壓力。此時好的調度演算法可以讓內存利用率儘可能接近理論上限。不過ARM內存控制器缺點也很明顯，必須配合別人的DDR PHY才能工作，這就有潛在的兼容性問題。而其他公司的PHY很值錢，控制器近乎白送。不過隨著手機晶元日益複雜，內存帶寬利用率問題會越來越嚴重，這個瓶頸必須得到解決。

綜合CPU/GPU/系統IP，就可以展開很多應用。其一就是安全支付。安全支付可以用ARM的trustzone來實現，不過這是一個系統解決方案，所有的處理器，匯流排，內存和外設，操作系統，都需要做相應改動，並不是把某個IP用到系統里就完事了。另外一個應用就是內容保護，中國用戶如果想要在手機看最新的正版好萊塢大片，好萊塢就會要求所有播放設備上要有DRM，數字版權保護。這也是靠把trustzone應用於整個晶元來實現的。我估計在未來幾年內很快就會看到了。

還有別的應用，比如目前很火的VR/AR/CV。手機上VR除了GPU性能需要足夠強外，主要是在軟體上要支持幾個特性，front buffer rendering啊，multiple view啊。對於GPGPU來說，改驅動就可以做到了，這也就是為啥GPGPU比固定管線靈活的原因了。其餘的硬體改動會是在display上，使得緩存更快的更新到顯示屏。當然，為了20ms延遲，上層的軟體改動也需要，我不熟就不多說了。

手機上更實際的應用其實是在AR和CV。不管是用什麼演算法，什麼API，都可以用Neon或者GPGPU甚至DSP來實現，而硬體上需要做的，就是把GPU和CPU，DSP的雙向硬體一致性做好，避免拷貝和刷新，讓他們之間的數據交互更高效。我估計在未來的兩年內，就會有包含計算機視覺或者機器學習的應用和測試出現，到時候又要比跑分了。

ARM還有一個重要的部門就是物理設計部門。它的任務有兩個，一個是與台積電，聯電，中芯等公司合作，把他們最新的製程的物理開發包拿到手，並在此之上開發自己的後端庫。第二個是有了後端庫，還要和CPU/GPU設計部門合作，前後端協同設計，把頻率，面積和功耗做到最優。然後就可以拿出去吆喝賣錢了。在推廣的時候，ARM的口號是PPA(performance, Power, Area)，Synopsys的口號是Service，而台積電的口號是Free。其實這代表了三種不同的推廣策略。回到ARM的後端產品，雖然前後端協同設計口號叫的很響，可有時候出來的數據真的未必能比得上晶元廠商自己做的後端，所以只能見仁見智吧。

ARM的其他部門，比如賣模擬器和Keil的，名氣是很響，可營業額很小。他們還做IP模型和編譯器，和其他部門比存在感稍弱。還有個部門做物聯網和藍牙，有個物聯網操作系統mBed在推廣。不過物聯網這個概念太廣，傳統意義上的物聯網晶元就是一個MCU加點感測器和連接（WiFi,藍牙，北斗/GPS，LTE），重點在於應用而非處理器，很難搞個生態或者大新聞。所以這個部門存在感也不強。我覺得搞好了藍牙也無助於提升系統性能和生態，甚至我懷疑這個部門是內部高層出去創業然後回購的。

說到ARM的存在感，就必須說到ARM的市場部門。共有四種市場職位，第一是產品市場，和產品緊密相關，CPU和GPU發布時候就是他們在出場，搜集需求，幫研發定義下一代產品。第二種是區域市場，北美歐洲中國，沒事就到各個晶元公司去轉悠，盯住他們的最新動態，看看能不能賣出點什麼，同時給產品市場需求和反饋。第三類是應用市場，針對某類新的應用，比如虛擬現實，汽車，移動，伺服器等。他們去的不僅僅是晶元公司，更重要的是行業的下游企業，看看在應用層有什麼可以挖掘的。第四類是戰略客戶市場，主要是看住新興的互聯網公司，看看他們有什麼動向。未必是鎖定在某一行業和應用。比如阿里，同時在伺服器，手機操作系統，支付，多媒體等領域發展，那ARM就得看看有什麼地方可以合作的。除了這四類，其實還有政府合作市場，不過這類事情一般都是GM和VP出面，摸清中央政府，地方政府和各部門的資金和政策動向，看看能不能摻和一腳。

作為一個號稱靠生態賺錢的公司，市場人員自然素質不錯，隨便挑一個出來，上台做做報告，用英語發表下演講，分析下行業動態，自然不在話下。由於平台大，視野廣，出路通常不錯，經常有跳槽升個兩級或者乾脆自己創業的。

然而，我還是不看好ARM的盈利模式。它的現有模式已經走到了盡頭，就算移動計算，伺服器，VR，物聯網市場起來了又如何？就算中國和印度的晶元也起來了又如何？作為IP公司，所能賺的錢翻個倍也就頂了天了，遠遠沒法和晶元公司比，更沒法和下游互聯網公司比。

那ARM的未來在哪？第一還是生態。當前流行的技術，大數據，人工智慧，虛擬現實，自動駕駛等等，說穿了無非兩個字，計算。而計算就離不開晶元。無論是CPU，還是GPU，DSP，又或是神經網路晶元，都是圍繞這兩個字在運行。ARM必須牢牢抓住技術趨勢，將通用計算融合其中，這是一切的基礎。但是做好了第一步，並不賺錢。能賺大錢的不是IP授權，而是來自投資，來自那些從財報上看不到的影響力。有了影響力，什麼政府合作啊，領投啊，資本運作啊，才有可能輪得到ARM分一杯羹。從這方面看，不生產晶元，不製造系統，軟體開源，又是無與倫比的優勢。ARM中國這兩年動作頻頻，和妖股中科創達聯合成立安創只是牛刀小試，而和厚朴成立投資公司則是紅色故事的開始。

來源：電子發燒友