跳轉到

1990 - ARM 授權模式：IP-based SoC 的誕生#

案件摘要#

1990 年 11 月，Acorn、Apple、VLSI Technology 三方合資成立 Advanced RISC Machines（ARM）。 ARM 不製造任何晶片，只授權架構與 RTL、每顆晶片抽權利金。 從此「指令集本身」成為可販售的商品，IP-based SoC 設計成為產業主流。

前因 -- 為什麼會有這個案子#

  • Acorn 財務告急，卻握著低功耗王牌：Acorn 從 BBC Micro 的 6502 學到教訓——自製處理器是燒錢怪物。1983 年起 Steve Furber 與 Roger（Sophie）Wilson 設計 ARM，1985 年 4 月 26 日由 VLSI Technology 以 3 µm CMOS 製成第一批矽片，開機即通，不到 25,000 個電晶體，目標 4 MHz 實跑 8 MHz（約 4 MIPS），無 cache、無乘法器、無浮點，卻只有 44 條指令且每條都可條件執行。
  • RISC 有了定量理論支撐：1980 Berkeley RISC-I、1981 Stanford MIPS 證明「硬體簡單化」能把複雜指令的解碼器成本轉成排程深度；Amdahl 定律給出換取點：
\[ S_{\text{speedup}} = \frac{1}{(1-s) + \dfrac{s}{E}} \quad\xrightarrow{\;s\to 1\;} E \]

改寫後的路徑佔比 \(s\) 接近 1、排程深度 \(E\) 放大到 5 以上，加速比就逼近 \(E\) ——這正是 1988 年 VLSI Technology 宣稱「ARM 達 100 MIPS/W、每 MIPS 售價低於 1 美元」的理論根據。 - Newton 的誘因：Apple 正為 PDA 尋找一個能在兩節電池下跑整天的 32 位元核心，Acorn 的 ARM 幾乎是唯一候選。

線索與推理 -- 數學式、程式、理論#

1. RISC 架構的三條鐵律#

原則 內容 代價與收益
Load/Store 架構 只有 LDR/STR 能碰記憶體，運算指令全在暫存器中 需多幾個 LDR，但排程只需固定兩階段
固定 32 位元指令 編碼位置固定 → 解碼器像 ROM、可合成邏輯極簡 程式碼密度略輸 CISC（ \(\Rightarrow\) 後來有 Thumb）
大量暫存器且重疊 ARM1 有 25 個 32 位元暫存器，部分與中斷模式重疊 中斷不必全部儲存，體積與延遲同步下降

理論定義（load/store 的資料流限制）：

\[ R_i \leftarrow f(R_j, R_k) \quad\text{（運算）}\qquad\qquad R_i \leftrightarrow \text{mem}[a] \quad\text{僅限 load/store} \]

效能式子裡 RISC 的企圖非常直白：

\[ \text{CPI}_{\text{RISC}} \approx 1 \quad\Longrightarrow\quad T_{\text{CPU}} = \text{IC} \times \text{CPI} \times T_{clk} \]

只要解碼夠短， \(T_{clk}\) 就能壓到極低——省下的就是電池。

2. ARM 指令的位元佈局與即值編碼#

        MOV   r0, #0        ; 0xE3A00000   cond=1110, I=1, opcode=1101(MOV), imm8=0x00
        MOV   r1, #10       ; 0xE3A0100A   imm8=0x0A
loop    ADD   r0, r0, r1    ; 0xE0800001   I=0 暫存器型，opcode=0100(ADD)，Rm=r1
        SUBS  r1, r1, #1    ; 0xE2511001   opcode=0010(SUB)，S=1 更新旗標
        BNE   loop          ; 0x1AFFFFFE   cond=0001(NE)，imm24 = -2 指令（無條件自跳為 0xEAFFFFFE）
        ; r0 = 55

資料處理指令的固定欄位（立即值型）：

\[ \underbrace{\text{cond}}_{31:28}\ \underbrace{00}_{27:26}\ \underbrace{I}_{25}\ \underbrace{\text{opcode}}_{24:21}\ \underbrace{S}_{20}\ \underbrace{Rn}_{19:16}\ \underbrace{Rd}_{15:12}\ \underbrace{\text{rot}}_{11:8}\ \underbrace{\text{imm8}}_{7:0} \]

只有 8 位元立即值，卻能表示任意 32 位元常數，靠的是右旋公式：

\[ \text{const} = \text{imm8} \gg (2\cdot\text{rot}) \;\big|\; \text{imm8} \ll (32 - 2\cdot\text{rot}) \]
OPS = ['AND','EOR','SUB','RSB','ADD','ADC','SBC','RSC','TST','TEQ','CMP','CMN','ORR','MOV','BIC','MVN']

def enc_mov(rd, imm):                       # MOV rd, #imm（rot 自動搜尋）
    for rot in range(16):
        v = ((imm & 0xFF) >> (2 * rot)) | (((imm & 0xFF) << (32 - 2 * rot)) & 0xFFFFFFFF)
        if v == imm:
            return 0xE3A00000 | (rot << 8) | (rd << 12) | (imm & 0xFF)

def enc_data(op, rd, rn, operand, imm=True, s=0):   # imm=True 用 imm8，否則用暫存器編號
    return (0xE0000000 | (int(imm) << 25) | (OPS.index(op) << 21) | (s << 20)
            | (rn << 16) | (rd << 12) | operand)

def enc_branch(cond, target, pc):            # B：0x1A000000 + (offset<<2)，offset 以指令計
    return (cond << 28) | 0x0A000000 | (((target - pc) >> 2) & 0xFFFFFF)

print(*(hex(w) for w in [enc_mov(1, 10), enc_data('ADD', 0, 0, 1, imm=False),
                         enc_data('SUB', 1, 1, 1, s=1), enc_branch(1, 0x100, 0x108)]))
# 0xe3a0100a 0xe0800001 0xe2511001 0x1afffffe

「幾乎每條指令都帶 cond 欄位」是一個漂亮的省碼技巧：把 if (a) x++; 編譯成 ADDEQ，省掉一次分支，減少管線停滯。

3. 授權模式：把 NRE 變成固定費，把風險外包#

\[ \text{ARM 收入} = \underbrace{L}_{\text{授權金（一次／每個核心版本）}} + \underbrace{r \cdot N}_{\text{權利金（每顆出貨晶片）}} \qquad \text{邊際成本} \approx 0 \]
  • 架構授權（Architecture License）：可自製相容核心（Apple、Qualcomm、Samsung、NVIDIA…）。
  • 核心授權（RTL / hard macro license）：取得可綜合 RTL 與 verification suite，摻進自己的 SoC。
  • 對 ARM：零晶圓產能、零庫存、零良率風險，收入隨客戶量產複利式放大。
  • 對客戶：省下的不只是矽光罩，更是 \(\text{NRE}\) 與上市時間；1990 年 ARM3 版一 MIPS 的售價號稱低到 1 美元。

4. Apple Newton 與 ARM6：第一份訂單#

  • 1993/8/3 上市：Original MessagePad 採 ARM 610（ARM6 核心，20 MHz，4 MB ROM、640 KB SRAM、無快取），靠 4 顆 AA 電池撐約兩週——POWER 處理器做不到。
  • 1994–96：MessagePad 120/130 改用 ARM 710a（25 MHz + 4 KB cache）。
  • 1997：MessagePad 2000/2100 換上 StrongARM SA-110（162 MHz，與 DEC 共同開發），效能宣稱 925 MIPS/W。
  • 結案判定：Newton 產品本身失敗（1998 年停產），但實驗證實了低功耗 RISC 在手捧裝置上的可行性；Apple 當年投入約 300 萬美元換得 30% 股權，1999 年持股降至 14.8%，可說數倍回收。教訓：Apple 當年放棄的架構，二十多年後用 M 系列親手取回。

5. 手機時代的壟斷#

  • 1997 年 Nokia 6110 採用 ARM7TDMI（含 16 位元 Thumb），開啟手機 SoC 大量採用 ARM 的先例。
  • 接著 ARM920T 進數位相機、ARM7TDMI-S 進 Feature Phone、ARM11 到 Cortex-A/M/R 進智慧型手機與微控制器。
  • 今日旗艦 SoC（Snapdragon、Dimensity、Exynos、Apple A/M、AWS Graviton）全數建立在 ARM 指令集之上，累計出貨 ARM 核心超過 2,500 億顆——這是史上出貨量最大的 CPU 架構。

6. IP-based SoC：晶片變成積木清單#

\[ \text{SoC} = \text{CPU 核} + \text{GPU} + \text{NPU/DSP} + \text{記憶體介面} + \text{匯流排} + \text{I/O IP} \]
  • AMBA 匯流排（1996）：AHB/APB 後來到 AXI，讓不同供應商的 IP 能即插即用，是 IP 生態的交通規則。
  • IP 市場自此分工：ARM（CPU）、Imagination（GPU）、CEVA（DSP）、Synopsys/Cadence（介面與實體 IP）。
  • 配合 TSMC（1987） 的純代工，形成「IP 授權 → SoC 設計 → 晶圓代工」三段式供應鏈，今日 90% 的手機 SoC 皆出自這條鏈。

結案 -- 後果與影響#

  • 證明「不製造晶片的晶片公司」可以統治產業：ARM 沒有任何晶圓廠，卻定義了全球行動運算。
  • 授權模式被後來者抄襲：MIPS（1991 開放授權）、ARC（1996，El Tidjani）、以及開源 ISA 的 RISC-V（2010, UC Berkeley）——ARM 自己也在 2019 年把 ARMv8-A 開源，正是為了對抗這個開源浪潮。
  • 架構中立化：一旦大家都寫 ARM 程式碼，開發者學習成本轉嫁給 Microsoft／Google／Qualcomm（授權費），這正是 2024 年 Arm 收購 NVIDIA 授權業務的關鍵。
  • 資本市場見證：2016 SoftBank 以 320 億美元收購，2023 重新掛牌 Nasdaq；Apple Silicon（2020 M1）讓 RISC 首次正面挑戰 x86 的 PC 地盤。
  • 一條血脈貫穿四十年： \(6502 \to\) BBC Micro \(\to\) Berkeley RISC \(\to\) ARM1 \(\to\) ARM 授權 \(\to\) Thumb \(\to\) RISC-V。

關鍵人物與文獻#

  • Sophie Wilson（Roger Wilson）與 Steve Furber：ARM1 的架構與硬體設計者；Wilson 亦為 BBC Micro 的設計者。
  • Hermann Hauser：Acorn 共同創辦人，ARM 獨立與早期募資的推手。
  • David Patterson（Berkeley RISC, 1980）與 John Hennessy（Stanford MIPS, 1981）：RISC 哲學奠基人，2017 年圖靈獎。
  • Robin Saxby：ARM 首任 CEO（1990–2007），把授權模式推向全世界。
  • S. Furber, ARM System-on-Chip Architecture；D. Seal, ARM Compiler for Embedded Applications。
  • D. Patterson & D. Hennessy, Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface。
  • Acorn Computers, “ARM Evaluation System” 新聞稿（1986-07-07）；D. Jaggar (Ed.), RISC Architecture Design Handbook, ARM Ltd.