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淺談移動運算中的處理器演進 - 黃敬群
從近況談起
Arm to Scrap Qualcomm Chip Design License in Feud Escalation
Arm Holdings 近期傳出將終止長期合作夥伴高通 (Qualcomm) 對其智慧財產的晶片設計授權，此舉使雙方關於智慧型手機核心技術的法律紛爭進一步升級。根據彭博社所見文件，Arm 依約在 60 天前通知高通取消架構授權協議，該協議允許高通基於 Arm 擁有的標準設計專屬晶片。彭博社分析指出，Arm 此舉可能撼動智慧型手機和個人電腦市場，對二大半導體公司在財務和業務上的運作產生深遠影響。
從目前大客戶的發展趨勢來看，Arm 的傳統商業模式正面臨嚴峻挑戰。
自研 CPU 的興起
Arm 的三大客戶的蘋果和高通，正朝向基於 Arm 指令集自研 CPU 的方向邁進。蘋果早在 2010 年以前便採用 ARMv7 指令集開發自有處理器 Apple A4 和後續系列，並在 2020 年推出基於 Arm 指令集的 M 系列處理器，替代原先的 Intel x86 處理器。高通則透過收購 Nuvia 團隊，推出基於 Arm v8 指令集的 Oryon 架構處理器，已應用於 Windows on Arm 筆電，並將於下半年推出最新手機處理器 Snapdragon 8 Elite。此趨勢顯示，Arm 主要客戶已逐漸擺脫對其公版 IP 的依賴，轉而設計專屬的處理器。
對 Arm 而言，這將削弱其在手機處理器市場上的主導地位，客戶依賴性下降。蘋果基於 ARMv8 指令集自研的 M2/M3 和 A15/A16/A17 表現出色，高通的 Oryon 架構亦顯示出卓越效能，反映出 Arm 的技術優勢正逐步被客戶自研技術所取代。
聯發科技作為 Arm 的重要夥伴
隨著蘋果和高通加速自研處理器，聯發科技成為最依賴 Arm 公版 IP 的主要客戶。聯發科技最新的天璣 9400 採用 Cortex-X925 核心和 Immortalis-G925 GPU，這讓其在高端手機市場中保持競爭力。對 Arm 而言，聯發科技的成功與其息息相關；唯有聯發科技在技術和商業上持續保持優勢，Arm 才有機會對抗自研處理器的潮流。
Arm 在中國市場的挑戰
在中國市場，Arm 面臨出口管制、技術限制及內部管理問題。中美之間的貿易摩擦導致英美等國對中國技術輸出實施限制，Arm 必須謹慎授權中國的技術級別，以確保符合國際出口政策。此外，Arm 中國子公司治理問題也增添不確定性，特別是前任執行長吳雄昂（Allen Wu）拒絕下台的事件使 Arm 難以完全掌控子公司。加上華為似乎已基於 Armv8 指令集開發出 HiSilicon Taishan 架構處理器，使得 Arm 在中國的市場前景更具挑戰。
Arm 未來可能的轉變
自上市後，Arm 必須應對增加收入與盈利的壓力，而客戶朝自研方向發展的趨勢迫使 Arm 考慮調整商業模式。可能的改變包括提供更高層次的客制化技術支持，或與客戶共同開發處理器架構。此外，Arm 也可能加強與下游 IC 設計客戶的合作，例如與手機品牌 vivo 成立聯合實驗室，共同推動 Arm 生態系統的發展。
Arm 於 2021 年推出 ARMv9 指令集，並迅速被高通的 Snapdragon 系列和聯發科技的天璣系列採用。蘋果的 M2/M3 和手機晶片 A 系列仍然採用 ARMv8 指令集，而今年聯發科技的天璣 9400 和蘋果的 A18 Pro 則開始導入 ARMv9 架構。高通則在最新的 Snapdragon 8 Elite 中採用自研的 Oryon 架構，雖受限於訴訟問題僅支援 Arm v8 指令集，但仍能達到優異的效能。
蘋果 M 系列的推出帶動 Arm 客戶朝自研 CPU 的趨勢，而高通也積極跟進。自蘋果收購 Nuvia 團隊後，高通的自研 Oryon 架構已應用於 Windows on Arm 筆電，並計劃在車用和資料中心應用 Oryon CPU。Arm 主要客戶朝向「基於 Arm 指令集自研 CPU」的趨勢，使聯發科技成為 Arm 最重要的夥伴之一，其最新 Cortex-X925 核心和 Immortalis-G925 GPU 也率先被聯發科技採用。
所謂的殺手級應用
多核處理器和強大浮點運算能力的 GPU 使得 3A 級桌上型遊戲成為其展現的形式，而多核 CPU 和 GPU 的另一大應用則是網頁瀏覽器引擎，推動以網頁為主體的應用程式設計。
消費性電子產品的其他選擇
Motorola 68000 (簡稱 m68k) 於 1979 年 9 月發布，是美國 Motorola 公司半導體部門 (後來獨立為 Freescale 公司，該公司在 2006 年被私募股權收購，在 2015 年已和 NXP 合併) 推出的手款 16/32 位元微處理器，屬於 CISC (複雜指令集) 架構，標誌著 Motorola 在微處理器領域的重要突破。m68k 系列處理器持續發展至 1994 年，廣泛應用於多種知名設備，如 Sega Genesis、Neo Geo、Apple Macintosh、Atari ST 及 Amiga 電腦等。
進入 1990 年代中期，Arm 指令集取得巨大的成功。隨著消費電子產品對運算能力需求的提升，Arm 架構迅速佔據了全球約 99% 的移動裝置處理器市場。這一現象讓人誤以為 RISC (精簡指令集) 架構是市場勝出的關鍵，實則 Arm 公司善於依據市場需求調整技術布局，例如針對 Texas Instruments (TI) 和 Nokia 的需求設計 Thumb 指令集。然而，在 Arm 主導市場前，CISC 風格的指令集在消費電子產品市場依舊具有強大的競爭力。
Motorola 香港工程團隊 (Motorola 半導體香港公司，前身為萬力半導體香港有限公司) 主導研發了前三款 DragonBall (龍珠) 系列微處理器。首款 DragonBall 處理器 (MC68328) 於 1995 年問世，以 Motorola 的 MC68000 系列微處理器為基礎，融合自家設計的軟硬體，打造出集顯示控制、通訊收發、紅外線資料傳輸及即時時鐘等多功能於一體的高整合晶片 (SoC)。隨後推出的第二款 DragonBall EZ 處理器 (MC68EZ328) 於 1998 年問世，主打更低的生產成本；隔年推出的第三款龍珠晶片 (MC68VZ328) 則專注於效能提升。
上述龍珠處理器被廣受歡迎的個人數位助理 Palm 所採用，直至 Palm 轉用採 Arm 架構的 PalmOS 5.0 之前，市場上所有相容 Palm 的裝置均搭載 Motorola 的龍珠系列處理器。
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香港在電機資訊領域曾經輝煌一時，特別是在消費電子產品方面。不僅推出了廣受歡迎的「快譯通」系列電腦詞典，甚至一度由香港團隊主導設計全新的 CPU 和整合開發晶片，這些晶片不僅在技術層面獲得高度評價，也被全球市場廣泛採納。
PHEM - The Palm Hardware Emulator M68k
The First Arm Transition: Palm Dragonball CPU Emulation
龍珠系列微處理器的創始人是姚慶良博士 (Dr. H.L. Yiu，現任香港科技園公司首席企業發展總監)。姚博士將晶片命名為「龍珠」，靈感來自 1984 年至 1995 年在集英社《週刊少年 Jump》上連載的日本漫畫《七龍珠》(Dragon Ball)。當時，姚博士希望自行研發的晶片在消費者市場擁有一個容易被認識的名稱，以利進軍日本市場，因此選擇了「龍珠」作為微處理器產品線的名稱。
Motorola 當時還開發多款創新消費性電子產品，例如具備手機和個人數位助理 (PDA) 功能的 Motorola A6188，支援手寫筆操作，均搭載了龍珠處理器和 Motorola 專屬軟體，為智慧型手機的發展奠定基礎。
在 1990 年代到 21 世紀初期，Motorola 在智慧型手機的開發中無疑扮演領航者的角色。香港的工程團隊貢獻關鍵的整合開發晶片，晶片設計工作在香港完成，晶圓在美國製造，而晶圓切割、封裝及測試工序最初在香港進行，後來轉移至馬來西亞。此外，針對晶片的應用程式開發也在香港進行。當時市場對高科技產品的應用程式尚未有明確的分工，微處理器、硬體周邊設計、韌體開發及軟體程式等重要任務均由香港團隊負責。此外，香港團隊還與台灣的蒙恬實業公司合作，將中文手寫輸入功能整合進個人數位助理，使得在當時運行速度僅為現代處理器千分之一的龍珠晶片上具備中文手寫辨識能力，這在軟硬體整合開發方面是一項重大突破。
m68k 處理器被廣泛應用於 Commodore Amiga、Atari ST、Atari Falcon 和 Macintosh 等電腦系統，這些系統在音樂領域擁有豐富的傳承。例如，Atari ST 配備內建的 MIDI 端口，使其成為音樂工作室的自然選擇，並獲得 Steinberg 和 Digidesign 等公司的大力支持。後來的 Atari Falcon '030 則搭載內建的 DSP，用於提升音樂追蹤程序的效能。Apple Macintosh 也擁有其獨特的音樂處理功能。值得一提的是，Apple在 1994 年轉用 RISC PowerPC 處理器，並內建 m68k 模擬層，未曾推出 68060 Mac。在 m68k Mac 問世前，市場上已有多款令人興奮的音樂產品，如 16 位元、48KHz 的 Digidesign Sound Accelerator 卡，這些功能在 1989 年已相當先進，包括錄音速率從 8KHz 至 48KHz、剪輯、複製/貼上、反轉、靜音及修剪、淡入淡出、標準化、相位反轉、參數均衡、合併 (交叉淡化)、多達四個聲音檔案混音、時間拉伸、自動循環等。
1990 年，Digidesign 發布的 Deck 產品提供四軌數位播放、混音和非破壞性效果 (EQ、立體聲處理、延遲、調製延遲、合唱) 功能，全部藉由相同的硬體達成！這再次展示專業擴充模組的應用，但 m68k 處理器仍然主導著整個系統。相對地，Turbo-synth (同樣由Digidesign開發) 則不需要特殊硬體，雖然這種近模組化的環境不是即時運作 (需在播放前預先處理音效)，但仍能達成一些令人驚嘆的功能。聲音來源包括 AIFF 取樣和電腦程式產生成的加法頻譜，這些可以藉由噪音、波形塑形器、濾波器、時間拉伸、延遲、音高移位、擴散器、共振器、混音器、調製器以及多段音高、濾波和幅度產生器進行處理。由於 m68k 的文件豐富，第三方也釋出針對該樂器的自家軟體。Waveboy 系列磁碟包含新的效果演算法，包含共振濾波器、時間切片、低保真、FM 及 (略帶點擊聲的) 顆粒處理等。
https://sonicstate.com/news/2024/09/19/the-68000-cpu-turns-45/
CPU 應用領域
| 應用領域 | 需求 | 主流架構 |
|---|---|---|
| 伺服器 | 高度運算密集、複雜多工 | Intel (x86), AMD (x86), NVIDIA (Arm), AWS Graviton (Arm), Google Axion (Arm), Ampere (Arm) |
| 個人電腦 | 中高運算量、普通多工 | Intel (x86), AMD (x86), VIA/Zhaoxin (x86), Microsoft Surface (Arm), Loongson (LoongArch) |
| 移動式運算裝置 | 中低運算量、消費性電子 | MIPS (轉向 RISC-V 架構), Arm Cortex-A, RISC-V |
| 嵌入式系統 | 低功耗、低單價、應用多樣 | Arm Cortex-M, MIPS, RISC-V, Arc, S+core, NDS32 (Andes), … |
近期 Linux 核心的發展中，可見到上海兆芯 (Zhaoxin) 工程人員對該公司 Yongfeng (永豐) 微架構提出相關的 Linux 修改，定位於 x86-64 相容的伺服器等級處理器。由於俄羅斯和烏克蘭的軍事衝突導致西方國家紛紛抵制俄羅斯，上海兆芯成為俄羅斯的重要晶片供應商，廣泛用於軍工業。
兆芯公司的技術根基來自台灣威盛 (VIA) 公司，後者在 1990 年代末期收購美國的 Cyrix 和 Centaur (IDT 的子公司) 公司，並將 IDT 的 x86 相容處理器發揚光大。2003 年 4 月 7 日 Intel公司和 VIA 就一系列晶片組和微處理器相關的專利訴訟達成和解，VIA 與 Intel 簽訂為期 10 年的交叉授權協議，於是可合法提供 x86 晶片替代方案。在 2009 年 12 年，美國聯邦貿易委員會 (FTC) 起訴 Intel，指控該公司濫用反競爭政策，並剝奪消費者對於 CPU 相關技術的選擇權力，隔年 Intel 被要求做出更多讓步。
延伸閱讀: 兆芯 x86 CPU 架構的發展
Arm 上市：收入「九牛一毛」，又如何牵制住半導體的半壁江山？
2023 年
- SoftBank 在 2016 年以 360 億美元買下 Arm，後來曾經商定以股票和現金合計 400 億美元的價格，準備將 Arm 售予 NVIDIA，但交易在 2022 年因難以通過監管審查而破局。最後轉為 Arm 推動 IPO 且選擇在美國上市，Arm 股票已在 NASDAQ 交易，代碼為 ARM
- Arm 公開說明書中揭露，包括 Apple, Intel, NVIDIA, AMD, Samsung, Google, Cadence, Synopsys，與台廠台積電、聯發科技都是其投資者
- Arm 上市是自 2021 年 10 月 Rivian 137 億美元的上市以來，美國金額最大的一次，也是科技業最大的一次，僅次於 2014 年阿里巴巴集團 250 億美元的上市和 2012 年 Meta 的 160 億美元上市
Arm 安謀
- 4:40: 無法打入美國市場，其一關鍵因素是殺手級應用程式。VisiCalc 帶動 Apple II 個人電腦的銷售，其後的 Lotus 1-2-3 一度壟斷個人電腦的電子試算表市場。在 IBM 還以「藍色巨人」姿態稱霸電腦產業的時代，Lotus 1-2-3 是 IBM PC (及其「相容」電腦) 的殺手級應用程式，當時和 dBase 和 WordPerfect 等軟體視為必備程式。
From VisiCalc to Excel: A Journey through the Evolution of Spreadsheet Excellence
40 年前稱霸 DOS 平台的試算表鼻祖，Lotus 1-2-3 如今在 x86 平台上重生 - 4:50: 其實 Arm 處理器早期也有圖形人機介面，例如 RISC OS，至今 Raspberry Pi 仍可執行，記憶體開銷極低、反應快，但視覺風格還在上個世紀
- 5:43: Apple Newton PDA 最初用 AT&T 公司 (UNIX 作業系統的故鄉) 製造的 Hobbit 處理器 (針對 C 語言提出若干高階的處理器設計，立意良好，但實作問題太多)，但該處理器耗電且充斥一系列難以克服的技術問題，為此 Apple 轉向採用 ARM（Acorn RISC Machine），改在 Newton 產品中使用該公司開發的 ARM610 晶片，這個處理器不但速度比 Hobbit 快且更有效率，還因為不須太大的散熱空間，而讓硬體體積變得更輕巧。
最成功的失敗品 — Apple Newton
Remembering Apple’s Newton, 30 years on - 6:17: Arm 公司由 Acorn Computer, Apple, VLSI 公司創立。
- 9:28: 1997 年，Steve Jobs 回歸 Apple 時，後者只有近 4 億美元左右的盈利。為了扭轉 Apple 的慘淡經營，Steve Jobs 在接下來二年間做了關鍵舉措：其一，在 Apple 距離破產僅剩 90 天時，拉攏 Microsoft 對其投資 1.5 億美元；其二，停產 Netwon PDA，並逐步出售 Apple 持有的 Arm 股份。
- 6:58: 對照 Arm 的歷史沿革，Steve Furber 教授及 Sophie Wilson 在這項計畫中，設計出史上第一款 Arm 處理器 ARM1
- 9:42: Arm 於 1993 年與晶片廠商德州儀器 (Texas Instruments) 簽約，而德州儀器建議 Nokia 在即將推出的 GSM 行動電話採用 Arm 的設計。Nokia 6110 成為第一款採用 Arm 技術的 GSM 行動電話，並在市場上獲得極大的成功，而 Arm7 處理器則成為 Arm 的旗艦級行動裝置設計。時至今日，全球智慧型手機有 99% 以上都採用 Arm 技術為架構。Thumb 正是 Arm 公司為了提高指令密度而發展的創新指令集，允許 16 位元和 32 位元指令混合。
你可能會好奇，市場不到 1% 那些不使用 Arm 指令的智慧型手機用什麼架構？Asus ZenFone 一度使用 x86 架構。
- 10:24: ARM7TDMI 是 Arm 公司首款和客戶合作推出，市場銷售上億單位的經典 Arm 處理器。
- 16:21: big.LITTLE 技術是 Arm 在處理器和系統軟體全面領先的轉捩點。
- 1:34: Mbed OS 當初就希望比照 AOSP (Android Open Source Project)，以開放原始碼的滲透力，建購物連網產業標準。不過 Arm 經宣布 Mbed OS 與 Mbed Platform 即將在 2026 年 7 月結束產品生命週期。
- 4:15: SoftBank 收購 Arm 公司
- 8:02: 省電是 Arm 和 Intel 在內公司勝出的關鍵技術
- 11:45: NVIDIA 收購 Arm 失敗。Arm 於 2023 年 9 月 14 日在 NASDAQ 交易所上市
- 13:18: 著眼於伺服器和資料中心市場，這是 NVIDIA 和 Microsoft 一類公司成長的關鍵領域
- 15:27: 高度彈性的收費模式和 IPO 之後的收費轉變
MediaTek, Explained: Taiwan’s Fabless Semiconductor Giant
MT6516 是 MediaTek 針對 EDGE 世代所專門推出的手機晶片解決方案，內含 1 顆 ARM9 (application processor) 和 1 顆 ARM7 (baseband)
Comprehensive Introduction to Arm Processors
延伸閱讀：《萬物：看晶片設計巨人安謀的崛起與未來》
接受 Arm 所在的當地安格利亞電視台 (Anglia Television) 訪談時，Robin Saxby 說：「創立這家公司時，我們部分願景是世界上的每一個人都會使用到 Arm 晶片，為了實現這個願景，我們必須讓 Arm 成為家喻戶曉的名字，就像杜比實驗室（Dolby）一樣。」杜比是一家美國公司，把研發的音響技術授權給無數的消費性電子產品公司。
A history of ARM:
