ARM中断合作:华为面对的现实与挑战

本文来自微信公众号:忒耐心5G达人营 (ID:tuinaixin),作者:南畔,头图来源:东方IC

近期,由于贸易事件逐步向纵深发展,随着“大蛋糕”策略的缔造者ARM也加入了美国对华为的全面围堵,中断了与华为的商业往来,全球最大的“同性交友网站”GitHub也发声明要遵守美国的软件版权出口管制,网友们纷纷惊呼“我去,便宜蛋糕都没得吃了”“写代码都没得抄了”。

为了给小伙伴们压压惊,忒耐心团队特地以ARM这家英国佬蛋糕公司为切入点,浅显解读手机终端产业链最前端的处理器体系结构授权领域究竟是什么玩法?历史上有哪些有趣的事情?以及ARM不和你玩之后,华为目前面临的困难有哪些?

一、ARM——智能手机处理器架构领域霸主地位

首先,咱们说一下处理器架构到底是什么含义,处理器架构就是处理器的硬件架构,又称为微架构,是一系列的硬件电路,去实现指令集所规定的操作运算。可以说,处理器架构设计是目前芯片产业的最高层级和最重要的层级,需要投入大量的资本和研发积累才能有缓慢的进步。当今世界实际意义上一共存在四种架构:

1. Intel主导的x86架构,采用的是CISC(复杂指令集)。这种架构非常古老,早在1978年Intel就基于这一架构设计出了第一款处理器8086,而后IBM也基于这一体系设计出了人类的第一款个人计算机,之后的20年,“Wintel联盟”统治了整个个人电脑领域。时至今日,全球绝大多数的个人PC、服务器依然使用x86架构。

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2. MIPS:MIPS本身是一家老牌公司,成立于1981年,这一架构同样采用精简指令集。许多任天堂、索尼的游戏机、部分电视盒子、打印机、路由器等所使用的都是MIPS架构来设计其处理器(MIPS目前已经宣布支持Android)。

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3. RISC-V(后面这个念“five”不念V千万注意,表示这是第五代RISC):这一架构可谓架构领域的新兴人类,在2010年才在UC Berkeley 发起的一个项目,小编我对它可是寄予厚望(美帝封锁下全村人的希望),好多小伙伴称它为硬件领域的Linux,而且这一架构也确实可以和Linux这个好基友完美结合,有望在下一代主流计算时代AIOT(AI+物联网)成为时代主流。

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4. ARM(Acorn RISC Machine):ARM本身是一家英国佬公司,后来被“软银・哪都有你・孙正义”收购,成了日本人掌控的公司。那么所谓的ARM架构到底是什么意思呢,大家平常可能会在芯片实体表面上看到ARMV7、ARMV8,又听别人说起ARM7、ARM9,还有什么CotexA15,这些都是什么关系呢?

其实这是两套东西,一套是架构编号,一套是内核处理器编号(也就是所谓的IP核),而这两者之间的关系很简单,后面的IP核是由前面的架构所设计出来的处理器(如图一所示)。而ARM之所以能在智能手机的处理器架构领域取得如此无可撼动的霸主地位,主要得益于它非常复杂的三级廉价授权方式,也就是小伙伴们常说的“大蛋糕”策略。

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二、ARM公司的授权体系——堪称伟大的商业发明

接下来,咱们就具体讲一下ARM公司的授权体系。大家都知道,华为宣称自己已经购买了ARMV8的终身授权,这个授权到底是什么意思呢?现阶段的ARM授权分为三种,第一种是指令集架构的授权(1500万美元起,小伙伴们不要太惊讶),第二种就是IP核的授权,第三种就是使用权的授权(这种相当便宜,颇具蛋糕厂的感觉)。为了给小伙伴们讲的通俗一些,我们用建别墅来进行一个不太恰当的比喻:

1. 所谓指令集架构的授权,就是ARM把图纸全卖给你:包括建别墅所需要的最为详细的设计方案和图纸,你将了解别墅设计的所有机密。

2. 所谓的IP核的授权,就是ARM把别墅的三维效果图卖给你:ARM通过一系列的设计图纸,在电脑当中可以设计出来这座别墅的三维效果图,但是这个效果图只会展示给你别墅的一些基础细节,具体主框架用什么材质,用什么地板地砖啦,这些都不会涉及到。

3. 所谓的使用级的授权,就是把别墅的实体模型卖给你:ARM通过之前的渲染图和设计图纸,把完整的别墅三维模型给做出来了,这个模型的外观和细节和最后别墅的外观和细节是完全一样的,这个模型包含所有主结构和分支结构的材料,地板什么木材,瓷砖什么材质,承重墙的布局结构等等这些方面都会包含,也就是说你拿到这个模型之后,你直接丢给TSMC(台积电)这样的施工队,就可以直接给你建别墅出来了。(这种使用级授权的好处不言而喻,拿过来直接用,居家旅行,杀人越货,拎包入住,方便极了!)

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三、ARM“大蛋糕”策略的分级权利

那么,当你购买了这三类授权之后,你将获得哪些权利呢?

1. 如果你购买的是指令集架构级别的授权,你是有权对你购买的ARMVx的架构进行修改的;

2. 如果你购买的是IP核的授权,你无法对指令集架构进行修改,你只能对根据指令集架构设计出来的IP核进行修改;

3. 如果你购买的是使用级的授权(也就是所谓的公版架构),你是无法对前面的两种(指令集架构,IP核)进行修改的,你只能拿它过来用,设计自己的SOC。同时,这里有一个ARM很鸡贼的地方,它要求厂商在使用公版架构的时候,一定要在你出的SOC芯片上著名你用到了ARM的哪一些列的IP核。

四、终端大厂 ARM授权应用状态

了解授权形式和特点,下面我们来说一下主流厂商目前对于ARM授权的应用状态如何:

1. 首先我们来说苹果,它购买的是指令集架构级别的授权,也就是把图纸全都买过来了。而购买了之后呢,它对图纸进行了大规模的修改,形成了苹果自己的SWIFT架构,并依据魔改之后的新架构设计了苹果自己的处理器A系列,并持续迭代更新。

2. 其次我们说高通,小伙伴们一听高通威名,肯定觉得是买的最高层级授权并且自己魔改指令集架构,那么事实是怎样呢?咱们拿高通的骁龙855来举个栗子(如图2所示),其实高通买的是一个IP核的授权,也就是说它买的是别墅的三维效果图,而且从855芯片的图片上我们可以看到,上面有一行字“Build on Arm Cortex Technology”,也就是说它在购买的IP核的基础上进行了大范围的修改。

而且高通要求,ARM在提供给它这个核心的时候,按照高通要求进行深度定制,而且高通将这个IP核进行了重新命名,改为为Kryo。

ARM中断合作:华为面对的现实与挑战

3. 最后我们说大家最关心的华为海思,以麒麟980为例(如图3所示),它购买的同样也是IP核的授权,在麒麟980的发布会上我们可以看到,它强调了是Cortex-A76 Based CPU,也就是说它是基于Cortex-A76这个IP核进行了自主修改,但是其修改和定制幅度就要比高通差很多,所以也没有对核心进行重新的命名。

ARM中断合作:华为面对的现实与挑战

五、ARM授权应用——有钱只刚刚开始

由此我们可以看出,在ARM各级授权的购买和使用选择上,厂商会有不同的考虑,如果财力允许,购买可能会买到最高级别的指令集架构授权,但是在使用的过程中却往往要充分结合自身的硬件研发能力和终端上市的时间节奏安排等。因为你如果基于购买的指令集架构授权去直接进行后面的设计和研发,其实你后面的工作量是相当巨大,且需要相当长时间的人才及技术积累,既要通过图纸设计别墅的三维模型,又要通过三维模型做出来实物模型,最后再交给TSMC这个施工队。

所以,做一个不太权威的总结,从硬件设计的人才积累和技术积累以及行业积累来看呢,苹果水平要高于高通,高通要高于海思

到了这里也许大家会问,那么对于一个公司来说,到底买那种级别的授权比较好呢?这主要取决于公司的定位,很多公司为了节约研发成本,尽量缩短研发周期,便会选择直接去购买使用级授权,这样可以让自己的产品快速上市,抢占市场份额。

但是这种拿来主义却并不一定都是好事,举一个业界最著名的例子“火龙”高通骁龙810(发布于2014年底),高通当年购买的就是ARM的一个使用级的大小核的公版架构,这一公版架构存在致命的散热缺陷,直接导致的后果就是:骁龙810成了手机江湖的一个分水岭,三星凭 7420 成为硬件之王;顶着火龙强上810的 HTC、索尼、摩托彻底沦为 Others;国内华为凭年底的950终于赶上第一梯队;小米5被810推迟发布了接近1年, 销量被华为超越;联发科(魅族)小风光了一年;OV开始把旗舰机用上了6752之流,彻底走起了低配高价路线。

更进一步,通过近期美国封杀华为这件事情我们就可以看到,如果你一直都是购买廉价的使用级授权的话,其实是非常受制于人的,这也就是为什么全球会有15家公司每年斥资重金去购买高通的指令集架构级别的授权的原因。

之前我们提到过华为已经购买了ARM V8体系架构的终身授权,这一授权就是最高级别的指令集架构授权。而且根据小编对华为深刻的了解,它在每一个大的部门下面都会有专门做“预研”的团队,这些团队有可能已经对购买的V8指令集架构进行魔改并形成新的指令集架构,并尝试设计了新的IP核。但是对于研发进度和产品化进展,我们得到的信息非常有限,可以肯定的是这一套体系还没有经过产品市场化的检验,还处于技术储备阶段,是骡子是马最终还是得出来溜溜。

六、别问,问就是“生死看淡,不服就干”

最后,我们来看一下ARM中止和华为合作之后,华为将面对哪些挑战。其实硬件江湖和软件操作系统江湖一样,大家都是混生态圈的,即便强如苹果、高通,你也得买来ARM的架构授权,再进行自我的定制,你必须得在我这个生态圈里面混,短时间内没有任何一家公司可以自己建设一个新的生态。

通过麒麟980的发布事实和华为的相关声明来看,短时间内,华为的旗舰手机甚至之后半年左右的5G手机都不会受到中止合作的影响,因为Cortex-A76的IP核配属一个华为的Balong5000(5G基带)就可以作为5G手机的基础了。但当ARM下一代IP核release之后,华为的第一波技术挑战就来了(大约一年之后),因为高通可以直接通过这个新IP核定制高通855之后的下一代芯片,但是华为的跟进只能使用ARM V8体系自主设计IP核进行跟进,这一阶段的挑战主要在于研发速度和资金投入。

更长远的来说,我们知道ARM在按照一定的周期在更新自己的指令集架构,可能很多小伙伴会问,指令集架构为啥要升级换代呢?道理也很简单,你10年前盖别墅和现在盖别墅,钢架设计模式,外观呈现效果,受力连接点分布,材料应用的差异等等都会发生深刻的改变。

处理器也是一样的道理,科技飞速发展,未来智能终端的应用场景千变万化,ARM指令集架构的更新当然是必要的。而从ARM目前的指令集架构更新周期来看呢(由于2005年ARM发布了首款基于V7架构的IP核Cortex-A8,因此ARMV7架构应该是在2005年之前就设计完成了,V7对V6的替代用了7年时间),下一个ARMv9的更新时间可能会在2020年之后,到那个时候,华为需要自己去更新ARM V8指令集架构,让自研的下一代架构可以媲美ARM V9,To be honest,这真的充满了挑战。

不仅如此,基于这一新的架构设计的处理器还要确保兼容ARM体系的生态,并且时间不能太落后。讲到这里,相信大家对华为面临的挑战应该有了比较直观的认识。但是作为一个移动互联网领域的从业者,却慕然之间有一丝丝兴奋。经济全球化的今天,别人逼你走上这样的战场,该来的总归会来,该面对的迟早要面对。

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