早年有個遙遠(yuǎn)的傳說，80年代首款由英國Acorn Computers設(shè)計的微處理器ARM1問世。ARM1芯片后續(xù)是作為BBC Micro微計算機(jī)中的協(xié)處理器存在的，當(dāng)時是BBC Computer Literacy Project研究開發(fā)項目，并未商業(yè)化。
據(jù)說這顆芯片的流片原型在首次測試的時候，順利跑起來了，但電流計顯示不出讀數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)芯片根本就沒上電，那怎么跑起來的？原來這顆芯片是從測試板I/O的漏電獲得的電——低功耗低到這個程度是萬沒想到的。Acorn原本預(yù)設(shè)了ARM1是顆低功耗芯片，功率設(shè)定1W，但實際最終平均功耗低于100mW。
來源：Twitter @kenshirriff
這個小“事故”應(yīng)該也為Arm在低功耗芯片領(lǐng)域發(fā)展，奠定了傳奇般的基礎(chǔ)。Arm這家公司后續(xù)發(fā)展，似乎也始終圍繞著“低功耗”展開——早年這種低功耗并不被重視，直到如今的電池供應(yīng)設(shè)備如此之多，智能手機(jī)、可穿戴及各種IoT設(shè)備，海量采用Arm架構(gòu)的芯片。
3月18日將由Aspencore在上海舉辦的2021中國IC領(lǐng)袖峰會上，安謀科技（中國）執(zhí)行董事長兼首席執(zhí)行官吳雄昂就將以“搭載新時代大計算平臺”為題，談Arm在除低功耗領(lǐng)域之外，更大范圍的發(fā)展。
在此之前，不妨回顧一下Arm在低功耗另一面，高性能領(lǐng)域的探索和潛力展望。PC個人計算機(jī)，就是Arm試探了十多年，才初見成效的一個方向?？梢姀牡凸模呦蚋咝阅苡卸嗖灰?。而這剛剛開啟的一步，大概已經(jīng)是成功的一半了。本文主體以PC為觀察角度，來談?wù)凙rm在低功耗領(lǐng)域之外持續(xù)了十多年的嘗試。
微軟的“紅杏出墻”
近代PC的主流，也就是以macOS和Windows這兩個操作系統(tǒng)為代表了。如果只討論桌面（及服務(wù)器）平臺的Windows，微軟的這個操作系統(tǒng)是有多指令集支持的歷史的。Windows NT 4.0及后續(xù)更新除了支持x86以外，也對PowerPC、DEC Alpha和MIPS提供支持。不過從Windows 2000開始，微軟就徹底拋棄了x86以外的其他平臺。Windows早年歷史和Arm關(guān)聯(lián)不大（除了像Windows CE這種嵌入式系統(tǒng)），畢竟桌面與服務(wù)器平臺那時更需求高性能，而對功耗不像現(xiàn)在這么敏感。
微軟與Arm比較眾所周知的融合發(fā)生在2011年的CES展上，算起來剛好走過了10年。微軟在展會上首次展示了Windows RT操作系統(tǒng)（實則為NT內(nèi)核對Arm的支持）——這是個徹頭徹尾基于32位Arm架構(gòu)的PC操作系統(tǒng)，代號Windows on Arm（WoA）。次年10月，Windows RT與Windows 8一同發(fā)布。從這個時候開始，微軟似乎就一直在動“腳踩兩只船”的歪腦筋。
Windows RT的“RT”兩個字母部分是指runtime。微軟的理想是在搭建的Windows RunTime運行時之上，同時實現(xiàn)對x86和Arm的支持（上圖中的Metro style Apps）。Windows 8及當(dāng)時的Windows Phone 8也有這么個runtime;這是微軟最早期望實現(xiàn)不同平臺生態(tài)統(tǒng)一化的設(shè)想。不過最早的Windows RT作為操作系統(tǒng)，僅支持Arm應(yīng)用。而且微軟仿照iOS和Android生態(tài)，令Windows RT用戶僅可從應(yīng)用商店下載app，以實現(xiàn)對應(yīng)用生態(tài)的全面掌控。
微軟還專門推出了搭載Windows RT系統(tǒng)的Surface設(shè)備，延續(xù)了兩代。當(dāng)年的Surface初代采用基于Arm架構(gòu)的英偉達(dá)Tegra 3處理器，算是真正意義上Arm入駐PC生態(tài)的開端。不過微軟對Arm生態(tài)的三心二意，以及應(yīng)用商店幾乎沒有像樣的應(yīng)用，傳統(tǒng)的x86應(yīng)用又完全不支持，讓W(xué)indows RT很快宣告了終結(jié)。微軟還因此遭受了9億美元的虧損。（Windows RT的終結(jié)，另一方面與當(dāng)時Intel開始和微軟大力推9英寸以下Windows山寨設(shè)備有關(guān)）
2012年的Tegra 3屬于英偉達(dá)在移動處理器領(lǐng)域的早期作品，這顆SoC以Cortex A9 4+1的設(shè)計，在當(dāng)時也算個異類了。彼時的Arm處理器應(yīng)用到Windows PC設(shè)備算是新鮮事，只不過那個時期的Arm架構(gòu)處理器在性能上，與x86仍不在一個維度。
Windows RT雖然終結(jié)，但其中的runtime為如今Windows 10 on Arm奠定了重要的基礎(chǔ)，這是后話了。事實上在此期間，微軟還有過一些同類嘗試，比如說2017年發(fā)布的Windows 10S。Windows 10S雖然并不定位在基于Arm，但嚴(yán)格限定了僅可從微軟商店下載app。按照微軟的說法，這個系統(tǒng)是為教育市場開發(fā)的，主要用于狙擊Chrome OS上網(wǎng)本。但次年10S就被放棄。
這些嘗試無一不表明，微軟對iOS、Android一類生態(tài)的眼饞從未停止過。好好的，微軟究竟為何要從深耕多年的x86生態(tài)“紅杏出墻”，大肆向Arm表達(dá)“愛意”？我想其中至少有幾個原因：
其一，Windows原有生態(tài)相對混亂。包括系統(tǒng)安全性差，冷不防就被人植入木馬；且Windows應(yīng)用于入門級硬件的體驗很差，一水的Atom上網(wǎng)本實在不怎么樣，這與Windows臃腫的生態(tài)是分不開的。微軟因此期望牢牢掌控應(yīng)用生態(tài)，這是Windows RT、Windows 10S出現(xiàn)的原因。
其二，轉(zhuǎn)向Arm理論上可以讓OEM廠商獲得更高利潤空間，戴爾、聯(lián)想這些企業(yè)會有更強的意愿做推廣。而且新生態(tài)下，廉價設(shè)備不需要綁一大堆垃圾軟件出售，用戶體驗可獲提升。
其三，在疫情出現(xiàn)以前，PC行業(yè)已長期停滯不前，PC出貨量連年下降；行業(yè)需要技術(shù)上的強心針來推一把。
PC出貨量下滑又是個龐大的話題了，與本文相關(guān)的原因至少包括PC平臺本身缺乏創(chuàng)新，Intel/AMD此前十多年的競爭實在是有些不思進(jìn)取。智能手機(jī)、平板的出現(xiàn)也事實上拉低了很多人對PC的依賴，像iPad Pro這樣的設(shè)備變得既能輕度辦公，續(xù)航、流暢度、性價比各方面都優(yōu)于PC。
可能還有一個重要原因，在微軟前CEO鮑爾默卸任后，新任CEO納德拉很快就調(diào)整了微軟的策略，微軟的每個產(chǎn)品線獨立發(fā)展。所以2014年Office就全面支持iOS，隨后微軟就成了蘋果最佳開發(fā)者，M1芯片MacBook發(fā)布會上，蘋果稱微軟是“我們的朋友”……微軟作為生產(chǎn)力工具界的扛把子，納德拉的策略也實實在在影響到了PC的銷量。
上面這張圖是國外Wikibon去年上半年預(yù)測的PC出貨量變化。當(dāng)然這個預(yù)測實則并未考慮到疫情對PC行業(yè)的刺激作用（以及缺芯的影響）。但在大方向上，Arm能夠極大推升PC出貨量的上揚是共識。
這就相關(guān)第四點了，即Arm與生俱來的低功耗屬性，令其格外適用于筆記本這樣的移動PC設(shè)備?；贏rm芯片的筆記本設(shè)備，續(xù)航是真正的一整天，與x86筆記本續(xù)航不可同日而語。加上微軟系統(tǒng)層面的努力，以及PC設(shè)備形態(tài)可能發(fā)生變化（如折疊屏筆記本），PC體驗?zāi)軌蛟偕弦粋€臺階。Arm芯片的發(fā)展，尤其性能上的跨越式進(jìn)步、生態(tài)的逐步完善，在此又是一個重要話題。
走了10多年，才開始走近PC主流視野
事實上，Arm陣營這邊在這10多年間也從未放棄過登陸PC平臺。除了前文提到的Arm與微軟積極合作，還包括高通這樣的芯片設(shè)計商期望實現(xiàn)Android系統(tǒng)的PC化努力（羅永浩的Smartisan TNT就得到了高通的大力支持）。只不過起碼這10年間，Arm針對PC平臺的攻勢，都從未真正成功過。
這也是多方面原因?qū)е碌摹５谝蛔匀痪褪莤86生態(tài)根深蒂固，難以在短期內(nèi)撼動；第二，Arm在蘋果M1（和驍龍8cx）之前，也的確沒有真正拿得出手、能在性能上與x86相較的PC處理器；第三，微軟在兩個生態(tài)間搖擺不定，想要擁抱Arm的同時，又舍不得昔日x86，這也成為Arm真正搭上PC這艘船的重要阻礙。
今年MWC上海展會上，高通展示的驍龍8cx筆記本，不僅是微軟自己的Surface Pro X，還包括三星、聯(lián)想等OEM廠商的多款設(shè)備
即便是現(xiàn)在，其中第三個原因都仍然存在。不過隨著微軟再再再次與Arm合作，新版Windows 10 on Arm的成熟度，以及如今的Arm芯片，已經(jīng)和當(dāng)年大不一樣了。前兩個問題正被逐漸解決。微軟這邊，當(dāng)年的Windows RT就積累了不少經(jīng)驗。
Surface Pro X設(shè)備就是Windows 10 on Arm最佳實踐。這臺設(shè)備采用高通8cx處理器，單系統(tǒng)本身及微軟官方應(yīng)用（如Office、Edge）使用體驗都很好，續(xù)航表現(xiàn)遠(yuǎn)超x86版本的Surface，且設(shè)備不帶風(fēng)扇，還更輕薄。只不過由于生態(tài)問題，Surface Pro X運行x86應(yīng)用時，x86->Arm轉(zhuǎn)譯成本高，效率非常悲慘。
微軟SQ1，即驍龍8cx
Windows 10 on Arm的大方向思路未變，即在Windows Runtime之上，要同時跑x86和Arm應(yīng)用。在所有Arm、x86平臺的Windows設(shè)備上，提供通用API。這是很理想的一種開發(fā)設(shè)定，微軟稱其為UWP（Universal Windows Platform），不需要管下層處理器架構(gòu)。而UWP應(yīng)用又會全數(shù)上架至官方應(yīng)用商店。不過即使到目前為止，微軟UWP的開發(fā)響應(yīng)者都仍然不多。
所以針對傳統(tǒng)x86應(yīng)用，微軟也開發(fā)了x86->Arm的模擬器，讓以前的很多x86軟件也能跑在Arm版Windows 10之上。要說微軟的動作還真是相當(dāng)緩慢，不談32位應(yīng)用的WOW64模擬器效率很低——Adobe全家桶這樣的軟件跑起來幾乎就是災(zāi)難；而且64位應(yīng)用模擬器遲遲未進(jìn)入正式版，現(xiàn)在還在Windows預(yù)覽版通道中（據(jù)說效果不錯）。
不過Windows 10 on Arm早就比當(dāng)年的Windows RT有了高得多的可用性。而且至少這次，生態(tài)構(gòu)建效率稍高了一些，比如Adobe去年12月面向Windows平臺發(fā)布了Arm版的Lightroom，Arm版Photoshop也處在beta狀態(tài)了——總算開發(fā)者響應(yīng)比以往更積極。更不用提，Arm版macOS一推出，主要開發(fā)者幾乎是群起響應(yīng)。
Arm這邊，面向Windows筆記本的高通驍龍8cx如今走到了第二代，也是與微軟合作的第二代產(chǎn)品。其低功耗表現(xiàn)實則無需贅言，Surface Pro X的超長續(xù)航即是佐證。關(guān)鍵應(yīng)在于，這顆芯片在性能上和x86陣營的競品比起來如何。如我們此前在M1芯片分析文章中談到的那樣，驍龍8cx的實際性能頂多是差強人意。
來源：NotebookCheck
不過畢竟驍龍8cx功耗水平才7W——這個功耗頂多也就是手機(jī)芯片的加強。以3.15GHz（Cortex-A76）的頻率，達(dá)成與Intel LakeField（酷睿i5-L16G7）相似的單核性能成績也在情理之中。值得一提的是，雖說Geekbench算不上什么靠譜的跑分工具，但看NotebookCheck的這些得分，Arm陣營這兩年的整體水平實則都不再是10年前的孱弱樣子了。
基于Arm指令集的蘋果M1芯片的帶來，則全面證實要用Arm來實現(xiàn)高性能，應(yīng)用于PC是完全可行的，與此同時還能達(dá)成碾壓x86陣營的低功耗水平。
PC之外的“高性能”擴(kuò)展
總結(jié)一下Arm之所以過去10年之后才真正有能力在PC之上逐漸站穩(wěn)，一方面在于微軟和蘋果作為操作系統(tǒng)供應(yīng)商態(tài)度的轉(zhuǎn)變；另一方面也是Arm在經(jīng)過這么多年的發(fā)展后，在低功耗的基礎(chǔ)上，還有與x86陣營在性能方面一戰(zhàn)的能力——Arm、蘋果、高通在其發(fā)展中都做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。
事實上，微軟如今對待Arm和x86兩者的態(tài)度依然是曖昧的，Windows Runtime運行時的存在已說明一二。這始終是橫亙在Arm面前的一座大山。不過微軟正在規(guī)劃新的Windows 10X系統(tǒng)，預(yù)計今年會隨同部分便攜式硬件推向市場。
Windows 10X是個試圖拋棄歷史遺留問題，加強用戶體驗和安全性的系統(tǒng)。系統(tǒng)不再原生支持傳統(tǒng)的win32應(yīng)用，而是將這些傳統(tǒng)應(yīng)用默認(rèn)放到container中運行。當(dāng)然它也支持Windows Runtime API。且似乎現(xiàn)有規(guī)劃中的Windows 10X設(shè)備都基于Arm平臺，這對Intel實在不是什么好消息。
當(dāng)然以微軟態(tài)度搖擺的傳統(tǒng)，Windows 10X仍有可能是下一個Windows RT或者Windows 10S。但從中，我們還是能看到微軟起碼在試探重整Windows生態(tài)的可行方案，Arm則會是這個方案的基石。
與此同時，蘋果以極其瀟灑的姿態(tài)拋棄x86生態(tài)，開發(fā)生態(tài)全面轉(zhuǎn)向自家的Arm芯片，實則也在無形中幫助微軟加速了轉(zhuǎn)舵過程。
最后可以談一談PC之外，Arm如今的擴(kuò)張。IoT和更多低功耗芯片市場就不談了，畢竟這一直都是Arm主場，比如說小至SSD固態(tài)硬盤主控芯片的Cortex-R系列實時核心，大到雖被唱衰但發(fā)展依然不錯的Cortex-M系列面向IoT設(shè)備的低功耗芯片。
Arm對高性能計算市場的沖擊也不是第一次了，只是此前嘗試都不能算成功。和Arm在PC市場的發(fā)展一樣，這兩年Arm芯片在HPC、超算、數(shù)據(jù)中心市場的發(fā)展又構(gòu)成了新局面。這其中有一些典型事跡：
比如說去年富士通發(fā)布名為富岳的超算，成為新的全球超算第一，其中的A64FX芯片就基于Arm v8.2A架構(gòu)，這顆芯片的市場反響就相當(dāng)好，規(guī)劃中今年出貨給亞馬遜、谷歌、微軟這些云供應(yīng)商。再比如前年亞馬遜宣布其自研Graviton2處理器應(yīng)用于AWS EC2，就是采用Arm Neoverse N1架構(gòu)。
去年9月，Arm又為Neoverse家族（面向基礎(chǔ)設(shè)施）新增了V系列，比此前的N和E系列都更偏重性能，就像數(shù)據(jù)中心界的Cortex-X1，通過進(jìn)一步打破PPA限制，在單核性能上對標(biāo)x86高性能核心。
與此同時，如此前在《Arm在數(shù)據(jù)中心的價值：黃氏定律背后，英偉達(dá)打的什么算盤？》一文中所述。英偉達(dá)在數(shù)據(jù)中心的強勢，預(yù)計未來會令主控CPU愈加邊緣化。而英偉達(dá)對Arm的收購，則將Arm推向了進(jìn)一步的大一統(tǒng)。在端到端部署Arm之際，也就是Intel退場的時候了。這應(yīng)該也是吳雄昂要在中國IC領(lǐng)袖峰會上談“搭載新時代大計算平臺”的一部分。
不過Arm的這種發(fā)展策略因大環(huán)境與英偉達(dá)對其收購，亦存在不少變數(shù)。我們此前采訪的不少企業(yè)就預(yù)想到了因收購可能產(chǎn)生的商業(yè)風(fēng)險，不止一家企業(yè)都強調(diào)采用Arm與RISC-V并行的策略，且提及RISC-V在多個方向上的發(fā)展愈發(fā)成熟；一些重要的市場玩家都在籌備后手。但有挑戰(zhàn)存在的市場，才有發(fā)展。即便是不思進(jìn)取的x86平臺，這兩年都煥發(fā)了新活力。