提到芯片商，大家首先会想起谁？英特尔、AMD、苹果、三星、高通、联发科、麒麟......实际上，除了英特尔和AMD等少数混“X86圈子”的芯片厂外，其余厂商都是要看ARM脸色吃饭的。
“ARM”的两层含义
“ARM”这个词汇包含两层含义（图2）。第一层，ARM是“英国芯片设计公司”的缩写（已于2016年被日本软银收购），是一家致力于半导体芯片设计研发的企业。
第二层，ARM是与X86平级的CPU架构，它和X86的差别是改用了RISC（精简指令集计算机），虽然整体性能不如X86架构特有的CISC（复杂指令集计算机），但却因主打低成本、低功耗和高效率这三手好牌，恰好迎合了包括智能手机在内的诸多移动设备的发展潮流，从而一统非PC领域计算设备的江山。
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有关ARM和X86之间的恩怨和异同，感兴趣的读者可以参考本刊2017年第3期《不再甘心移动 ARM染指PC千亿市场》这篇文章。
不一样的运营模式
ARM之所以默默无闻，主要就在于其独特的运营模式。作为全球最著名的半导体芯片厂商，英特尔总将芯片的IP设计、IC设计、晶圆制造和封装测试等环节大包大揽。
反观ARM公司，其只负责半导体芯片产业链中最初的IP设计部分，也就是研发ARM指令集、内核架构、图形核心和互连架构等，并将它们授权给其他芯片商完成从半导体芯片设计、生产到销售的其他流程（图3）。而ARM的盈利来源，则在于前期的授权费用，以及芯片厂后期销售时支付的提成费用。
如果套用一句流行的广告词，那就是“我们（ARM）不生产芯片，我们只提供一个芯片设计的Idea”。
可以说，作为一家不生产芯片的芯片厂商，ARM却在全球范围内支撑起了各种嵌入式设备、智能手机、平板电脑、智能穿戴和物联网设备的运行，只是ARM每年都会从构建上述设备体内的上百亿颗处理器中“抽成”，严格遵守薄利多销的运营模式。
有意思的是，随着时间的推移ARM和X86的边间也开始变得模糊起来。比如，ARM现在就开始“入侵”传统X86架构处理器坚守的高性能计算终端市场了。首当其冲的就是服务器，AMD在2014年就发布了首款ARM架构处理器“Opteron A1100”，并于2016年部署到服务器领域（图4）。作为与英特尔平级的X86芯片供应商，AMD的“倒戈”也恰好印证了ARM架构的先天优势：拥有更高的灵活性，定制能力以及更低的开发费用和功耗。
AMD副总裁Andrew Feldman曾表示，研发完全定制化、采用ARM架构的服务器芯片目前仅需花费18个月时间并耗资3000万美元，而研发基于X86架构的服务器芯片则需要花费3年到4年时间并耗资3亿到4亿美元，孰优孰略一看便知。
除了服务器市场，微软也联合高通推出了基于ARM架构处理器（骁龙835）打造的Windows 10笔记本（图5），并主打“永远在线”特性，而且很快就要与我们正式见面。对此类设备感兴趣的读者，可参考本刊2018年第一期《Always Connected PC 骁龙牌笔记本欲乘风破浪》这篇文章。
那么，就我们最关心的手机处理器而言，ARM给苹果、高通、联发科和麒麟等芯片商都提供了哪些帮助？
ARM一门四剑客
最早被应用在智能手机身上的处理器，来自基于ARMv6指令集设计的ARM11架构，比如第一代iPhone搭载的三星S5L8900、HTC G1搭载的高通MSM7201就都是基于ARM11架构定制。随着消费者对智能手机性能的期望值越来越高，ARM从ARMv7指令集开始引入全新的“Cortex+X”冠名方式（图6），让手机处理器架构的定位和性能变得更加直观。
ARM Cortex架构系列可谓“能屈能伸”的典范，它能提供非常广泛的可扩展性能选项，设计人员有机会在多种选项中选择最适合自身应用的内核，从而获得更好的能耗比、灵活性和成本控制。
针对不同领域，ARM将旗下的Cortex内核细分为了三大家族：针对开放系统的“Cortex-A”、面向嵌入式系统的“Cortex-R”和主打各种微控制器的“Cortex-M”（图7）。同时，ARM还可以提供与Cortex架构配套打包的Mali系列GPU方案，共同构成了ARM旗下的一门“四剑客”。
Cortex-A
Cortex-A系列又称“应用处理器”（Application Processors），它是面向移动计算，如智能手机、平板电脑和服务器市场定制的高端处理器内核，支持包括Linux、Android、Windows和iOS等系统必须的内存管理单元（MMU），也是与我们接触最为密切的存在。
ARM Cortex-A存在4个关键时间节点（表1）。第1个节点是Cortex-A9开启了多核时代的大门，但同时也让Cortex-A9与高性能、高发热和高功耗划上了等号；第2个节点是Cortex-A7和Cortex-A15架构与big.LITTLE“大小核”技术的出现，造就了更灵活的“2+2”、“2+4”、“4+4”多核组建方式，可以让多核处理器更好地在性能和功耗之间取得平衡；
第3个节点是Cortex-A72和Cortex-A53实现了从32bit向64bit的进化；第4个节点则是最新Cortex-A75和Cortex-A55架构的出现（图8），它们都基于最新的ARMv8.2-A指令集构建，并针对人工智能（AI）和机器学习（ML）能力进行了特别优化，同时还带来了TrustZone安全防御技术、改进的DynamIQ big.LITTLE技术，综合性能格外抢眼。
Cortex-R
Cortex-R系列又称“实时处理器”（Real-time Processors），它是面向实时应用领域的处理器内核，如硬盘控制器、汽车传动系统和无线通讯的基带控制等。和A系列相比，R系列内核缺少了对页表的支持，软件端看到的地址就是物理地址，软件运行时间和中断响应速度都更快更稳定且容易预测。虽然Cortex-R系列内核不支持完整的Linux和Windows操作系统，但对大量的实时操作系统（RTOS）支持更加完美。
Cortex-M
Cortex-M系列又称“微控制器处理器”（Microcontroller Processors），它是面向单片机和深度嵌入式系统市场的处理器内核，比如智能电表这样的细分市场就是Cortex-M的主攻方向。
Mali系列GPU
智能手机自然要具备出色的娱乐动力，所以合理的CPU+GPU搭配方案就显得尤为重要了（图9）。对ARM公司来说，如何让芯片厂缴纳更多的授权费？恩，在授权CPU的同时，再打包一份GPU不就结了？
于是，和高通Adreno、Imagination Technologies PowerVR齐名的ARM Mali嵌入式图形处理器就诞生了。随着Cortex-A系列架构的不断升级，ARM Mali GPU也经历了从Mali-200、Mali-400、Mali-T600、Mali-T700、Mali-T800、Mali-G71和Mali-G72的迭代更新（图10）。而影响ARM Mali GPU性能的因素有二，其一是GPU版本越新越好，比如Mali-G72肯定就要比Mali-T880强；其二是ARM Mali GPU可以选配不定数量的计算单元，GPU相同时计算单元越多性能越强。比如集成20个计算单元的Mali-G71MP20（如Exynos 8895）就要比八个计算单元的Mali-G71MP8（如麒麟960）强很多。
总的来说，ARM Cortex架构将我们身边无数的电子设备串联了起来，大到汽车中控、智能电视；小到智能手机、运动手表；微到物联网设备中超低成本的无线传感器节点，在几乎所有用电力驱使且具备一定计算能力的小伙伴都是ARM的客户（图11）。
小提示
ARM还有面向支付、电子政府、SIM卡等安全市场的SC系列，只是此类产品与普通用户关联不大，所以本文就不再涉及了。
ARM的商业模型是“你交钱，我授权”。但是，根据缴纳授权费用预算的多少，以及芯片厂自身的技术实力，ARM还是提供了多种授权方案供客户选择（图12）。
这是ARM提供的最深度授权方式，芯片厂可以仅购买ARM的指令集（如ARMv7、ARMv8），ARM允许芯片厂对指令集进行扩展或缩减，然后由芯片厂自行搞定内核架构、图形核心和互连架构等一系列研发设计。苹果A系列处理器之所以强悍，就是采用了ARM指令集授权然后自研CPU架构的策略，从而获得了远超同期公版ARMCortex-A架构的性能。
值得一提的是，高通早期的Krait架构也采用了ARM指令集授权方案，并先后经历了APQ8064（Krait 200）、骁龙600（Krait 300）、骁龙800/801（Krait 400）和骁龙805（Krait 450）共四代（图13）。三星从Exynos 8890开始也通过指令集授权的方式推出了自主架构“猫鼬M1”（Mongoose M1，只限大核部分，小核依旧是ARM公版的Cortex-A53）。
考虑到很多芯片厂实力有限，所以ARM还提供了类似“交钥匙”的授权方案，客户可以根据自己的需要直接挑选公版Cortex-A架构使用。这种授权可以帮助芯片厂快速搞出产品，只是能自由发挥的空间不大，处理器的类型、工艺标准都是规定好的，同类产品之间很难在CPU性能上拉开差距，性能的强弱完全取决于主频、GPU模块和搭配的调制解调器等外围芯片。麒麟、联发科和小米澎湃系列（图14），就多以这种使用层级的授权为主。
BoC（Built on ARM Cortex Technology）许可介于前面两种授权之间，AMD允许芯片厂基于公版Cortex-A架构的基础上进行“半定制化”。只是ARM仍然拥有并控制IP，但允许获得BoC授权的芯片厂对指令窗口大小、高速缓存等进行更改，并对芯片厂设计所要求的更改保密。
高通应该是全部经历三种授权的芯片厂代表。为了搭上64bit时代的首班车，高通在骁龙810时代采取了使用层级授权，直接套用ARM公版Cortex-A57+A53（图15），可惜受制于20nm工艺拖累深陷发热和降频的漩涡中，也成为了高通历史上口碑最差的骁龙处理器；在骁龙820时期，高通改用指令集授权方案，推出了自研的64位Kryo CPU核心，在运行效率上超过了同期的公版Cortex-A57，挽回了骁龙810丢失的声誉。
从骁龙835开始，高通又青睐于BoC许可授权，推出了分别基于Cortex-A73和Cortex-A53公版架构“魔改”而来的四颗大核Kryo 280和四颗小核Kryo 280。据悉，骁龙845高通还将沿用BoC许可授权，只是将核心换成了由Cortex-A75、A55魔改而来的Kryo 385（图16）。
小结
手机处理器的强弱很大程度上就取决于内核架构版本，苹果A系列处理器之所以强大，就是借了自研核心的光。问题来了，自研核心就一定优于ARM公版架构吗？有关这个问题，我们将在下个章节中加以解读。