導讀：當地時間9月14日，芯片公司安謀（ARM）在納斯達克上市。以當日收盤價計算，ARM市值652億美元，成為今年美股最大規模IPO。ARM是半導體行業非常獨特的存在，它持續研發半導體知識產權（IP），主要靠收取芯片架構版權費賺錢，自己并不設計也不生產芯片。隨著全球進入智能手機時代，ARM在移動芯片處理器設計領域占據90%以上的市場份額。值得注意的是，華為手機的麒麟芯片就采用ARM V8架構，但在美國的限制下，無法獲得最新的V9架構授權。

本文從商業和技術角度進行分析指出，英特爾“芯片設計+制造”的一體化模式已經落后，而ARM公司則在全球半導體乃至整個計算機產業起到了承上啟下的作用，技術模式的迭代加速了整個產業格局的重塑。ARM架構的強勢崛起已不僅局限于移動端設備的統治地位，更體現在（云）服務器、人工智能等新興領域廣泛布局。

作者認為，新舊半導體巨頭的此消彼長，也為新公司崛起創造了空間和機會。例如，在ARM的基礎上還誕生了蘋果公司這個“半路出家”的芯片巨頭，而從蘋果公司出走的大量人才團隊又繼續為整個半導體行業的競爭帶來活力。其中，芯片初創公司Rivos專注于RISC-V芯片平臺技術，其目標市場也是數據中心。雖然與ARM一樣都基于RISC架構，但是RISC-V從2010年發明開始，即以開源為最大特色，受到全球學界、產業界的高度關注，各國政府出臺政策支持RISC-V的發展和商業化。

回顧芯片架構的各種路線之爭，可見全球半導體產業似乎正醞釀著一場開源新趨勢。ARM崛起的根本原因是RISC架構更適應半導體產業發展的趨勢，而ARM架構授權的潛在限制，也將倒逼中國在開源架構RISC-V等新興技術領域探索更多機會。本文為歐亞系統科學研究會新媒體“關鍵技術中的競爭政治”系列編譯成果，僅代表作者本文觀點。

芯片技術、地緣政治和工程軟件

東西方之間日益緊張的關系正在使半導體行業發生大規模的變化。如今，半導體集成的尖端環節基本集中在中國臺灣和韓國，而不是在英特爾所在美國。因此，美國政府已強勢介入，試圖開創美國“產業民族主義”的新時代。2022年6月初，參議院通過了《美國創新與競爭法案》（USICA），其中包括520億美元的聯邦資金，用于加速國內半導體研究、設計和制造，各界也將其稱為“芯片法案”。

芯片幾乎為所有類型的數字設備提供動力，當然也為所有運行操作系統的計算機系統（包括軍用系統）提供動力，其理所當然地被視為國家安全問題。傳統上，美國在芯片設計和制造方面一直處于世界領先地位。1990年，美國曾占半導體和微電子生產37%的份額，目前僅占12%。如今，雖然美國依然掌控著芯片設計的核心環節，但曾經的“國家冠軍”英特爾公司已經地位不保。 當然，更多人關注的是半導體產業及其龐大的經濟利益；除企業外，如今各國政府也開始強勢介入該領域。“芯片法案”可能會刺激多達10家新芯片制造工廠的發展。在美國政府對半導體產業投資的支持下，英特爾新任首席執行官帕特·蓋爾辛格（Pat Gelsinger）宣布斥資200億美元擴建英特爾亞利桑那州錢德勒工廠的兩個新晶圓廠，其中42號晶圓廠已全面投入生產10納米節點芯片。在大西洋另一側，歐盟出臺了相關計劃，以期在半導體設計和制造方面實現自給自足。

雖然中國渴望在半導體領域實現自給自足，但卻缺乏能夠開發和制造半導體制造商所使用的設備、非晶圓材料和晶圓材料的本土公司。美國和歐盟主導著關鍵設備市場，中國臺灣的設備制造商幾乎為零，而中國大陸的份額僅為個位數。不過，中國的“無晶圓廠”芯片設計行業正在不斷發展壯大。

不過，半導體行業設計、開發和制造的全球化或將塑造一個更分散的計算機軟件行業未來。曾經穩定的“Wintel”（Windows和英特爾Intel）雙頭壟斷已基本解體。2020年12月，基于ARM架構，微軟宣布正在為“微軟云”的服務器和Surface設備設計專用芯片。微軟的做法在很大程度上是在模仿競爭對手亞馬遜，后者已經為旗下的“亞馬遜云”設計了專用的ARM芯片Graviton 2。（譯者注：早期的服務器芯片以RISC架構為主。此后，隨著英特爾推出x86架構，逐漸擠壓了RISC處理器市場。在很長的一段時間內，AMD和英特爾占據著服務器市場的主流，其中英特爾市場份額超過90%，AMD則是剩余10%市場的主導企業。近些年來，ARM、RISC-V兩大架構加強了對英特爾x86的挑戰，但各有優劣。ARM架構的特點在于應用廣泛、生態成熟，開發適配都更方便。RISC-V架構特點在于完全免費、開源，可以自主把握，但還處于起步階段。如今，全球約10%的服務器已經用上ARM架構，其中40％位于中國。） 如今，很難說微軟的Window系統依然是計算世界的基礎；它更像是一種普遍的存在，有點類似電動汽車革命中的化石燃料汽車一樣。隨著英特爾公司的衰落，或者說Wintel霸權的崩潰，各類新的芯片架構（如上述的ARM）和配套的操作系統及設備方案正在快速崛起，反過來也加速了計算機輔助設計（CAD）等工業軟件領域的變革。

這是一個舊模式逐漸被新模式取代的全新時代。 1 摩爾定律：彼時與此刻

自英特爾公司成立和x86 CPU芯片架構出現以來，摩爾定律在很大程度上兌現了它的承諾。摩爾定律以英特爾聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）的名字命名，其具體指微處理器上的晶體管數量每兩年翻一番，即年復合增長率要達到41%。

摩爾定律跨越了英特爾、摩托羅拉、ARM、蘋果、IBM等公司數十年的芯片發展歷程。上世紀七八十年代，英特爾的競爭對手，如摩托羅拉和IBM，在很大程度上保持了半導體行業的火熱發展；進入九十年代和21世紀后，AMD維持著競爭格局，尤其是加劇了服務器領域的芯片競爭，進一步推動英特爾在相關領域的強勁研發和創新。

不過，一個新趨勢正逐步浮出水面。從1994年到2007年左右，ARM公司（中文為“安謀公司”）的Cortex A9只有不足5000萬個晶體管，相比IBM的Power 6、英特爾的Itanium 2和AMD的K10等強大的服務器芯片存在著巨大的差距——它們基本上都超過了5億個晶體管。然而，從2008年開始，情況發生了變化，ARM的發展速度比芯片行業的其他公司都要快（見下圖中的綠線）。

▲ 圖源：our world in data

從上圖可見，ARM的發展速度（綠色線）從2008年開始越來越快，而英特爾（紅色線）卻逐漸跟不上摩爾定律。到2016年，英特爾的發展速度進一步放緩，而ARM還在繼續加速發展。

2013年，ARM的授權廠商蘋果公司推出了A7，這是一款具有里程碑意義的64位系統級芯片（System on Chip，SoC），擁有超過10億個晶體管。這款iPhone手機芯片搭載的的晶體管數量，甚至超過了2007年IBM的Power 6，這個世界上曾經最強大的服務器芯片之一。（譯者注：SoC是一個微小型系統，將微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器集成在單一芯片上。SoC通常是為客戶定制的，或是面向特定用途的標準產品。）

ARM的崛起只是全球半導體潮汐變化中的一個因素，而英特爾落后于摩爾定律則是另一個重要因素。在如今的半導體行業內，沒有其他公司能像安謀公司一樣獨特：它可能標志著全球半導體行業“最民主”的力量，將芯片設計方案授權給任何想基于ARM架構和生態系統做開發的人。（譯者注：Arm商業模式的特別之處，在于其僅提供芯片架構，而沒有下一步的芯片設計業務。）

2 此消彼長：ARM、蘋果和英特爾

在本世紀頭十年的后半期，安謀公司（ARM）成為了移動設備處理器領域當之無愧的領導者。作為ARM的主要創始人之一，蘋果公司自Newton電腦系列開始使用基于精簡指令集的CPU（Reduced Instruction Set Computer，RISC。譯注：計算機指令集，是計算機硬件可以直接識別的命令，是指CPU用來計算和控制計算機系統的一套指令的集合。CPU是計算機系統的核心， 計算機指令集則是CPU的“傳令官”），此后便開始對ARM架構的芯片情有獨鐘；2007年發布的iPhone也使用ARM芯片，并開啟了智能手機時代。如今，在平臺架構層面，ARM穩坐移動設備市場的核心。

同時提供更強處理能力和更長電池續航時間的競爭壓力，使ARM芯片的進步曲線更加陡峭，注定要在每瓦性能上趕上并超越英特爾x86芯片。

長期以來，ARM和英特爾處理器的一大區別是ARM主要設計低功耗處理器，英特爾的強項是設計超高性能的臺式機和服務器處理器。ARM架構作為目前最成功RISC架構，主導了智能手機和物聯網芯片處理器市場。根據英偉達公告，基于ARM架構的芯片已累計出貨1800億顆。ARM架構處理器在智能手機芯片、車載信息芯片、可穿戴設備、物聯網微控制器等領域占到90%以上市場份額。

自iPhone 13系列開始，蘋果將采用最新推出的SoC：A15 Bionic。值得注意的是，與A14相比，A15 Bionic在CPU性能方面并沒有取得多大進步。蘋果公司似乎受到了半導體人才外流的沖擊，人才紛紛流向Nuvia和基于RISC-V架構的新公司Rivos。盡管如此，A15 Bionic仍設法將GPU性能比現有的任何其他智能手機芯片（包括自己的A14）提高了50%。A14 Bionic擁有150億個晶體管，僅比蘋果M1芯片少10億個。

此前，高通宣布將以14億美元收購由蘋果前員工創立的芯片創企Nuvia，提升自身在高性能計算領域的競爭力。高通和蘋果曾因專利版稅問題屢次對簿公堂，盡管雙方現已達成協議，但Nuvia公司和蘋果一直處于交惡狀態。通過此次收購，高通計劃將Nuvia的CPU技術廣泛應用在智能手機、筆記本電腦等一系列業務上，從而在高性能計算領域和蘋果、英特爾等公司抗衡。（譯者注：有評論指出，高通希望借Nuvia降低對ARM架構的依賴，進行更多的定制設計，降低直接購買許可的費用。）

蘋果公司在2007年春季收購PA Semi之后，基本上從頭開始搭建了世界一流的半導體設計團隊。《福布斯》雜志的一篇報道曾指出，這次收購對英特爾來說是一個打擊，因為他們本希望說服蘋果公司在iPhone及更多未來移動設備上使用英特爾的Atom處理器。蘋果的選擇作為風向標，讓英特爾與智能手機領域的快速崛起幾乎失之交臂。

▲ Nuvia計劃定制的基于ARM架構的Phoenix NUMA芯片（藍色區域）計劃超越蘋果。（圖源：Nuvia）

在后PowerPC（一種基于RISC架構的中央處理器）時代，英特爾和AMD展開了激烈的競爭，并且英特爾還在2005年成功爭取到了蘋果電腦的訂單。與此同時，安謀公司也在悄無聲息地推進ARM芯片架構的發展，以便從每一瓦的功率中榨取更多的計算性能。當許多智能手機制造商在其智能手機芯片上使用基本未經改動的ARM芯片設計時，蘋果公司也獲得了ARM的特別授權，可以開發基于ARM芯片并帶有專有邏輯的客戶芯片。

從上面兩張圖表可以看出，ARM體系已經趕上并實現對英特爾x86的趕超。英特爾新任首席執行官帕特·蓋爾辛格表示，到2025年，英特爾“將重新奪回每瓦性能桂冠”。考慮到最近的歷史和ARM固有的架構優勢，這種說法似乎更像是口號。此外，英特爾和AMD在每瓦性能方面還將面臨新的重大競爭，那就是2021年成立的Rivos公司。這家企業從蘋果挖走了 40 多名核心工程師。

3 先進制程：英特爾的迅速潰敗

英特爾究竟是如何在性能上落后的？這家曾經一枝獨秀的巨無霸，當前不僅落后于新興的ARM，甚至也快趕不上老對手AMD了。幾年前，英特爾在制造領域的領先地位開始放緩。在2020年夏天，情況急轉直下，英特爾宣布大幅推遲下一個制造里程碑。

英特爾從成立之初就認為，如果芯片設計師能直接與制造工程師合作，英特爾就能在半導體領域引領世界。這是理念，但不一定是現實。舉例來說，荷蘭半導體光刻系統制造商阿斯麥（ASML）早在2012年就與英特爾合作，為下一個微小芯片時代開發極紫外光（EUV）的光刻系統。不過，ASML也與三星和臺積電就同樣的技術進行了合作。目前，僅臺積電一家公司就擁有全球現有EUV***總數的一半。

臺積電基于5納米節點的芯片（如最新蘋果電腦中使用的自研M1處理器），完全依賴ASML的EUV***，每臺設備的成本高達1.5億美元，使用前可能需要4-6個月的安裝時間。英特爾最早的10納米芯片采用傳統光刻技術，但以失敗告終。雖然英特爾已經開發出10納米芯片，并已開始出貨，但其7納米芯片計劃卻不得不依賴ASML的EUV設備。

英特爾的芯片制造問題可能最終源自全球化大分工帶來的損耗。那些試圖掌控整個芯片產業鏈條的公司，可能會被海量在細分領域做到極致的小公司逐步擊敗。例如，上世紀80年代中期，英特爾最終放棄了隨機存取存儲器（RAM）市場，因為它無法與日本的主要競爭對手競爭；后者將大量資金投入新工廠，繼續生產出了世界上最好的RAM芯片。

現在，隨著臺積電和三星為智能手機市場多生產數億顆芯片，亞洲芯片代工廠擁有了更多的資本和更高的估值。由于建造芯片工廠的成本高達數百億美元，市場領導者比其較小的競爭對手更快地獲得了提升新工藝節點的能力。簡單地說，它們有資金更快地開始采用新的工藝節點技術。

令英特爾驚訝的是，其芯片設計與制造之間的緊密關系反而成為了一種束縛。當該公司在2018年的10納米節點爬坡過程中遇到困難時，它沒有任何外部晶圓廠可以求助。這是因為，英特爾往往針對其芯片制造工具進行設計優化的，但第三方代工廠并不擁有這些工具；英特爾也無法直接對三星要求，“為我們做這樣那樣的設計”。

幾十年來，英特爾可能曾創造了半導體行業，但新的解決方案需要新型材料和重新設計，這也將英特爾推向了前所未有的境地。與此同時，亞洲的合同芯片制造廠更迅速地解決了這些問題：因為基于ARM架構的芯片設計，以及AMD、英偉達（NVIDIA）和蘋果公司的定制設計，其與特定制造設備和工業流程的要求的聯系顯著更低。

4 后起之秀：AMD強勢反超

2022年初，在半導體產業“纏斗”超過40年的英特爾與美國超威半導體公司（AMD），終于迎來了完全不一樣的市場地位。當時，英特爾最新的市值為1972億美元，而AMD市值一舉躍升至1977億美元，正式宣告超越英特爾，實現了“千年老二”的強勢反超。

其實，在過去十年的后幾年里，英特爾幾乎所有的主要競爭對手都取得了長足的進步，并攫取了市場份額和絕對的性能領先地位。英特爾在計算機芯片領域的主要競爭對手AMD憑借在亞洲生產的新型CPU芯片設計取得了進展。

2022年初，AMD宣布，以全股票交易方式完成對賽靈思（Xilinx）公司的收購，交易價值為498億美元。賽靈思前首席執行官Victor Peng將加入AMD，擔任新成立的“自適應和嵌入式計算集團 ”（AECG） 的總裁。這是AMD成立60以來最大的一筆交易，同時也是半導體行業中的最大交易。

AMD的旗艦CPU銳龍（Ryzen）9由臺積電采用7納米工藝制造，但尚未使用EUV。盡管如此，AMD在單核和多核芯片性能的絕對最佳平衡方面仍處于世界領先地位。此后，銳龍9-5950X的16核CPU的平均單核跑分為1689分，多核跑分為16681分。雖然英特爾第11代酷睿i9-11900K的單核成績略勝一籌，但8核的多核成績卻相差甚遠。

從本質上講，AMD在提供業界領先的單核性能的同時，還提供了較高的多核性能，這種均衡的頂級性能對工業軟件行業至關重要。此外，AMD在圖形計算及人工智能領域也取得了明確進展。

5 人才流失：來自蘋果的初創公司

蘋果向來在芯片設計上抱有很大的野心，從A系列仿生芯片到M系列高性能芯片，貫通移動與桌面端。作為“半路出家”的芯片公司，蘋果公司在每瓦性能方面已逐步達到世界領先地位。例如，它的M1處理器在上的單核分數超過1700，并且其能耗優勢顯著高于英特爾：M1公布的熱設計功率（TDP）為39瓦。

然而，由于近幾年頻繁的人員流失，蘋果最新的自研芯片的進展正在逐漸放緩。2019年2月，在蘋果負責A7至A12X芯片開發的首席芯片設計師威廉姆斯離開蘋果，他是蘋果歷代iPhone核心處理器以及M1系列的首席架構師。在他離開的同時帶走了多位關鍵芯片工程師，隨后與他人共同創辦了新公司Nuvia，主要業務是開發用于數據中心的處理器。（譯者注：同年，蘋果公司將ARM首席架構師Mike Filippo收入麾下，擔任蘋果自研M1芯片的架構總監，但在2023年初Mike Filippo 又出走微軟。2021年12月，在蘋果任職超過8年的M1芯片設計總監Jeff Wilcox也宣布離開蘋果，將重返英特爾。）

Nuvia現已成為高通公司的一部分。雖然Nuvia最初的目標是通過其計劃中的Phoenix CPU在數據中心芯片的每瓦特性能方面處于領先地位，但高通公司的領導層似乎有不同的想法。據報道，Nuvia團隊正在開發基于ARM的Phoenix技術，并計劃將其用于平板電腦、智能手機以及Chrome和Windows平臺的小型筆記本電腦等移動終端，與蘋果展開直接競爭。

此外，新的芯片初創公司Rivos也是由蘋果半導體資深人士領導的。Rivos公司目前仍處于隱身狀態。與高通公司的Nuvia團隊不同，Rivos公司專注于RISC-V芯片平臺技術，而不是ARM平臺技術，其目標市場也是數據中心。該公司的目標是擁有第一個高性能RISC-V內核，并且已經吸引了許多來自蘋果、谷歌、Marvell、高通、英特爾和AMD的高級CPU架構師。

雖然RISC-V是一種開放規范和開放平臺，但這并不意味著Rivos將是一種開源處理器。2010 年發布的RISC-V從發明伊始即以開源為最大特色，受到全球學界、產業界的高度關注，各國政府出臺政策支持RISC-V的發展和商業化。

RISC-V和ARM都基于RISC架構，而英特爾x86在其歷史上主要采用通用指令集計算架構（CISC）。概括地說，RISC允許降低每條指令的處理器時鐘周期數，并采用標準化的負載存儲限制模型。RISC的主要特點是減少整體時鐘周期，因此在功耗方面更勝一籌。因此，基于RISC的ARM芯片在移動設備半導體領域引領世界潮流也就不足為奇了。

在2007年前，蘋果公司就考慮在未來的Mac電腦中采用PA Semi芯片。PA Semi創始人Daniel W. Dobberpuhl和希望在PowerPC架構（RISC）的基礎上設計出功耗低、功能強大的芯片。就在被收購前不久的2007年2月，PA Semi還首次推出了一款64位雙核微處理器，其能效比任何同類芯片都高出300%。該芯片2GHz時的能耗為5-13瓦。

這就是蘋果A系列芯片的基礎團隊，其每瓦特性能在業內遙遙領先。但是，越來越多的蘋果半導體團隊正在離開，轉投自己的芯片設計初創公司。在芯片供不應求的今天，在半導體產業日益全球化的今天，在核心技術和人才跨地緣政治地區日益民主化的今天，激烈的競爭還將繼續。

6 軟件變局：架構轉移帶來機遇

半導體行業曾經由英特爾公司主導，以美國為基地。隨著上述一系列具有里程碑意義的變革，未來十年可能會徹底顛覆曾經Wintel雙頭壟斷局面。當前，Windows已經在針對ARM架構進行重寫。

為順應軟硬件體系的重構，計算機輔助設計（CAD）等工程軟件行業也會有大量代碼需要重寫。設計師的工作環境將大幅改變，他們必須考慮在新架構下CAD和3D軟件將如何運行。目前，ARM不僅與英特爾x86架構不相上下，而且在性能/功耗方面更勝一籌。這對于云計算和移動計算同樣重要。亞馬遜、微軟、谷歌和蘋果都在轉向基于ARM的數據中心，因為它們運行起來更高效、更便宜。

如今，已經有一些CAD和3D開發人員將他們的軟件解決方案轉移到蘋果芯片上。例如，Vectorworks是蘋果電腦上領先的CAD解決方案，其代碼中有120多個依賴項需要從x86重寫為ARM，并正在與第三方開發人員一起解決這些問題。大多數CAD、BIM和3D軟件都包含多個依賴項——從物理引擎、數字地形建模引擎、CFD引擎、幾何建模內核（如Parasolid和ACIS）到不計其數的渲染和可視化引擎。這將是一個不同層次的顛覆過程，取決于每個應用程序的傳統依賴關系。它為新進入者提供了一個機會，使他們能更快地做出反應，并開發出新的CAD行業創新產品，例如Shapr3D。

即便英特爾實現它們的口號，到2025年再次奪得每瓦性能桂冠，變革也不會停止。隨著“遠程辦公”與云服務的快速發展，基于ARM架構的設備將逐步占據主流，CAD乃至更全面的科研和工程軟件市場也必將對其適應。

【譯者按】在當前形勢下，不僅僅是個人電腦和智能手機銷量在放緩，推動計算機芯片技術進步的核心架構也在發生變化。有評論認為，這也是AMD收購賽靈思Xilinx的原因，后者以被稱為“現場可編程邏輯門陣列”FPGA的自適應芯片聞名。此后，AMD 還斥資19億美元收購了云計算初創公司 Pensando。當前，AMD正在建立定制計算業務，以幫助他們的客戶設計自己的芯片，這恰好反映了整個行業的最新趨勢。上述收購之后，AMD也成為同時擁有“CPU+GPU+FPGA”的廠商，并掌握開啟數據中心大門的“金鑰匙”。在拿下賽靈思之后，AMD也能夠在通訊、數據中心，甚至是未來更廣的人工智能運算領域擁有更好的發展空間。

本文主要關注x86和ARM架構的此消彼長，但對于中國而言，這兩種架構都存在不授權或不供應的風險。2022年8月，美國政府命令英偉達停止向中國銷售部分高性能GPU，AMD也稱收到了相關的禁止命令。具備較高雙精度計算能力的高端GPU主要用于高性能計算領域，包括科學計算、CAD、CAE（計算機輔助工程）和醫療等領域。

相反，RISC-V架構由于具備開源開放的特性，被一些中國廠商看作是***“彎道超車”的機遇。2022年，采用RISC-V架構的處理器出貨量約100億顆，其中有一半以上是中國廠商生產的。國內知名企業如阿里平頭哥、中科院計算所、賽昉科技、芯來科技等都有布局RISC-V，開發出不同層面的軟硬件解決方案。

在生態建設上，RISC-V國際基金會已吸引全球70多個國家的2300個會員，覆蓋芯片廠商、芯片設計服務公司、軟件提供商等軟硬件公司，以及大學、科研機構和投資機構等，生態陣容快速壯大。RISC-V有望成為x86和ARM之后的計算機指令集（Instruction Set Architecture，ISA）第三極。具體到應用軟件層面，如今，基于云的工業軟件訂閱模式越來越多，成為企業在本地軟件安裝環境之外的一種選擇。云與在線的工業軟件可以直接在本地瀏覽器中運行，或通過網頁及移動應用程序運行。從ARM到RISC-V，芯片架構的種種最新變局，正為新的公司和應用創造更多超越的空間和機會。