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Arm 的故事:從阿基米德到高級 RISC 機器

作者:thechipletter時間:2023-02-28來源:半導體產業縱橫收藏

1986 年,英國 Acorn Computers 的 Steve Furber、Sophie Wilson 和一小群設計師開發了 Acorn RISC Machine (ARM) 微處理器,他們都在 Acorn Computers 的聯合創始人 Hermann Hauser 指導下工作。

本文引用地址:http://www.newmiphone.com/article/202302/443834.htm

這個團隊的目標是開發 8 位 MOS 技術 6502 的后繼產品,該產品可用于 Acorn 的家用、教育和商用計算機。遵循精簡指令集計算機(或 RISC)理念,他們從零開始設計了一種微處理器,其性能優于英特爾和摩托羅拉等公司的最新 16 位和 32 位設計。

他們專注于降低制造成本,這意味著 ARM 使用的晶體管少于 25,000 個,而且功耗極低。但到 1986 年,Acorn 的業務陷入困境,迫使其將控股權出售給意大利計算機制造商 Olivetti?,F在的問題是 Acorn 及其新的意大利所有者將如何使用 Acorn RISC 機器。

Olivetti 由富有魅力的實業家 Carlo de Benedetti 經營。De Benedetti 此前曾擔任意大利汽車制造商菲亞特的首席執行官,但他的任期在工業行動后幾個月結束,當時他試圖解雇 60,000 多名工人。

在 Olivetti,他制定了一項削減成本的戰略,并將公司的重心從辦公設備轉移到計算機技術上。1985 年,他將公司 25% 的股份賣給了美國電信巨頭 AT&T。除了為 Olivetti 籌集資金以進行擴張外,這筆交易的理由被表述為讓公司能夠使用 AT&T 的技術,包括微處理器。到 1985 年,Olivetti 已成為僅次于 IBM 歐洲業務的歐洲第二大計算機公司。因此,憑借投資 AT&T 增強的財務實力,Olivetti 可以自由地進行交易,包括對 Acorn 的投資。

到 1986 年,RISC 非常流行。加州大學伯克利分校和斯坦福大學的研究工作為 Acorn 團隊開發 Acorn RISC Machine 提供了最初的靈感,并各自促成了各自的商業發展。這些將分別變成 SPARC(由 Sun Microsystems 于 1987 年推出)和 MIPS。IBM 在 1986 年出現的 IBM PC/RT 中使用了它的 RISC 微處理器 ROMP,其中大部分 RISC 概念已經出現。

在其他地方,幾乎所有其他主要公司似乎也在致力于他們的 RISC 設計?;萜展驹?1986 年 2 月推出了 PA-RISC。甚至英特爾也推出了一款以伯克利 RISC 為靈感的 i960,它于 1984 年問世。

說回到 Acorn,與 Olivetti 的關系并不像 Acorn 團隊計劃的那樣順利。他們曾相信 Olivetti 會幫助出售 Acorn 一些未售出的電腦庫存,這是 Acorn 陷入財務困境的原因之一。事實上,Acorn 的產品很少是由 Olivetti 的銷售團隊銷售的。聯合創始人克里斯·庫里 (Chris Curry) 回憶說,在收購一年后,Oilvetti 的 de Benedetti 向他在劍橋的管理團隊詢問了為什么這沒有發生,只是被告知:「這是因為你告訴我們我們不得銷售除 IBM PC 兼容產品外的任何產品?!?/span>

在與 Zilog 的 Z8000 微處理器進行了短暫但不成功的接觸之后,Olivetti 開始專注于 IBM 兼容機。盡管 de Benedetti 提出了挑戰,但 Olivetti 從未在其個人計算機設計中大量使用 ARM 技術。在可預見的未來,ARM 的命運將與 Acorn 的命運緊密相連。并且使用 ARM 的策略在很大程度上與以前一樣——作為 Acorn 自己的臺式計算機中的 6502 的替代品。

在 Olivetti 投資后不久,Chris Curry 于 1985 年離開了 Acorn。他后來對 Olivetti 在收購后的表現感到憤怒:

...... 我們應該起訴他們,因為他們違反了合同。但是,我們并沒有那樣做,后來 Olivetti 行使了它的權利,獲得了公司 75% 的股份,并賦予了他們自己的控制權,并逐漸關閉了該公司……

到 1985 年底,Olivetti 又向公司注資 400 萬英鎊,并擁有近 80% 的股份。Olivetti 從未完全擁有 Acorn,Acorn 仍在倫敦證券交易所上市,外部股東持有該公司的少量股份。因此,所有人——包括潛在的電腦購買者——都會看到其持續存在的問題和脆弱性。

Hauser 成為 Olivetti 的研究副總裁,負責監督歐洲和美國的多個研發中心。不再參與 Acorn 的日常管理。

在完成 ARM 微處理器后,ARM 團隊將注意力轉向另外三個設計,包括執行內存管理(使用稱為 MEMC 的芯片)、控制視頻和聲音 (VIDC) 以及其他輸入和輸出 (IOC)。

該團隊還對原始 ARM 微處理器設計進行了一些小的更新。整數乘法和組合乘加指令被添加到指令集中。新設計將使用 VLSI 技術的較小的 2um 工藝,創建一個 CPU,稱為 ARM 2。

任何新的 ARM 機器都需要一個操作系統。Acorn 在 Palo Alto 建立了一個開發中心,稱為 Acorn Research Center 或 ARC,以其在圖形用戶界面方面的開創性工作而聞名。那里的團隊正在為稱為 ARX 的新機器開發高度復雜的操作系統。

但 Acorn 的管理層開始擔心 ARX 的緩慢進展,并求助他們位于英國劍橋的軟件團隊 Acornsoft。據領導該團隊的 Paul Fellows 說,他們被告知『硬件正在制造中,我們沒有軟件,你們在 Acornsoft 做得不多,你們能為我們制作一個類似 BBC 的操作系統嗎?你有 5 個月的時間?!咕o迫的時間表導致該軟件在周四之前被稱為 Arthur,是 AR ISC 的縮寫。

ARX 在與 Arthur 的正面交鋒中敗北。這導致 Arthur 仍然不完整。

1987 年 6 月,終于確定推出基于 ARM 的 BBC Micro 后繼產品?!禔corn 用戶雜志》宣布「RISC Machine 是下一個 BBC Micro」,標題是《幾乎神話般的 Acorn RISC 計算機將成為下一個 BBC Micro》。

這臺新機器將被稱為阿基米德。將有兩個不同的模型系列,A300 和 A400 系列。第一批機器是 A305、A310、A410 和 A440。

盡管 Acorn 的競爭對手提出抗議,但 Archimedes A305 和 A310 仍被冠以「BBC 微型計算機系統」的烙印,并且它們正式出現在 BBC 的「Micro Live」節目中(該節目是為 BBC 的計算機掃盲項目制作的早期節目的后續節目)。

Acorn 阿基米德 410

阿基米德的第一批評論是非常積極的。英國的個人電腦世界說阿基米德:

'...... 感覺就像是我用過的最快的電腦,有相當大的優勢?;鶞蕼y試不足以散發出它在使用中散發出的力量感;你所做的幾乎所有事情都會立即發生……」

同樣的評論也對 Arthur 做出了評價:

「重疊的、可調整大小的窗口是彩色的,類似于 GEM、Windows 和 Macintosh 的混合體?!梗℅EM 是 Digital Research 的窗口系統,然后在 Atari ST 上發布)。

對于 Arthur 的所有局限性,它確實有一些真正的創新。這將是第一個具有任務欄或??繖诘?GUI,比 NeXT 的 NextStep 操作系統提前一年推出該功能。

這一時期的一則 Acorn 廣告以「萬歲阿基米德」為標題宣傳了它的主要賣點——性能,在所有 MICROS 中速度最快。附表顯示 Acorn 機器大大超過了 Atari ST、Amiga 和一系列基于 Intel 的機器。事實是測試使用 BASIC 和 Sophie Wilson 的 BBC BASIC 以其高效著稱,可能對結果感到滿意。

入門級 A305 的價格為 799 英鎊,比同類 Mac 或基于英特爾 386 的 PC 便宜得多,后者的價格要高出大約 3 倍。

一份最新報告將 ARM CPU 的低成本確定為整體產品低成本的部分原因:

最低訂購 100 個 20 MHz 的摩托羅拉 68020 成本約為 300 英鎊;16MHz Intel 80386 售價 240 英鎊。但是一個 10 MHz Acorn RISC Machine (ARM) CPU,其性能將輕松勝過任何一個,并且不需要昂貴的高速靜態 RAM,成本僅為 44 英鎊。

借助阿基米德,Acorn 實現了令人印象深刻的集成度。公司現在有了自己的微處理器設計,并在自己的計算機上銷售它,并配有全套軟件,包括多種語言和帶有圖形用戶界面的操作系統。所有這一切都來自一家員工不到 500 人的公司。

不過,到目前為止,Acorn 和阿基米德正面臨著激烈的競爭。在商業市場上,IBM 兼容機占主導地位。在市場上有基于摩托羅拉 68000 的機器,雖然不如阿基米德強大,但軟件范圍更廣,尤其是游戲。

Atari ST 于 1985 年 6 月推出,Commodore Amiga 于同年 7 月推出。兩者都提供圖形用戶界面,而且機器的價格遠低于阿基米德。摩托羅拉 68000 不是 ARM 2 的對手,但是當 Archimedes 推出時,這兩臺機器已經構建了大量的游戲軟件。阿基米德可用的軟件范圍永遠不會趕上。

因此,阿基米德的銷售主要局限于教育市場。盡管如此,它仍然面臨著來自基于英特爾的機器的競爭,包括來自 Acorn 的所有者 Olivetti,他推動 Acorn 銷售重新標記的基于英特爾 8088 的機器,他們稱之為 M19,有點缺乏想象力。

在接下來的幾年里,Acorn 繼續開發 Archimedes 系列,但取得的商業成功有限。它確實在一些利基市場找到了一席之地,在這些市場中,阿基米德的計算能力和圖形功能很有價值。例如,阿基米德的后繼者被用來生成「誰想成為百萬富翁」第一集的圖形。對于某些人來說,這是一臺令人向往的機器。在早期對 6502 進行編程之后,后來繼續創建 Linux 的 Linus Torvalds 想要一個:

我想升級到的是 Acorn Archimedes ……它給了 ARM 名字,那是我一段時間以來的夢想機器。

但 Torvalds 不得不接受更便宜的 68008 驅動的 Sinclair QL。與超過 150 萬臺 BBC Micro、200 萬臺 Atari ST 和近 500 萬臺 Amigas 相比,Acorn 只售出了幾十萬臺基于 ARM 的機器。

如果 Acorn 和阿基米德一瘸一拐地走下去,為它提供動力的 Acorn RISC 機器就會繼續發展。1989 年,ARM 團隊完成了 ARM 3。這增加了 4 KB 緩存,時鐘速度躍升至 33 MHz,同時采用 VLSI 1.5 um 技術的改進版本制造。這大大提高了新 CPU 的性能,但并未以顯著增加晶體管數量為代價。與競爭對手相比,ARM 3 仍然是低成本和低功耗的。

蘋果

至此,Hauser 和 Acorn 的董事長 Elserino 已經決定有必要為 ARM 技術尋找買家。很明顯,它需要增加投資水平才能保持相關性,Acorn 的業務不會支持它,Olivetti 也沒有胃口。

因此,他們利用 Elserino 廣泛的人脈網絡來尋找買家。在與多家公司洽談后,他們差點與德國西門子達成交易,但最終以失敗告終。已接洽了 ST Microelectonics 的前身 SGS-Thomson,但他們已經投資了另一家英國微處理器公司 INMOS 及其晶片機技術。

使用中的 Active Book 和電子表格/圖表應用程序的屏幕截圖

1988 年,Hauser 離開 Olivetti,用自己的 100 萬英鎊創辦了「The Active Book Company」。計劃是制造一臺平裝本大小的計算機,配備 ARM 微處理器,屏幕可以使用手寫筆進行交互。

盡管 Hauser 已離開 Olivetti,但他仍然對 ARM 微處理器的未來感興趣。它的未來看起來很黯淡,但 Hauser 的個人關系最終會得到回報。

到 1989 年,Apple 已經開發了 Newton 手持設備兩年。1985 年,約翰·斯卡利 (John Sculley) 趕走了史蒂夫·喬布斯 (Steve Jobs),當時他正在運營蘋果公司。正是 Sculley 創造了個人數字助理這個詞,該詞將用于牛頓和后來的類似產品。

Newton 的最初設計使用了一個名為 Hobbit 的中央處理器,該處理器由 AT&T 開發。Hobbit 是 CRISP 的衍生產品,由 AT&T 貝爾實驗室的 Dave Ditzel 和 Rae McLellan 開發。Ditzel 與 Patterson 合著了論文「精簡指令集計算機的案例」,這是 RISC 開發的重要早期論文之一,也是 Steve Furber 和 Sophie Wilson 在開始研究 ARM 1 之前閱讀的論文之一。Hobbit 和 CRISP 不是純粹的 RISC 機器,而是將 RISC 概念的元素與基于堆棧的體系結構相結合。

1989 年,Newton 項目舉步維艱,當時領導 Apple 的 Advanced Technology Group 的 Larry Tesler 接手了該項目。特斯勒之前曾帶史蒂夫喬布斯參觀過施樂公園,這次參觀導致喬布斯采用了蘋果 Lisa 和 Macintosh 中使用的鼠標和圖形用戶界面。他很快對 AT&T 提供的服務感到不滿意。根據特斯勒的說法:「Hobbit 不適合我們的目的,而且價格過高。在 AT&T 要求增加數百萬美元而不是一美元的開發費用后,我們猶豫了?!?/span>

還有另一個關鍵因素。特斯勒不相信 AT&T 會長期繼續支持 Hobbit。作為一家大公司的一個小部門,Hobbit 對 AT&T 來說真的沒那么重要。

這不是蘋果第一次關注基于 ARM 的設計。幾年前,Apple 的「高級技術組」成員 Tom Pittard 和 Paul Gavarini 注意到 Acorn 在需要 6502 的繼任者方面與 Apple 處于相似的位置,并對 ARM 項目產生了興趣。早在 1986 年,他們就使用 ARM CPU 構建了一臺原型臺式計算機,作為名為 M?bius 的項目的一部分。M?bius 機器的速度足以在軟件上模擬 Apple II 和 Macintosh II。但是 M?bius 的強大功能可能會破壞現在是 Apple 領先設計的基于 68000 的 Macintosh 系列,因此 M?bius 被放棄了。

所以 Apple 擁有已經熟悉 ARM 的工程師。鑒于 ARM 設計已經過全面調試且功耗已經很低,因此他們將 Newton 項目切換到 ARM 變得越來越有意義。

只有一個問題。Acorn Computers 名義上是 Apple 的競爭對手。它銷售的是一款價格低廉、功能強大的臺式機,帶有可與 Macintosh 競爭的圖形用戶界面。Archimedes 的銷量可能很小,但 Acorn 得到了 Olivetti 的支持。將 Newton 的未來交給競爭對手是沒有意義的。

因此,雙方同意將 Acorn 的 ARM 技術分拆成一家獨立的公司,Apple 和 Acorn 將與為 Acorn 制造 ARM 半導體的 VLSI Technology 一起持有大量股份。每家公司擁有的股份分別為 Acorn 46%、Apple 46% 和 VLSI 8%。Apple 投資了 150 萬英鎊,Tesler 認為這比他們必須支付給 AT&T 的開發費用要少,因為他們的股份同時 Acorn 注入了 ARM 技術。

雖然蘋果沒有完全控制新公司,但其大量持股使其在公司的管理和方向上擁有巨大的發言權。如果公司陷入困境或 Acorn 對其失去興趣,那么 Apple 始終可以選擇進行更多投資并取得控制權。

由于該技術不再完全依賴于 Acorn,因此 Acorn RISC Machine 這個名稱不再合適。不過,縮寫 ARM 已經流行起來,因此「Acorn」被簡單地替換為「Advanced」。Advanced RISC Machines Limited 于 1990 年 12 月 3 日成立。

新公司需要一些員工,因此曾從事 Acorn RISC Machine 開發工作的 Acorn 團隊成員將轉移到新公司。最后,只有十二名工程師轉崗。盡管這家新公司存在風險(而且是 RISCy),但留在仍在苦苦掙扎的 Acorn 也不是一個安全的選擇。

也許令人驚訝的是,無論是設計原始 ARM 微體系結構的 Steve Furber 還是設計指令集的 Sophie Wilson,都不會轉移到新公司。

Furber 想從事學術工作,1990 年他搬到曼徹斯特大學,成為計算機工程教授。

Wilson 想留在 Acorn,在那里她在開發可在 ARM 設計上運行的軟件方面發揮了關鍵作用。她會為新公司工作,但以合同為基礎,后來說:「所以我留在了 Acorn,因為我覺得加入一家小型芯片公司不會讓我做這些事情——顯然 Acorn 將我的服務作為 ARM 的顧問承包回來了。ARM 需要我的服務,尤其是在他們能夠真正讓它自己運行之前的早期?!?/span>

因此,十二名工程師將成為新公司的創始人。這十二個人是杰米·厄克特、邁克·穆勒、都鐸·布朗、李·史密斯、約翰·比格斯、哈里·奧爾德姆、戴夫·霍華德、皮特·哈羅德、哈里·米金斯、阿爾·托馬斯、安迪·梅里特和大衛·西爾。

Robin Saxby

新公司還需要一名首席執行官。獵頭公司找到了一個 ARM 團隊和 Hermann Hauser 已經熟知的名字。

Robin Saxby 曾在 1973 年至 1984 年間為摩托羅拉工作,并曾嘗試將摩托羅拉 68000 微處理器出售給 Acorn,但未成功。豪瑟對 Saxby 懷有極大的欽佩之情,后來稱他為「一個完美的推銷員,一個了不起的人」。

當 Saxby 離開摩托羅拉時,他領導著歐洲硅結構 (ES2) 的歐洲分部。ES2 使用先進的硅編譯器和 Perkin Elmer AEBLE 電子束機來創建定制集成電路。ES2 籌集了 1 億美元的資金,但最終由于電子束機器的低生產率而失敗,最終耗盡了資金。與此同時,Saxby 領導了 ES2 在美國的合資企業 US2,并往返于硅谷和英國的布拉克內爾之間。

在決定接受這份工作之前,Saxby 在一家酒吧會見了 Acorn 工程師的十二名工程師。這將是對 Saxby 和新團隊能否良好合作的關鍵考驗。

工程師們遲到了,很快就因為缺乏專業精神而受到 Saxby 的訓斥。Saxby 和一位來自 ES2 的同事盤問了工程師們。在 Saxby 結束時做出了他的決定。ARM 可能只是工作,他會加入新公司。

在決定跳槽到新公司后,Saxby 逐漸將重心從 ES2 轉移,開始為 ARM 工作幾天,同時繼續為 ES2 工作,最終于 1991 年 1 月成為 ARM 的全職 CEO。

ARM 谷倉

大約 1991 年的「ARM 谷倉」。像諾亞方舟一樣木制,但它會拯救 ARM 創始人嗎?

新公司需要一個地址。Saxby 在劍橋以外 8 英里處的 Swaffam Bullbeck 村發現了一個經過改造的谷倉。擁有谷倉的農民告訴 Saxby,谷倉里從來沒有動物死過,Saxby 認為這是他的新公司生存的好兆頭。

具有諷刺意味的是,考慮到 未來在為手機供電方面的作用,當 ARM 團隊搬進來時移動通信有些困難,因為谷倉處于「死區」。其中一個團隊不得不改變他的「尋呼機」,然后離開谷倉去接電話。

新公司的早期也在其他方面「臨時湊合」。由于錢不多,Saxby 盡可能地存錢。在說服家具公司可以將谷倉里的照片用作宣傳冊后,他以折扣價為新公司購買了家具。董事會的桌子是擲硬幣贏得的,但公司沒有錢買書架,所以工程師們不得不把書堆在地板上。

新公司有兩個主要客戶,它們簽訂了交付新設計的合同。但這不太可能足以維持業務。盡管 Newton 是一個有趣的產品,但它的未來并不確定。Acorn 的財務和市場地位仍然非常不穩定。

他們很快失去了 Hauser's Active Book Company 這個客戶。它被 AT&T 接管,Hauser 成為 AT&T 的 EDO 部門總裁,Active Book 公司的產品轉而使用被蘋果拒絕的 Hobbit 微處理器。1994 年,AT&T 關閉了微處理器部門,Hobbit 也隨之終結。最終,拉里·特斯勒 (Larry Tesler) 被證明對 AT&T 承諾的淺薄是正確的。

不過,到目前為止,高性能微處理器之間的競爭非常激烈。英特爾的 80486 于 1989 年推出,在臺式機商務機中占據主導地位。有一類配備圖形用戶界面的摩托羅拉 68000 系列機器,高端的是 Apple,而價格較低的是 Atari ST 和 Amiga。一系列功能強大的基于 RISC 的機器,使用 MIPS 和其他公司的設計,在工作站市場上處于領先地位。這些設計中的每一個都得到了大型組織或資金雄厚的新人的支持。

另一方面,Advanced RISC Machines 在 Acorn 復制了 Hauser 的早期模型,但資金和資源都很少。不過,分拆為他們贏得了一些時間,并在一定程度上控制了他們的命運。

那么,十二位 Acorn 工程師跳入的「方舟」會幸存下來,還是會被沉沒呢?

本文由半導體產業縱橫(ID:ICVIEWS)編譯自 thechipletter



關鍵詞: Arm

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