三驾马车拉动移动芯片向前：ARM架构成为新兴霸主

中国信息通信研究院规划所 黄伟

指令的强弱是衡量CPU性能的重要指标，从现阶段的主流体系结构看，指令集可分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两部分，代表架构分别是X86、ARM和MIPS，其中CISC体系主要用于服务器、PC、网络设备等高性能处理器CPU，RISC体系多用于非X86阵营的高性能微处理器CPU。

ARM架构成为新兴霸主

随着全球芯片消费市场向移动化迁移的趋势愈加明显，ARM的领先优势不断增强并逐步成为新兴霸主。近几年来，ARM授权合作企业规模和芯片出货量持续高速增长，截至2014年第一季度，ARM授权企业规模达到1100家，单季度出货达到30亿颗，同比增长20%以上，在移动市场占比高达95%。当前智能手机、平板电脑芯片的大多数供应商，如高通、MTK、苹果、博通、三星、全志、瑞芯微等，均基于ARM技术构架开发相关产品。2014年第一季度，通信基带芯片市场规模达到47亿美元，同比增长2.5%，高通以66%的份额占据主导地位，MTK与展讯分别以15%和5%的份额紧随其后；应用处理芯片出货3.32亿片，同比增长25%，其中高通、苹果、MTK分别以53%、16%和13%的份额排名前三。

移动SoC整合优势已成为ARM阵营芯片厂商攻城略地的利器，所有不顺应发展趋势的芯片企业都将逐步被淘汰。移动SoC 将组合芯片的整合度提升至一个新的水准，使其成为一款结合移动基频、应用处理器与无线连接等更多功能的单芯片，有效降低了移动智能终端的开发成本和周期，已成为主流的芯片产品开发方式。移动SoC设计是性能、功耗、稳定性、工艺等多方面的平衡，当前正持续向更高集成度演进，芯片封装调试难度也在不断加大。高通和MTK受益于在技术和应用上的成功"卡位"，及早实现了基带、处理器、RF、PMU的SoC高度集成和套片整合，占据了生态系统的制高点。2014年第三季度，高通、MTK分别占据全球移动SoC市场的42%和23%，其他移动芯片商除三星、苹果自给自足外，生存状况日益恶化。随着STE、博通等相继退出主控芯片的竞争，预计未来整个移动芯片市场竞争将进一步集中。

ARM借由低功耗优势快速切入新兴可穿戴市场，以多设备协同加速生态圈构建。ARM架构处理器因其低功耗优势不仅广泛根植于传统嵌入式应用领域，更是当下国际主流知名可穿戴产品的首选。在传统设备领域，ARM Cortex-M系列产品在全球有40多个合作伙伴，应用场景包括智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、大型家用电器、消费性产品和医疗器械等。在移动可穿戴领域，ARM依旧占据主导，目前主要应用场景包括智能眼镜、智能手表和智能腕带三类产品，且知名产品居多，如谷歌眼镜、Pebble智能手表、Fitbit等。此外，ARM还积极建设开源mbed物联网芯片开发平台，助力可穿戴与智能机、云端协同工作，突破数据存储、计算瓶颈。mbed提供免费开发工具和基础开源软硬件元件，帮助快速开发基于ARM架构的创新设备，同时将连接器、传感器、云端服务软件组件和开发工具加以整合，打造动态合作的生态系统。ARM还与Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等无线通信组织密切合作，确保mbed平台涵盖最新的无线通信技术。

ARM积极联合多方力量推动服务器定制化、个性化发展，发力云计算低功耗服务器芯片市场，但受限于效能、软件系统兼容、整体成本与完整解决方案等，短期内难以突围。英特尔由上至下进入低功耗服务器市场，先后推出Atom S1200系列数据中心SoC平台、Avoton平台，提供更高的能效比；ARM则由下至上进入，联合AMD、Marvell、高通等多家厂商研发ARM架构服务器芯片，其价格、功耗分别是英特尔的10%和50%。但受制于产业配套差距，Calxeda由先驱变成先烈，三星、英伟达相继放弃，高通则将战略重点转向整合手机、平板、PC、服务器、云端软件及各式创新技术的物联网芯片大市场。

MIPS架构抢占可穿戴市场

MIPS长期耕耘数字家庭产品市场，错失了移动互联网的发展先机。MIPS允许芯片商对架构进行自由更改，授权模式相较ARM更为开放灵活，但"学院派"基因使得MIPS商业化运作能力偏弱，从而错过了移动智能终端市场的爆发期。经历收购转型之后，MIPS凭借高端的proAptiv、多线程的interAptiv 和紧凑高效的microAptiv微处理器产品发力家庭娱乐、网络、移动和嵌入式应用市场。与ARMCortex-A、Cortex-R和Cortex-M系列展开直面交锋。但事实证明，MIPS凭借其新品来撬动ARM移动智能手机、平板电脑市场庞大的生态体系面临极大的挑战，如TCL等厂商推出的MIPS架构智能手机基本宣告失败。

MIPS占据智能手表发展先机，加速向健康医疗和健身设备拓展。Imagination作为Android Wear生态唯一的IP供应商，使得MIPS架构在智能手表领域占据了主动，随着更多芯片商的加盟，医疗健康和健身设备也将成为发力重点。目前，Imagination已将旗下MIPS、PowerVR、Ensigma

（RPU）等核心技术产品列入Android Wear生态，并联合产业界多方力量推出基于MIPS核心的参考设计方案及各种硬体平台，加速可穿戴产品上市。Newton平台作为典型代表已成功应用于智器和果壳智能手表，由于整合了温湿度、心电传感等器件，未来该平台将广泛应用于各类健康医疗、健身等产品设计。此外，Imagination还授权印度初创公司Ineda研发低功耗系统级芯片，提供行业领先功率和能源效率。Ineda使用PowerVR图像处理核心和MIPS主处理器架构研制可穿戴处理单元芯片，其Dhanush WPU系列包括4款针对不同产品市场的型号，芯片采用自主研发的"分层计算架构"，最低级别芯片针对的是手镯等简单的可穿戴设备，高端芯片针对的是Android平台的智能手表等设备，电池续航能力可达到30天以上。2014年4月，Ineda可穿戴芯片公司获高通三星1700万美元的投资，发展前景广阔。

X86架构面向新兴市场转型

英特尔是PC和企业级处理器市场的王者，当前正努力向移动智能终端市场延伸渗透。Intel在过去几十年里，一直主导高利润率的个人PC及企业市场处理器的生产制造，也正是丰厚的毛利率使得Intel持续付出高昂的代价研发下一代处理器技术和生产线制程，从而保持领先竞争对手至少一个代际的技术优势。

进入移动互联网时代，一片处理器仅售几美元，利润率微薄，英特尔"高研发、高毛利相互驱动"的商业模式无法维持，布局移动芯片缺乏核心利益驱动，导致低功耗、低单价的Atom处理器在技术工艺上始终比最先进的Core处理器落后一两代。此外，移动SoC市场公司之间的合作模式也不适合Intel，为了节省制造成本和降低功耗，移动SoC经常需要将多厂商IP块集成到一片上，这对英特尔架构授权模式提出严峻的挑战。而ARM设计和生产是分离的，设计的IP块可以单独授权给各厂商自行定制整合，制造采用比较成熟的生产线，成本低、可选厂家多。种种原因使得英特尔X86在移动芯片市场彻底失利，以至于近两年不得不通过加大资金补贴和技术支持力度来维系客户、拓展市场。从2013年至今，英特尔在移动芯片市场累计亏损近70亿美元，对大陆白牌X86平板补贴金额高达50美元/台，预计2014年英特尔在平板电脑芯片市场出货4000万片，占据20%的份额。

X86面向新兴市场改变业务模式，支持个性化设计和第三方集成。夸克处理器主要面向智能手表、智能家居等小型可穿戴和智能物联设备，其尺寸、功耗分别是凌动的五分之一和十分之一，该产品使英特尔的触角得以延伸，进入物联网、可穿戴等细分市场。此外，英特尔还推出了Edison平台，基于高集成度全功能设计降低开发难度，配备双核Quark SOC芯片，并集成闪存、蓝牙模块、WiFi模块，支持各种可扩展的I/O。商业模式方面，夸克也逐步实施开放战略，通过个性化设计和定制化服务满足电子产品差异化发展。首先是设计从被动选择到自主合成，以凌动处理器为例，只能使用选定的图形处理单元和片上系统元件，增加额外功能则需增加单独的芯片；而夸克芯片则允许客户集成自己的功能模块，如整机和系统商可在芯片中增加加强通信方面的指令模块等。其次是制造从垂直集成到第三方代工，夸克选用32nm成熟工艺设计，打破以往的设计制造一体化模式，允许客户自主选择第三方代工。