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Mobile Unleashed – Daniel Nenni and Don Dingee

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考考你,你知道你手機入面的CPU是那間公司製造的嗎?多得Intel多年來咚咚棟冬的廣告,一般人都知道電腦的CPU主要由Intel製造,但說起手機,只會聯想起蘋果和三叔,完全沒有聽過ARM這間公司。現今的智能手機,甚至早年的2G手機,手機CPU市場佔有率,ARM差不多是百份百,可說是獨市生意。《Mobile Unleashed》這本書,講述ARM的發跡史,如何從十二人的小團隊,三十年間發展至二百億市值的高科技王國。這本書不單是ARM的歷史,更加是整個手機業界的歷史。

ARM全名Advanced RISC Machine,原本個A字代表Acron電腦公司,ARM只是其研發部的一個實驗項目。當年IBM如日中天雄霸整個電腦市場,其他電腦公司一邊抄考IBM電腦賣錢,另一邊則希望開發新產品打破IBM的壟斷。RISC就是這樣的環境下開發出來的CPU架構,與Intel的x86系列CISC CPU完全不同的設計概念,犧牲複雜的功能換取精簡的指令架構。當Intel搶佔商用家用電腦市場,其他RISC晶片廠商如SUN和MIPS,則憑著RISC架構的高運算速度,在server市場開拓出另一片天空。而ARM的RISC晶片,論功能不夠x86強,論速度不及其他RISC廠商,只有一項優點就省電。

不過當年電腦不能移動,反正都是插著電源,省電完全不是賣點,ARM晶片完全沒有生意。Acron準備解散團隊止蝕,這時命中註定的救星出現,蘋果要開發平板手提電腦(還不是iPad,二十年前那個叫Newton),需要開發更省電的CPU,於是找上門來。商討後ARM從Acron獨立出來,蘋果佔一半股權,Acron和VLSI佔另一半。雖然新公司有蘋果這個大客支持,可是實際上還是窮得要命,相傳ARM的初代CEO上任第一個工作,就是四出尋找平價二手家俱。Newton是蘋果第一次後教主時代的滑鐵盧,走得太前技術完全未成熟,功能未如人意成本天價,最終全球只賣出六萬部。

Newton雖然失敗了,但為ARM爭取多幾年的時間,繼續改良CPU的技術,終於等到流動電話時代的來臨。最初1G電話用Analog技術,上了年紀的都記得當年大大舊的水壺電話。2G GSM改用Digital技術,對於CPU的需求增加了,但手機的電池容量有效,省電便成為最重要的決定性因素。ARM的第一個大客是Nokia,雖然Nokia現在執了笠,當年可是手機的一哥,比今天蘋果還厲害,高達過半的市場佔有率。之後ARM逐一攻陷其他手機廠商,差不多所有手機都是用ARM。與Intel自已生產CPU不同,ARM其實是一個IP智識產權公司,ARM開發CPU的程式,然後授權給其他公司生產,每台電話都收取專利稅。每粒CPU的利潤雖然不如Intel多,但與廠商共同建立開發生態環境eco-system,在有錢齊齊搵的大前提下,各手機廠商都樂於和ARM合作。雖然人人都用ARM,但有不少生產商可供選擇,不怕有像Intel壟斷市場後,獨市生意抬高價值的問題。

蘋果今日貴為全球最有錢公司,但當年教主第一次出走後幾乎破產。教主回歸蘋果重新掌舵,展開救忙大行動,賣掉了ARM的全部股份,把資金投放在iPod開發上。當年蘋果出手救了ARM,現在輪到ARM救蘋果。蘋果手提開發部早對ARM十分熟悉,iPod很自然源用ARM的晶片。iPod取很空前成功,然後就是Newton的終極完全版,遲來了二十年的iPhone,從此改寫了手提電話的歷史。三星與ARM亦很有淵源,早在2G手機年代便已用ARM,更把ARM用自家mp3機和DVD機上,從低能手機過渡至智能手機,很自然繼續便用ARM。有玩開Andriod旗艦機的朋友,都聽過Qualcomm的Snapdragon晶片,裏面的程式都是ARM授權生產。當年Qualcomm發明CDMA通訊技術,是整個3G/4G手提通訊的理論基礎,它從radio晶片做起,一路從外至內把radio與CPU整合。

說來諷刺,最初Qualcomm是原本與Intel合作,不過Intel嫌手機市場太細,賺不到錢索性退出市場,把Qualcomm拱相讓給ARM。當年蘋果整初代iPhone,同樣也是打算和Intel合作,Intel亦用同一個理由推掉,結果Intel白白錯過整個手機市場。不過看ARM的歷史,學懂了一件事,在高科技行業的世界中,技術實力固然是必要的本錢,但一間公司最後能否成功,最重要還是要講運氣。ARM轉捩點的幾單大生意,不論是蘋果還是Nokia,基本上ARM都不是首選。可是首選交不出貨,ARM冷手執過熱煎堆,然後一切才成為歷史。今年九月日本軟銀集團,宣告全面收購ARM,目前還等候政府批準合併,不知道ARM的未來會如何,一代手機王朝會否從此衰落?

真空管捲土重來

除非是Hi-Fi發燒友玩高級膽機,相信現在沒有多少人見過真空管。不過在半導體發開之前,上世紀五十年代的電腦,其運算器便是由真空管組成。當年的電腦體積龐大耗電驚人,其中美軍用來計算原子彈設計的ENIAC電腦,便佔用地方二千尺,使用了一萬八千個真空管,據說開機時會令費城所有電燈暗下來。真空管的樣子看起來似電燈膽,事實上真空管是電燈膽的副產品,當年愛迪生研究電燈膽時無意發現的。真空管的運作原理很簡單,它有三隻腳,一隻正極另一隻負極,第三隻腳則是正負極的開關。如果第三隻腳通電,正負極便有電流通過,若第三隻腳不通電,那正負極則不通電。其本上任何邏輯運算元件,都可以利用這零與一的開關砌出來。

半導體發明後,不論是體積,速度還是耗電,各方面都比真空管遠遠優勝,很快真空管便被淘汰了,從此電腦是半導體的天下。只有少數講求高電力輸出的應用,如音響和雷達系統之外,因半導體只能輸出低電力的緣故,才有必要繼續使用真空管。半導體邏輯運算的建造原理,與真空管年代並沒有改變,同樣都是用零與一的開關砌出來。分別只是零一開關以半導體來構造,在半導體結晶中加入不同的氧化雜質,讓電流控制其電阻值,從而製造出微型的電流開關。隨著半導體技術越來越進步,零與一開關的體積越來越細,去到只有十幾納米的時候,半導體中的雜質限制電子流動的速度,令開關的速度不能再提升。從前晶片的時脈每幾年翻兩翻,但自Pentium 4後已到了樽頸位,近十年時脈的速度差不多可說是停滯不前。

世事總是一個循環,當年半導體淘汰了真空管,到了今天半導體技術走到樽頸,卻走回來向真空管尋求突破。NASA的科學家在最新的研究中,成功用半導體來製造納米大小的真空管。嚴格來說這不是真空管,只是把氧化雜質那層半導體挖空,讓正負極之間成為真空狀態。電子在真空中的流動速動,因為沒有其他物質的阻擋,比在半導體中快很多,可以提升晶片的時脈達一百倍,令電腦的運行速度作三級跳,延續摩爾定律的生命。不過更突破性的應用,是可以打開THz的頻譜。這個頻譜位與微波(如無線電話)與雷射(如光纖)之間,目前沒有任何的量產技術能收發這頻譜。如果真空半導體THz收發技術成功投產,不單可以用來提高通訊的速度,還可以用這個頻譜可作透視檢查,因為這個波長可以穿透塑膠和布料,又不會如X光般強力放出輻射。

如果明年沒有新iphone,摩爾定律的盡頭

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如果明年沒有新iphone,不止明年,後年,大後年,以後也不會有,不單止沒有iphone,所有智能電話,平版,手提電腦,甚至所有科技產品,都不會推出新一代,就算出了功能也與舊年的一樣,只不過改外殼轉個顏色,那會是一個怎樣的世界呢?我們習慣了科技產品不斷推陳出新,早幾年智能電話仍是單核,現在低階機也有雙核,旗艦級更是四核甚至八核。科技產品每過兩年功能倍翻,我們視之為理所當然的事,可是科技產品不可能永無止境,幾何級數的提升性能,而盡頭也許比我們想像的近。

過去半個世紀電腦的飛快發展,可謂全靠Intel創辦人Gordon Moore提出的Moore’s Law(摩爾定律)。摩爾定律有很多不同版本,全部的大意都是說,每十八個月(有一說法是兩年),半導體的功能會翻增兩倍,或曰同一大小晶片能放兩倍的運算單元,相同的成本能獲得兩倍的運算能力。摩爾定律並不是物理定律,只是Gordon Moore對科技行業的觀察,因為科技公司競爭激烈,要在行業中生存,只有不斷研究創新,搶先推出比對手更快更好的產品,於是摩爾定律成為自我實現的預言。

新一代電腦比舊一代快,主要是因為半導體技術進步,晶片邏輯閘的越縮越細小。用Intel的CPU舉例, 二十年前第一代Pentium,晶片上每個邏輯閘的大小是800nm(納米),今年最新的Core i3/5/7,邏輯閘只有22nm,二十年之間半導體技術足足縮小了三十六倍。隨著邏輯閘越來越微小,每個邏輯閘只有幾個分子的大小,已接近物理極限,不可能續繼縮小下去。科學家們一至公認,傳統基於矽的半導體,最小只能夠去到5nm,再細的話傳統物理學並不適用,進入未知的量子物理學的領域。

除了純科學技術上的問題,更大的問題是經濟學上的阻力。每一代晶片工廠造價越來越貴,例如Intel最新的14nm晶片工廠,便花費了五十億美元的天價,而且還問題多多,遲了成年也不能投產。未來除了Intel,台積電,三星等少數業界巨頭,恐怕沒有多少間科技公司,有財力興建10nm以下的晶片工廠。以往推出每一代新晶片技術,都令晶片的運算成本下降,所以科技公司也樂於投放資源於新一代技術。可是這個下降趨勢在28nm到22nm停止了,22nm的成本與28nm大約相同,而14nm的成本預計會不跌反升。這一來很多科技公司會因成本考慮,會選擇停留在28nm或22nm技術,少了公司攤分14nm的開發成本,簡接令14nm晶片的造價更加昂貴,而這個問題在10nm只會更嚴重。電腦巨人IBM便是主要因為成本問題,把晶片工廠賣掉,索性退出了半導體行業。

當電腦科技發展停滯不前,會對我們有什麼影響?首先我們不用每兩年換新電話,亦不用擔心部舊電腦會過時,電子廢物會大幅減少。電腦業會變成汽車業般的成熟行業,去年和今年的車款,除轉了車頭轉子尾燈外,規格基本上大致相同,買一台汽車可以用十幾年。程式軟件行業將會重視瘦身和優化,以前我們習慣了寫擁腫執行緩慢的程式,最緊要趕快出街搶市場佔有率,反正與其花一年時間優化程式,不如等明年新晶片推出,速度慢的問題便會自已消失。晶片設計行業亦會發展薘勃,若果軟件在CPU跑得太慢,只好把功能放進硬件來加速,反正若以某特定的運算能力來計算,在汎用的CPU跑軟件是極之沒有效率。

那我們離電腦科技的盡頭還有多少時間呢?目前28nm是主流技術,只有Intel領先同業在用22nm,接下來還有14nm,10nm,7nm三代技術在開發中,5nm成本可能太高以致無法量產。摩爾定律已有減速的趨勢,若果新一代技術平均要兩三年,那我們大約還有十年的時間。除了把半導體的體積縮小外,還有其他技術可以增加運計效率,如3D邏輯閘,多層晶片,低電壓低電阻晶圓等等,但那些技術並不能帶來幾何級的增長,加起來應該可以延命多十年。那我們最多只有二十年的時間,去研發矽半導體的替代品。替代品將會是什麼,納米碳管,超導體,量子電腦?我不知道那個技術最終會跑出,亦不知道能否及時投產,把摩爾定律延續下去,未來我會在這個專欄,為讀者一一介紹那些新科技。

那我身為一個電腦人,如何面對後摩爾定律時代的來臨呢?二十年後,大慨我可以退休,這個問題,留給下一代的電腦人去解決好了。