用ARM公版就能搭出手机芯片SOC吗？
咱们先聊聊ARM公版到底是什么。
ARM公版：SOC的“心脏”和“大脑”
ARM公司自己不生产芯片，他们是IP（Intellectual Property，知识产权）授权商。你可以把ARM比作一个发动机设计公司，他们设计出各种性能、功耗、尺寸各异的发动机（CPU核心，比如CortexA系列、CortexR系列、CortexM系列），然后把这些设计图（IP核）授权给其他芯片设计公司。
这些CPU核心就是SOC（System on a Chip，片上系统）的“心脏”和“大脑”。它们负责执行指令、处理数据，是整个芯片最核心的计算单元。ARM提供的这些CPU IP核，经过了非常精密的架构设计和验证，拥有很高的性能和能效比，这是它成为手机SOC首选的原因。
除了CPU核心，ARM还提供其他IP核，比如：
GPU（图形处理器）IP核： 负责图形渲染，让手机屏幕上的画面动起来。ARM的Mali系列GPU就很常见。
ISP（图像信号处理器）IP核： 负责处理摄像头传感器采集的原始图像数据，转换成我们看到的照片。
AI加速器IP核： 比如ARM的Ethos系列NPU（神经网络处理器），用于加速AI运算，比如人脸识别、语音助手等。
其他IP核： 比如内存控制器、I/O控制器、安全相关的IP核等等。
所以，ARM公版提供的是SOC的核心“乐高积木”——那些最关键、最复杂、最需要技术积累的IP核。
为什么说“ARM公版不能搭出手机芯片SOC”？
这就好比你有了宝马的发动机，但你不可能直接开着这台发动机上街。你需要车架、轮胎、变速箱、车灯、座椅、刹车系统……所有这些组成了完整的汽车。
在SOC领域，ARM公版提供的CPU、GPU等IP核，也仅仅是“一块块”的设计。要想把它变成一个能够工作的手机芯片，还需要很多很多东西：
1. 互联总线（Interconnect）： CPU、GPU、内存控制器、各种外设IP核之间需要一个高效的“高速公路”来通信，这就是互联总线。ARM提供了一些标准的互联IP（比如CCI、NIC），但实际设计中还需要根据整体架构进行定制和优化。
2. 外设IP（Peripherals）： 手机SOC需要连接各种外部设备，比如：
显示控制器： 连接屏幕。
相机控制器： 连接摄像头传感器。
存储控制器： 连接闪存（ROM/NAND）和内存（RAM，比如LPDDR）。
通信模块接口： 连接基带芯片（处理蜂窝网络通信），或者直接集成蜂带功能。
USB控制器、SD卡控制器、音频编解码器（Codec）、触摸屏控制器 等等。
这些外设IP，有些ARM也提供，但更多的是由SOC设计公司自己去集成，或者从第三方IP供应商购买。
3. 电源管理单元（PMU）： 手机芯片的功耗是重中之重。PMU负责管理芯片的各种电压域、时钟门控，让芯片在不同工作状态下都能保持最高的能效比。这是一个非常复杂且关键的模块，通常需要专门的设计。
4. 安全模块： 现代手机芯片都需要强大的安全功能，比如TEE（Trusted Execution Environment，可信执行环境）、加密引擎、安全存储等。这些是保障用户数据和隐私的关键。
5. 物理IP（PHY）： 这些是与物理世界打交道的接口，比如USB PHY、PCIe PHY、DDR PHY等。它们负责将数字信号转换成适合高速传输的模拟信号。这些IP通常需要与特定的制造工艺紧密结合，由芯片设计公司或Foundry（晶圆厂）提供。
6. 时钟和复位管理（Clock & Reset）： 整个芯片的各个模块都需要精确的时钟信号和复位信号来同步工作。这个设计同样非常重要。
7. 其他各种控制逻辑和接口： 比如中断控制器、DMA控制器、调试接口（JTAG）等。
SOC设计流程：比搭乐高复杂得多
将这些IP核“搭”在一起，形成一个完整的SOC，这个过程叫做“SOC集成”或“SOC设计”。它涉及到：
架构设计： 确定各个IP核如何连接，数据流如何组织，如何最大化性能和能效。这需要深厚的计算机体系结构知识。
IP集成： 将各个IP核按照标准接口（如AMBA AXI、AHB）连接起来。
验证（Verification）： 这是整个过程中最耗时、最烧钱的部分。需要编写大量的验证程序，模拟芯片的各种工作场景，确保所有功能都按照设计正常工作，没有bug。一个不严谨的验证，就可能导致芯片无法量产，或者在实际使用中出现严重问题。
布局布线（Place & Route）： 将逻辑设计转化为物理版图，安排每个晶体管和连接线的位置，需要考虑时序、功耗、信号完整性等问题。
流片（Tapeout）： 将设计文件提交给晶圆厂进行制造。
测试（Test）： 芯片制造完成后，需要进行严格的功能和性能测试，筛选出合格的产品。
ARM的生态系统：不仅仅是IP授权
ARM公司不仅仅提供IP核，他们还提供了一个庞大的生态系统，包括：
开发工具链： 编译器、调试器、性能分析工具等，帮助开发者更高效地使用ARM架构。
参考设计和验证平台： 帮助芯片设计公司快速启动项目，降低开发风险。
技术支持和咨询： ARM的技术专家会为客户提供设计和优化的指导。
总结一下：
ARM公版（主要是CPU、GPU等核心IP）是构建手机SOC的 基石 和 最重要的组成部分 ，就像汽车的发动机。 但是，你无法仅仅依靠ARM的公版IP核就搭出一个完整的、可以工作的手机芯片SOC。
一个完整的手机SOC，还需要大量的其他IP核（包括ARM提供的以及第三方或自研的）、精密的互联设计、电源管理、安全模块、大量的验证工作，以及与晶圆厂的紧密合作。
所以，说“用ARM公版就能搭出手机芯片SOC”是不准确的。更准确的说法是，“基于ARM的公版IP核，通过高度复杂的SOC设计流程，才能搭出手机芯片SOC。” 像高通、联发科、苹果（虽然苹果是自己设计CPU核心，但其架构仍基于ARM指令集）这些手机芯片巨头，它们购买ARM的CPU/GPU IP核，然后自己设计其他关键IP，并进行大量的系统集成和验证工作，最终才能生产出我们手机里用的高性能SOC。
网友意见
好，来解答下这个问题。
一、先解释下一款SoC是怎么研发出来的？
智能手机的CPU绝大多数是基于ARM的指令集设计，而且很多是直接采用了公版内核，例如A15、A53、A57、A72。于是有些人就认为ARM掌握了芯片核心技术，其他厂商只需要买来ARM的公版内核组装一下就行了，反正有台积电这样的代工厂制造。所谓的8核处理器，就是8个ARM内核搭在一起。
可实际上呢？ARM只是给下游厂商开放了CPU核心架构的Verilog代码、标准指令集，跟工艺不相关。如果要把ARM提供的东西做成一个SoC芯片，需要自己根据工艺的不同定制标准单元库（触发器、与非门）和memory，自己做后端Floorplan。简言之，ARM提供的CPU仅仅是一个计算核心，并非手机芯片的全部，其他外围设计都需要自己解决。也就是说，除了CPU以外，还需要自行设计包括GPU、总线、显示加速器、ISP、视频编解码器、音频处理器、Memory控制器、传感器处理单元，以及DDR、Flash、显示接口、Camera接口、射频RF、USB等对外接口。
要在一部只有手掌大小的智能手机上实现满足人类信息化生活的大部分功能，系统级芯片（SoC）设计变得极其复杂。首先，一款手机SOC,集成上百种IP，要按时完成设计，架构设计上既需要避免各个模块互相耦合以降低设计复杂度，同时还需要保证各个模块配合工作时可以发挥出最佳性能，对设计人员是很大的挑战。其次，控制手机的功耗，提升手机续航能力，实现手机的最佳能效比。要做到这两点，除了要准确掌握ARM等厂商的产品开发进度外，还需要自研很多核心器件，同时软硬件协同能力也需要足够强劲。例如全链路QoS技术，保证优化CPU&GPU对Memory访问性能的同时，不出现显示花屏、拍照花屏等情况；再次，封装能力，麒麟高端SOC均采用业内主流的POP（Package On Package）封装技术，实现DRAM和SoC的3D堆叠，既可提高集成度，确保产品的轻薄短小，又可保证高性能的高速存储，是一项非常复杂的封装技术。最后，还不能忽略先进的制造工艺，需要芯片厂商从技术和应用角度跟进。
CPU 只是SoC的一个重要模块。如果将手机芯片比作一辆车的话，那么ARM提供的CPU只是一辆车的发动机原型，无法正常工作。你需要造一辆车出来，还得搭配上其他的底盘零部件、车身零部件、电气零部件等等才行，同时你还需要设计车的外观以及这些零部件在车内的组合结构，以及制造工艺能力。这过程中少一个螺丝或是任何一个环节的纰漏，都是功亏一篑。
二、再来讲讲华为麒麟950有什么核心技术。
1）为什么采用ARM内核？
首先纠正一个错误观点：有些人看到高通和三星采用自研的CPU内核就觉得他们厉害，而麒麟950 采用ARM公版就显得没水平，这其实是一个非常大的误解！试问大家，智能手机的核心需求是什么？其实归纳起来就两个词：好用和耐用，也就是性能和功耗要达到平衡。是采用自研内核还是公版，还是要根据手机本身对能效比的需要制定的，这才是从用户体验角度出发的设计。
麒麟950采用了4个A72和4个A53，主频最高为2.5GHz，可以说是从性能和功耗平衡的角度来综合考虑的结果（骁龙810、820及三星8890均有功耗太大或发热等问题）。A53功耗较低，而A72相比A57有约1.8倍的性能提升，在同样的工作负载下，功耗降低50%左右，大小核搭配可使性能提升，同时功耗更低。A72在2015年2月份发布，按照ARM内核引入后十个月左右的研发流程，麒麟950 SoC正好踩到了时间点上。没有华为芯片强大的SoC设计能力以及对ARM内核开发时间节奏的精准把握是很难办到的。
2）自研设计部分。麒麟950并不是采用完全的公版CPU。ARM的核只是一个标准化的软核，芯片厂商要根据自身的定位，定制标准单元库（触发器、与非门）和Memory，自己做物理实现，才能达到最终能效比。有时候，为了能够达到最佳能效，仅Floorplan就要试验上百次，更不要提版图的绘制次数了。自研部分，从最底层的物理设计到上层软件控制，都需要大量开发工作，整个Soc基础架构包括CPU、互连和Memory系统三个部分，麒麟950的后面两个都是华为自己做的，硬件方面包括ISP和基带等也是自己研发。
3）常感知协处理器。麒麟950 SoC还增加了一颗业界性能最强的智能感知处理器i5，与大小核协同共享资源，由主系统进行智能调度，并能够以极低的功耗，使手机处于Always Sensing（“常感知”）的状态，消耗的电量远远低于主CPU。
4）基带部分。当前手机芯片为了实现低功耗而高度集成，基带也成了SoC的一部分，这其中的关键在于，基带集成到SoC上能够使PCB面积减少，管理更方便且成本更低，同时通信模块和系统之间数据交互效率更高，可靠性也更高。麒麟950 SoC集成了自研的基带，才使得华为Mate 8实现了性能和功耗的高度平衡。基带集成代表着芯片厂商SoC的开发水平。
5）工艺方面。华为麒麟950采用了业界顶尖的TSMC 16nm FinFET plus制造工艺，是业界首款采用TSMC 16nm FinFET plus工艺的手机SoC，表明华为芯片的设计能力站上了业界顶尖的行列。有人可能认为，16nm工艺是TSMC的本事，跟华为麒麟有什么关系呢？但实际上，制造工艺是在SoC设计时就需要考虑的因素；而要采用最先进的制造工艺，设计厂商需提前完成大量的前期研发和IP储备，而这些麒麟950都做到了。这同样是一个复杂的话题，需要另外一篇长文才能说清楚。
6）知识产权方面。麒麟950实现了CPU、总线、显示处理器、Memory控制器、GPU、Video编解码器，Camera ISP 、Audio 处理单元，传感器处理单元、存储接口的高度集成和低功耗设计，拥有完全的知识产权。CPU是采用ARM的公版，后续的设计专利则是华为芯片拥有。我们认为自主创新并不是推倒一切重来：铅笔和橡皮是创造，在铅笔上加橡皮，就是创新。
结语
ARM只是掌握了CPU的核心技术，整个SoC还包括芯片的软硬件开发、系统设计、研发全流程掌控以及芯片制造等。举个例子：音符是大众都知道的，但是要谱出好的乐曲，不是一般人可以完成的。ARM只是写了音符，怎么谱写乐曲还要靠芯片厂商，谱曲很多厂商都会，谱的好听就难了。这是大多数厂商无法自研芯片的关键原因。
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