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來源：半導體行業觀察 2015年7月14日19時49分，一艘飛行器掠過曾經隸屬九大行星的冥王星，為它拍下了一組“證件照“，而后發出的信號穿越60億公里的路程，最終抵達NASA總部，經由處理后公布在網上，數十億普通人得以一見這顆神秘星球的真容。 這艘飛行器就是新地平線號，它的時速高達約5.8萬千米/小時（約16千米每秒），也是迄今為止人類發射的速度最快的太空飛行器，從2006年地球發射到2015年飛越冥王星，花了整整9年多時間，在經歷了孤獨而又漫長旅行后，終于掀起了浩瀚宇宙的一角。 驅動新地平線號的，并不是什么頂尖的高算力芯片，而是一顆普普通通的MIPS R3000處理器，這顆處理器最早于80年代末搭載于工作站和服務器之上，而最出名的用途莫過于1994年發售的游戲主機PlayStation，賣出了1億多臺的它直到新地平線號發射那一年才正式宣布停產。 當新地平線號無限接近冥王星的那一刻，擁有同一顆芯片的PS1正在壁櫥的某個角落里蒙上灰塵，而當時發售的PS4，已經有千倍萬倍于R3000的性能，輕松驅動著以往數十臺高性能計算機才能渲染出來的畫面，誕生于上世紀的游戲主機見證了一場計算革命。 而在算力進化的背后，是延續到今天的幾大處理器架構，還有半導體產業在日美兩國的興起衰落，游戲主機的背后，就是一場微縮的芯片戰爭。 01 MOS 6502傳奇與日本崛起 1973年，35歲的Chuck Peddle加入摩托羅拉，負責研發和銷售著名的6800處理器，當6800正式上市時，售價高達360美元，而Peddle認為這個價格已經超出了普通家庭的承受能力，此時的他萌發出簡化6800架構設計，推出低至50美元廉價芯片的想法。 但他的嘗試很快就被摩托羅拉高層叫停，因而6800上市后不久，Peddle就帶著自己早期的芯片設計方案離開摩托羅拉，轉投競爭對手MOS Technology（MOS），在這家公司，Peddle和同事成功完成了6800的簡化版本6501微處理器，由于引腳相同，甚至可以在6800的電路板上直接換插，這也導致摩托羅拉和MOS訴諸公堂。 結果當然是MOS告負，不得不在6501的引腳配置上進行了調整，1975年下半年，6502微處理器正式發售，售價25美元，只有摩托羅拉6800和英特爾8080的六分之一。 便宜的價格引起了質疑，美國的《電子工程時報》刊載了一篇對Peddle的采訪報道，題目為《我們是否需要一塊20美元的微處理芯片？》，報道的開頭是一連串疑問句：MOS售價25美元的CPU芯片是不是燒錢換市場？若是，低利潤會不會限制他們提供軟件和服務？ 但這些質疑最終被消費市場所打破了，當廠商看到一款售價25美元且性能不遜于摩托羅拉和英特爾的處理器時，他們很快就敞開腰包向MOS下訂單，Apple I、Apple II、Commodore PET、Acorn Atom、BBC Micro……個人電腦在MOS 6502的基礎上，如雨后春筍般進入市場，在70年代末掀起了一場普及電腦的風暴。 而MOS 6502早期知名的應用中，包括了1977年雅達利發售的游戲主機Atari VCS/2600，當時個人電腦通常能賣到1000多美元，因而幾十美元的處理器不會構成什么阻礙，但對于一臺計劃售價199美元的游戲主機來說，即使是25美元的6502處理器，也過于昂貴了。 雅達利希望Peddle能為自己的游戲機供應兩塊芯片，即6502和I/O芯片（負責信號的輸入輸出），采購價為12美元，最終MOS簽下了這個單子，原因很簡單，經過計算，大批量生產芯片的物料生產成本只要4美元，雖然單顆芯片賺的比之前要少，但是規模效應反而會帶來更高的利潤。 最終搭載在Atari 2600的CPU是6502的小改款6507，與6502相比，它把40引腳封裝改為了28引腳封裝，縮減了一筆相當可觀的成本，不過這也限制了主機游戲畫面的表現力，8位CPU通�？梢砸淮卧L問64K內存，但引腳變化后的MOS 6507一次只能訪問8K內存，實際上只能做4位CPU能做的事情。 芯片性能和價格的取舍難題在個人電腦還沒完全普及前，就擺在了廠商面前，壓低成本實現規模效應，還是維持高價攫取利潤？ 不論別人怎么選，雅達利和MOS已經實現了雙贏，截至1982年，Atari 2600一共賣出了1000萬臺，這一年蘋果的Apple II銷量不過27.9萬臺，IBM個人電腦也才售出了24萬臺，可以說，沒有砍了幾刀的MOS 6502，就不會有千萬級別的主機市場。 壞消息是寒冬很快來臨，由于第三方開始自行生產Atari主機游戲，且質量極差，甚至于雅達利自己也加入到了這一隊伍當中，最終在1983年引發了一場雅達利大崩潰，商店里的主機和游戲無人問津，大量游戲公司倒閉，雅達利本身也未能幸免。 頗有些微妙的是，此時世界半導體的這座天平已經悄然傾斜，表面上英特爾、摩托羅拉和德州儀器等企業憑借先發優勢而風光無限，但日本在70年代末以舉國體制發展DRAM，成立了VLSI聯合研發體，在80年代初期迅速搶占世界半導體市場。 美國半導體行業日本企業的巨大沖擊，保大還是保小讓摩爾定律的提出者都撓禿了頭發， 事實上，一個國家半導體產業的繁榮，往往會帶動消費電子發展，而消費電子又會反哺芯片產業，由此形成良性循環，而反過來就變成了惡性循環，當雅達利大崩潰發生之際，所有供應Atari VCS芯片的企業都迎來了一場漫長的寒冬。 與之相反的是，日本半導體成為了朝陽產業，NEC、東芝、日立、富士通、三菱這五巨頭自然不用多說，夏普、索尼、松下這樣的企業也憑借芯片垂直整合的優勢迅速崛起。 當時任天堂的社長山內溥在看到雅達利的暢銷后，打算讓開發部設計一臺家用游戲主機，性能要強力到短期內任何對手都無法追上，成本還要盡可能地壓縮，最好限制在10000日元以內。 要知道80年代初的1美元約等于250日元，這也就說，要設計出一臺售價40美元且能玩游戲的主機。這是什么概念呢？1982年Atari 2600的生產成本都在40美元左右，還是后續年銷量達上百萬的情況下，前期的生產成本只會更高。 任天堂憑什么這么自信？憑的就是如日中天的日本半導體，彼時任天堂已經在1980年和夏普聯手，利用它生產過剩的計算器的芯片和液晶屏，打造出了Game&Watch，既能當電子表，又能玩簡單的游戲，售價5800日元，最終一炮而紅。 正式基于這樣的思路，開發部開始尋找能夠為主機提供芯片的日本企業，但由于成本摳得太死，在五大巨頭那里都吃了閉門羹，就算賣到百萬級別，對于大企業來說還是蚊子腿上的肉，利潤太少甚至于不值一提，有這個精力還不如多供貨幾臺大型機。 最終接下這個訂單的，是名不見經傳的理光，來為任天堂的主機提供芯片，理光向任天堂推薦了MOS 6502，即定制的理光2A03，其表示，6502的芯片面積是當時火熱的Z80的1/4，剩下的3/4可以放置其他電路，如此一來芯片價格就來到了可接受的范圍內。 值得一提的是，此時MOS已經被Commodore所收購，由于專利費用的問題，任天堂和理光走了一條“歪路”，沒有申請授權，而是直接發揮工匠精神，把專利所在的十進制校正部分電路刪去，保留了6502的其他部分，把成本壓制到了最低。 而任天堂也是抱著一把子梭哈的態度，直接同理光簽訂了300萬枚芯片的合同，至于原計劃的10000日元鑒于成本實在做不到，最終售價定在了15000日元。 任天堂的Family Computer（FC）于1983年正式在日本上市，剛上市時候的低迷并不能阻礙它本本來的光輝，隨著源源不斷的優質游戲推出，這款搭載MOS 6502的主機掀起了一場更勝于Atari 2600的家用機革命，從美國紐約到日本東京，幾乎每個中產階級家庭都在考慮購買FC，一塊1975年的芯片，在10年后以一種意想不到的方式席卷全球。 02 Z80與68000的登場 前面已經提到了兩款MOS 6502同時代的處理器，一款是Zilog推出的Z80，另一款是摩托羅拉推出的6800，后續摩托羅拉推出了對應的迭代68000。 它們在當時的流行程度并不遜色多少，但在游戲主機領域卻沒有MOS 6502來得成功，其中不僅僅是芯片價格的問題，還有主機廠商間的明爭暗斗。 先來說Z80，1974 年，英特爾 8080 處理器的一位開發者Federico Faggin 離職后自立門戶創辦了Zilog ，而他和11 位員工一起開發的第一款產品就是8位處理器Z80 ，不僅可以兼容英特爾8080 代碼，也可以執行為8080 編寫的CP/M 系統，繼承了前者開發完備的生態。 在游戲相關領域中，Z80也得以大放光彩，南夢宮推出的街機吃豆人 (Pac-Man) ，基板正是搭載了Zilog Z80，作為一款8位處理器，Z80的壽命也是罕見的廠，即使后期的街機系統例如Capcom CPS1 、CPS2 與SNK 的Neo Geo，都還在用Z80 作輔助／音效處理器，這也是當初任天堂一度考慮用Z80作為FC處理器的主要原因，相同的處理器能夠方便移植街機游戲，吸引街機玩家購買。 80年代初，Z80正式進入家用機市場，打著「將街機游戲帶到家庭」名號的ColecoVision （搭載3.58MHz的Zilog Z80A)一度是繼雅達利之后市場上最受歡迎的主機，而世嘉在1983年推出的SG-1000，也搭載了Z80A的同款——NEC780C（由NEC自家制作的Zilog Z80A），但它們在市場上的表現卻遠不如同時期的FC，原因有很多，最重要的還是任天堂利用權利金制度，拉攏了一大批日本游戲廠商來為FC開發游戲，利用自身街機開發經驗與第三方優質游戲打響了名號，而其他兩家仿佛還停留在雅達利時代，直到兩三年后才勉強跟上步伐。 再來說說摩托羅拉的68000處理器，摩托羅拉在1976年開始進行MACSS（Motorola Advanced Computer System on Silicon）計劃，1979年，摩托羅拉68000開發成功，它使用3.5微米HMOS技術（即高性能N通道金屬氧化物半導體，CMOS的前身）制造，集成了68000個晶體管，最大支持16MB內存，雖然68000還是16位處理器，但卻使用了32位內部總線，因而可以直接使用32位指令軟件，對比同時期16位處理器有不小的性能優勢。 但是68000的成本高昂，在近十年后才正式進入游戲市場，第一款搭載68000處理器的家用機，依舊是世嘉，它推出的Mega Drive搭載了摩托羅拉 68000 ( 7.67MHz)，成為第一款真正意義上的16位主機，上一代的Z80也沒浪費，變為了Mega Drive的音頻處理芯片，這個配置放在當時來看已經到了空前強大的地步。 不過，任天堂后發的SFC主機在性能上也并未陷入劣勢，此時MOS 6502已經發展出了多個變種，而SFC就選擇了依舊由理光開發的5A22，其源自 WDC公司開發的65C816，是一塊基于6502的16位處理器，主頻為3.58MHz，相較于Mega Drive，SFC還支持了更高的發色數。 可以看到，80年代的游戲主機，實質上為70年代末涌現出的各家處理器提供了一個舞臺，一枝獨放不是春，百花齊放春滿園，其中的佼佼者延續至今，被奉為經典。 而更值得大家注意的是，80年代里暢銷的FC、SFC、MD等主機，并未直接采用美國企業生產的處理器，而是選擇通過日本半導體企業進行定制，且在圖形和音頻處理部分中，日本本土企業生產的比重也相當之高。 數千萬臺的游戲主機為日本半導體帶來了源源不斷的利潤，成為了日本消費電子與半導體攻城略地，擊敗美國半導體的一個縮影。 03 流星般劃過的PowerPC和MIPS 爽口物多終作疾，快心事過必為殃。當日本企業因為游戲主機而賺得盆滿缽滿之時，忽視了自身的局限和實力后，隱患就一個接一個地爆發了出來。 說說世嘉吧，MD在北美市場取得意料之外的成功，大賣4000余萬臺，東方不亮西方亮，這也讓它堅定了搞家用機的心，而且由于68000用于多款街機基板，更方便于移植世嘉街機上的豐富陣容，最終讓世嘉下了一個決定——繼續用街機芯片。 具體配置上，SEGA SATURN使用了兩枚和CAPCOM的CPS3基板相同的日立SH2處理器，主頻為28MHz，通過分散、并行處理使土星擁有很強的數據處理能力，同時還使用了兩枚VDP芯片(VIDEO PROCESSOR)來處理畫面顯示。VDP1芯片負責2D活動塊處理，可擴大縮小、變形回轉，還可以使用軟件形式計算四角多邊形，VDP2芯片負責處理背景，有4層可放大縮小的普通卷軸，2層自由旋轉的回轉卷軸，同畫面最大顯示5層卷軸。 雙CPU加雙圖像處理器，這種配置組合拿到今天來看也是非常炸裂的，開發人員看了就頭大，移植和研發都難如登天，強調2D性能的它，很快就在索尼PS1的3D游戲強烈攻勢中敗下陣來，此時日本的半導體企業已經走向衰落，無奈的世嘉開始尋求美國企業的幫助，甚至一度打算找英偉達來定制圖形和音頻處理部分。 世嘉最終把下一代主機被定為Dreamcast，它的硬件配置比上一代合理了不少：CPU是NEC生產的日立SH4芯片，主頻200MHz 128位總線（運行32位代碼）；圖形芯片是Power VR2， 由NEC與英國Video logic公司聯合開發，每秒可計算300萬個以上的多邊形�？上У氖�，DC依舊遭遇了一場慘敗，在PS2強大游戲陣容的攻勢下，世嘉最終黯然退出主機舞臺。 于1994年崛起的索尼Playstation走上了一條與世嘉截然不同的道路，它最終選擇了MIPS作為CPU的架構，搭載了一顆MIPS-R3000A處理器，即前文中所提到的新地平線號搭載的處理器，與大部分主機相比，加入了3D圖形芯片的它擁有了更加強悍的3D性能。 這也是MIPS第一次登上游戲主機的舞臺，后續多款日本廠商的主機都搭載了MIPS處理器的定制款，包括N64的R4300，PS2的R5900等，藉由游戲主機成為了當時幾大主流架構之一。 MIPS能夠崛起，主要原因是美國計算機廠商的鼎力支持，但在風云變幻的90年代后期，SGI決定放棄MIPS架構，轉向IA-64架構的開發，并徹底剝離了MIPS業務，而和MIPS有密切合作的日本廠商也是猝不及防，合作剛有了點起色，本來還想靠MIPS架構抗衡Wintel，結果說放棄就放棄，讓MIPS架構的主機徹底沒了下文。 由于日本半導體此時只剩下一群老弱病殘，日本主機廠商們開始直接求助美國廠商，寄希望于他們能夠給予技術支持，風頭正盛的英特爾是沒指望，坐擁全球PC市場的它看不上主機這三瓜兩棗，但陷入困境的IBM卻拋來了橄欖枝。 1998年，IBM推出了世界上第一塊銅導線處理器PowerPC750，由于使用了銅導線技術，處理性能提高了近1/3，此時的任天堂恰好找上了門來，于是在PowerPC750的基礎上，IBM為任天堂的新一代主機NGC定制了Gekko處理器，該處理器使用銅導線和0.18微米制程工藝制造，運行頻率為485MHz，性能比起沿用MIPS架構的PS2主機強了不少。 而美國市場中的巨無霸——微軟也在此時正式登上舞臺，和日本廠商相比，微軟進入市場就簡單粗暴了不少，別人限于成本和功耗不敢用的x86處理器，微軟大手一揮就采購了幾百萬塊奔騰3，把它作為初代Xbox的處理器，其性能在NGC的基礎上更進一步，成為了當時市面上畫面表現最好的游戲主機。 索尼在PS2之后，也跟隨任天堂的腳步，與IBM展開了合作，開始研發Cell處理器，在索尼和IBM的預想中，是打造出如英特爾x86一般的通用架構處理器，不僅能用在下一代主機上，還能在數碼家電和服務器中發光發熱，只可惜這塊耗費了數十億美元的處理器最后被證明是一個半殘廢，自信的索尼重蹈了世嘉的覆轍。 從MIPS到PowerPC，日系廠商逐步喪失處理器之上的話語權，亦步亦趨地跟隨美國半導體企業的部分，更讓部分日本人扼腕嘆息的是，MIPS架構的處理器還有不少是由日本半導體廠商所定制生產的，但到了PowerPC之后，芯片代工生產徹底與日本無緣，想要高性能芯片？那就先交一筆遠比之前昂貴的費用吧。 崛起，然后無奈墜落，在日本半導體產業衰落之后，曾經被引以為傲的日本游戲主機，只能基于美國設計主導的芯片來做加減法，其競爭力局限于軟件而非硬件，再也不復上世紀80年代的風采。 04 尾聲 如今索尼的PS5，微軟的Xbox Series X/S，均搭載了一顆來自AMD的x86處理器，其集CPU和GPU的功能于一身，而任天堂的Switch，則是選擇英偉達生產的Tegra X1處理器，CPU來自Arm，GPU為英偉達自研。 你很難從這三款主機的其他芯片或組件中找到日本廠商的身影，甚至于Switch初版所采用的JDI屏幕，后面也悄悄換成了群創的LCD和三星的OLED，拋開微軟不談，索尼和任天堂的角色在近四十年的角色里悄然變化，從定義硬件變成了定義軟件。 當然，不止游戲主機，日本市場中的電子產品在進入千禧年之后，大量芯片和組件不再由日本企業操刀，悄然換成了其他國家設計代工的產品，日本半導體在芯片戰爭中敗下陣來，代價不光是產值和失業，還連累到了消費電子市場。 當日本半導體行業叫囂著研發2nm技術的時候，要怎么樣才能說服市場和廠商，說服他們再度推出搭載日本芯片的產品呢？ |
