文|陳述根本 陳根
在6月7日凌晨召開的蘋果2022年全球開發(fā)者大會（WWDC）上，蘋果全新一代自研芯片M2和首批搭載該芯片的新款筆記本電腦Mac Book Air如約而至。無疑，M2芯片是蘋果本次大會的發(fā)布重點，雖然M2芯片沒有M1芯片誕生時那種從無到有的開創(chuàng)感，但依然給人以驚艷。
從2010年拿出首款自研手機芯片A4開始，圍繞著蘋果芯片實力的爭議始終未曾間斷。如今，隨著蘋果M系列芯片的推出，Mac電腦幾乎已經(jīng)完成了從intel芯片向自研芯片的轉(zhuǎn)換。如今，專為Mac設(shè)計的M2，讓Mac性能再次進化。這意味著，蘋果的本地計算能力、芯片生態(tài)正在進一步深入。
從無到有，從有到優(yōu)，蘋果正在邁向“芯”自由。
蘋果的“芯”窘境
更早以前，蘋果芯片也曾處于受制于人的窘境。
1984年，蘋果在發(fā)布的Macintosh個人電腦中搭載了摩托羅拉68000系列處理器，這是史上最早使用32位指令集的處理器之一，集成了6萬8千顆晶體管，是同時代英特爾8086產(chǎn)品的兩倍，其性能可以稱得上是業(yè)內(nèi)頂尖。
然而，在此后的幾年里，隨著SUN、DEC、英特爾等玩家相繼拿出性能更強的處理器產(chǎn)品，摩托羅拉的芯片開發(fā)進度一再落后，修修補補的Macintosh已經(jīng)跟不上時代了。為了保持產(chǎn)品領(lǐng)先，蘋果最終決定，自己造芯片。而這一重任，落在了蘋果高新技術(shù)小組ATG的頭上。蘋果的第一次“造芯”嘗試，就始于ATG。
但事實并沒有如意，對于首次自研芯片，蘋果大膽地采用了了無高速緩存（Cache）設(shè)計，只保留很少的片上內(nèi)存，由軟件管理存儲。而最后也證明，這是一款并不符合技術(shù)發(fā)展路徑的芯片。在燒光了上千萬美元卻始終無法拿出可落地的項目后，1989年，蘋果不得不叫停了芯片項目，解散了相關(guān)團隊。
自研芯片的慘淡收場下，蘋果只能選擇與芯片大廠合作。1994年，蘋果公司認定了IBM的PowerPC處理器，一用就是10年；2005年，喬布斯與英特爾CEO歐德寧共同登臺，宣布Mac將采用英特爾處理器，一用就是15年?？梢哉f，蘋果最輝煌的日子，基本都是英特爾陪著一起走過的。
而在那個年代里，憑借兼容和授權(quán)模式搶占市場，微軟和英特爾幾乎壟斷了芯片市場，建立起牢不可破的“Wintel”聯(lián)盟。在Wintel體系中，下游整機廠左手高性能芯片，右手最新款操作系統(tǒng)，依靠高度產(chǎn)業(yè)分工，自己只要做好組裝銷售，就能在廣闊的時代紅利面前賺到足夠的錢。
惠普、戴爾，包括后來的聯(lián)想，都受益于此。貿(mào)工雖然好，但一個不可回避的問題卻是：只賺不到5%的毛利，卻要受95%的限制；明明芯片交付延遲，自己卻要為之背鍋，打亂產(chǎn)品節(jié)奏。
比如， 2003年，喬布斯在推出搭載PowerPC處理器的Mac時說，十二個月內(nèi)處理器的頻率就會達到3GHz，但實際上在24個月之后，3GHz的處理器依然不見蹤影。這個鍋，雖然是IBM的，但是卻要蘋果來背。原因無他——核心零部件被別人攥在手里。
后來，蘋果雖然與英特爾搭伙配合，開始十年里，英特爾的確在摩爾定律下，與蘋果友好協(xié)作。但隨著摩爾定律的推進逐漸進入瓶頸期，英特爾對于滿足蘋果的需求也愈發(fā)吃力。
英特爾的“14nm”已經(jīng)用了六年，雖然2020年10nm處理器也陸續(xù)落地，但其仍舊集中在筆記本市場的移動處理器領(lǐng)域，而代表其消費級最高水平的10nmPC處理器仍然遙遙無期。英特爾稱自己的14nm工藝也有性能上的顯著提升，但事實是，英特爾與臺積電、三星在制程工藝上的差距在越拉越大。
AMD憑借Zen2架構(gòu)和臺積電7nm工藝加持，在PC市場中連連獲得消費者好評，同樣的功率下，AMD架構(gòu)能提供更強的性能。而英特爾在不改變制程工藝的前提下，只靠提升主頻來提升性能，已經(jīng)遠遠不能滿足蘋果的需求了。不僅如此，從2018年三季度開始，英特爾還時不時地出現(xiàn)缺貨，即便在2018年底做出承諾提升產(chǎn)能，但缺貨的問題直到2019年一季度結(jié)束仍然沒有得到解決。
在這樣的背景下，顯然，對于蘋果來說，只有把芯片核心技術(shù)把握在自己手中，才能擺脫受制于人的窘境。
蘋果芯片從有到優(yōu)
2010年4月，蘋果秘密自研的A4芯片正式登臺亮相。之后十年，蘋果逐漸建立起了屬于自己的芯片帝國。
A4芯片推出的兩年后，2012年，iPad第一次用上了蘋果自研芯片A5X，從此，以X作為結(jié)尾的A系列芯片就成為了iPad系列產(chǎn)品的專屬。芯片性能的發(fā)揮，很大程度上受制于設(shè)備的散熱規(guī)格，散熱越強，芯片運行主頻越高，芯片性能就會隨之提升，iPad得益于更大的體積空間，可以放入更高規(guī)格的散熱系統(tǒng)，從而也讓X結(jié)尾的A系列芯片的性能相較于同代A系列又有大幅提升。
2013年的A7芯片開啟了手機處理器的64位時代。A7芯片使用了蘋果自家的Cyclone架構(gòu)，采用28nm工藝，主頻1.3GHz，其處理器的性能比iPhone5上的A6快2倍，是初代A4的40倍，圖形能力是初代A4的56倍。也就是這一年，蘋果A系芯片的霸主地位正式確立，一眾安卓8核旗艦手機被A7的6核心“按在地上摩擦”。高通、聯(lián)發(fā)科面對蘋果A系芯片，在當時可以說毫無還手之力。
四年后，A11Bonic仿生芯片的推出，讓智能手機跨入了AI時代，神經(jīng)引擎的加入，通過算法進一步提升了手機全方位的功能和體驗，如AR、人臉識別、圖像合成都成為現(xiàn)實。而也是在A11上，蘋果第一次采用了自己設(shè)計的GPU核心。A11采用了臺積電當時最先進的10nm工藝制程，擁有43億個晶體管，大核性能相比A10提升25%，GPU性能較A10性能提升30%，而功耗則降低了50%。
從芯片自給自足開始，蘋果每次都保證自己的A系采用當時最先進的制程工藝，從而保證較為出色的能效比。A系列芯片成功的背后，從收購專利到高薪挖人，蘋果造芯的決心可見一斑。
要造芯片，沒有底層架構(gòu)自然不行，于是，蘋果花費巨資，從Arm那里直接買來了當時最高等級架構(gòu)授權(quán)。有了底層架構(gòu)，接下來就是集齊硅谷“將相良才”在上面搭建起屬于自己的芯片。
2008年，蘋果2.78億美金收購P.A.半導(dǎo)體，打響了芯片自研的第一槍，其產(chǎn)品也成為了后來A系列芯片的前身。緊接著，蘋果又以1.2億收購Intrinsity，兩家公司加起來，一共為蘋果帶來超過250位優(yōu)秀工程師。此外，做閃存控制器的Anobit公司，做通信芯片的Passif半導(dǎo)體，飛思卡爾的200余項專利，也在日后相繼被蘋果收入囊中。
能收購企業(yè)，蘋果絕不只是收購專利；但如果遇到收購不了的企業(yè)，蘋果就高薪挖人。蘋果主管硬件的高級副總裁Johny Srouji，曾在英特爾和IBM擔任研發(fā)經(jīng)理。在蘋果只工作了兩年，就帶頭研發(fā)出了A4和A5芯片架構(gòu)的Jim Keller，則出自AMD，同時也是日后“銳龍”團隊的負責人。加上AMD的Bob Drebin，ATI的Raja Koduri，IBM的Mark Papermaste，星光熠熠的蘋果芯片大軍背后，其實是整個美國芯片設(shè)計的群英薈萃。
屬于蘋果的芯片帝國
如果說A系列芯片構(gòu)成了蘋果智能手機的基礎(chǔ)，那么W系列、S系列芯片則構(gòu)成了蘋果的智能耳機、智能手表的品類基礎(chǔ)，也讓這些設(shè)備在底層實現(xiàn)打通。蘋果的智能產(chǎn)品生態(tài)，也逐漸枝繁葉茂。
除此之外，M1芯片則是蘋果打開的再一個時代。2020年，蘋果發(fā)布了自研芯片Apple Silicon的第一代產(chǎn)品——M1芯片。首批搭載M1芯片的Mac產(chǎn)品共有三款：MacBook Air、13寸MacBook Pro和MacMini。
要知道，優(yōu)化芯片的功耗（Power）、性能（Performance）和面積（Area）是設(shè)計芯片的重要準則。比如，為了提升芯片的性能，可以加入多級流水線、增加總線寬度、或者增加各種硬核處理單元，但此時就很有可能會付出更高的功耗、以及更大的芯片面積作為代價。反之，如果想要設(shè)計低功耗的芯片，那也很有可能需要犧牲一部分芯片的性能。也就是說，在實際工程實踐中，功耗、性能和面積往往都是相互折中、互相平衡的關(guān)系。
然而，蘋果的M1芯片卻展現(xiàn)出了功耗、性能和面積兼顧的效果。在高性能和低功耗這兩個往往此消彼長的維度里，M1芯片同時取得了極大的提升。除了CPU之外，M1里的GPU也取得了類似的性能提升和功耗下降。蘋果表示，M1有著當前世界上最好的CPU每瓦性能，以及當前世界上最快的集成顯卡。
究其原因，一方面，M1是目前世界上第一個、也是唯一一個使用了臺積電5納米工藝的筆記本處理器芯片，其中包含了160億支晶體管。根據(jù)臺積電的數(shù)據(jù)，和前一代的7納米工藝相比，使用5納米工藝制造的晶體管：密度提升80%，速度提升15%，功耗降低30%。有了新的制造工藝，就可以在芯片面積保持不變的情況下，往一顆芯片里塞進去更多的晶體管，并且功耗更低、性能更高。
另一方面，蘋果的UMA結(jié)構(gòu)中，讓原本在電路板上的內(nèi)存顆粒，整合到芯片的封裝里。這使得芯片上的CPU、GPU、AI引擎都能夠更快的訪問到內(nèi)存，同時也大幅降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓摹４送?，各個模塊之間可以共享內(nèi)存，也省去了很多數(shù)據(jù)搬運、拷貝的開銷。
此外，更重要的是，蘋果M1芯片協(xié)同深度優(yōu)化了蘋果軟硬件——至今，結(jié)合軟硬件、操作系統(tǒng)和生態(tài)做深度優(yōu)化，都是蘋果獨有的。蘋果M1芯片的發(fā)布，正式完成了這個生態(tài)的閉環(huán)，事實上，正是這種封閉的生態(tài)才有可能成就像M1芯片這樣的技術(shù)。
而此次蘋果全球開發(fā)者大會2022中，根據(jù)蘋果的介紹，M2芯片采用5nm制程，集成了200億個晶體管，比 M1 多出 25% 。相比上一代M1，M2的性能高出18%。M2在性能增強的基礎(chǔ)上，功耗做到了進一步降低。蘋果聲稱，M2同功耗下的性能是最新10核PC筆記本電腦芯片性能的1.9倍。
看起來，M2更像是M1的升級版。而搭載了這顆新芯片的MacBook Air，外觀進行了重新設(shè)計，一改過去堅持了十多年的楔形形態(tài)，采用了直角切邊使外觀更方形，更接近于MacBook Pro。
但無論如何，從兩年前蘋果宣布桌面芯片自研計劃，宣布用兩年時間完成從英特爾芯片向蘋果自研芯片的過渡至今，“兩年之約”里，蘋果都如愿擺脫了英特爾的束縛，幾乎實現(xiàn)了Mac產(chǎn)品線自研芯片的全面替換。并且，不論是前無古人的 M1 系列芯片，還是逐步下放到 IoT 的 A 系芯片，都使蘋果的硬件擁有了幾近一致的體驗，并在此基礎(chǔ)上建立出了所謂的生態(tài)。
從無到有，從有到優(yōu)，蘋果能收獲那么多關(guān)注，成為帝國一般的存在，不是沒有理由的。