蘋果芯片一號(hào)人物：拆解芯片往事

蘋果過(guò)去二十年股價(jià)飆升是由其標(biāo)志性消費(fèi)設(shè)備推動(dòng)的。它始于 iPod 和 iMac。然后是 iPhone 和 iPad。最近還有 Apple Watch 和 AirPods。

但按市值計(jì)算，這家美國(guó)最大的公司擁有的不僅僅是小玩意。在其硅谷總部，一間不起眼的房間里擺滿了幾百臺(tái)嗡嗡作響的機(jī)器和幾位穿著實(shí)驗(yàn)室工作服的工程師，蘋果公司正在設(shè)計(jì)為其最受歡迎的產(chǎn)品提供動(dòng)力的定制芯片。

2010 年，蘋果首次在 iPhone 4 中首次采用自研芯片。截至今年，所有新款 Mac 電腦均采用蘋果自己的芯片，這讓他們結(jié)束了該公司15 多年對(duì)英特爾的依賴。

負(fù)責(zé)硬件工程的約翰·特努斯 (John Ternus) 表示：“蘋果公司最深刻的變化之一，尤其是在過(guò)去 20 年里我們的產(chǎn)品中，就是我們現(xiàn)在如何在內(nèi)部開(kāi)發(fā)這些技術(shù)?！?，“當(dāng)然，最重要的是我們的芯片?！?/p>

這一變化也讓蘋果面臨了一系列新的風(fēng)險(xiǎn)。其最先進(jìn)的硅主要由一家供應(yīng)商臺(tái)積電制造。與此同時(shí)，智能手機(jī)正在從嚴(yán)重的銷售下滑中復(fù)蘇，而微軟等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手人工智能正在取得巨大飛躍。

11 月，CNBC 參觀了蘋果位于加利福尼亞州庫(kù)比蒂諾的園區(qū)，這是第一批獲準(zhǔn)在該公司芯片實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行拍攝的記者。我們有一個(gè)難得的機(jī)會(huì)與蘋果芯片部門負(fù)責(zé)人 Johny Srouji 討論該公司進(jìn)軍定制半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)這一復(fù)雜業(yè)務(wù)的情況，亞馬遜，谷歌、微軟和特斯拉也在追求這一業(yè)務(wù)。

“我們有數(shù)千名工程師，”Srouji 說(shuō)?！暗绻憧纯次覀兊男酒M合：實(shí)際上非常精簡(jiǎn)，效率很高。”

與傳統(tǒng)芯片制造商不同，蘋果不為其他公司設(shè)計(jì)芯片。

“因?yàn)槲覀儾⒉徽嬲龑?duì)外銷售芯片，所以我們專注于產(chǎn)品，”Srouji 說(shuō)?！斑@讓我們可以自由地進(jìn)行優(yōu)化，而可擴(kuò)展的架構(gòu)讓我們可以在不同產(chǎn)品之間重復(fù)使用各個(gè)部分?！?/p>

自 2010 年起為 iPhone 提供芯片

Srouji 于 2008 年加入蘋果，領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)由 40 或 50 名工程師組成的小團(tuán)隊(duì)，為 iPhone 設(shè)計(jì)定制芯片。他加入一個(gè)月后，蘋果以 2.78 億美元收購(gòu)了 PA Semiconductor，這是一家擁有 150 名員工的初創(chuàng)公司。

Creative Strategies 首席執(zhí)行官兼首席分析師 Ben Bajarin 表示：“他們將開(kāi)始設(shè)計(jì)自己的芯片：這是他們購(gòu)買 PA Semi 后的直接收獲?！?Bajarin 表示，憑借其“固有的設(shè)計(jì)重點(diǎn)”，蘋果希望“控制盡可能多的堆棧”。

收購(gòu)兩年后，蘋果在 iPhone 4 和初代 iPad 中推出了首款定制芯片A4 。

“我們構(gòu)建了所謂的統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)，該架構(gòu)可跨產(chǎn)品擴(kuò)展，”Srouji 說(shuō)。“我們構(gòu)建了一個(gè)從 iPhone 開(kāi)始的架構(gòu)，然后我們將其擴(kuò)展到 iPad，然后擴(kuò)展到手表，最終擴(kuò)展到 Mac。”

蘋果的芯片團(tuán)隊(duì)已發(fā)展到數(shù)千名工程師，在世界各地的實(shí)驗(yàn)室工作，包括以色列、德國(guó)、奧地利、英國(guó)和日本。在美國(guó)，該公司在硅谷、圣地亞哥和德克薩斯州奧斯汀設(shè)有辦公室。

蘋果正在開(kāi)發(fā)的主要芯片類型被稱為片上系統(tǒng)（SoC）。Bajarin 解釋說(shuō)，它將中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU) 和其他組件結(jié)合在一起，并補(bǔ)充說(shuō)，蘋果還有一個(gè)“運(yùn)行神經(jīng)引擎”的神經(jīng)處理單元 (NPU)。

“這是硅以及硅上的所有模塊，”Bajarin林說(shuō)。

蘋果的首款 SoC 是 A 系列，從 2010 年的 A4 進(jìn)階到今年 9 月發(fā)布的 A17 Pro。它是 iPhone 以及部分 iPad、Apple TV 和 HomePod 中的中央處理器。Apple 的另一個(gè)主要 SoC 是 M 系列，于 2020 年首次發(fā)布，現(xiàn)在為所有新款 Mac 和更先進(jìn)的 iPad 提供支持。該產(chǎn)品已達(dá)到 M3 系列。

S 系列于 2015 年推出，是一款較小的系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP)，適用于 Apple Watch。AirPods 中使用了 H 和 W 系列芯片。U系列芯片允許 Apple 設(shè)備之間進(jìn)行通信。最新的芯片 R1 將于明年初在蘋果的 Vision Pro 中上市。Apple 致力于處理來(lái)自設(shè)備攝像頭、傳感器和麥克風(fēng)的輸入，表示將在 12 毫秒內(nèi)將圖像傳輸?shù)斤@示器。

“我們可以提前設(shè)計(jì)芯片，”Srouji 說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，他的員工與 Ternus 的團(tuán)隊(duì)合作，“準(zhǔn)確無(wú)誤地制造針對(duì)這些產(chǎn)品的芯片，而且只針對(duì)這些產(chǎn)品?！?/p>

例如，第二代 AirPods Pro 內(nèi)的 H2 芯片可以實(shí)現(xiàn)更好的降噪效果。在新款 Apple Watch Series 9 中，S9 芯片提供了雙擊等不尋常的功能。在 iPhone 中，2017 年的 A11 Bionic 配備了第一個(gè) Apple Neural Engine，這是 SoC 的專用部分，用于完全在設(shè)備上執(zhí)行 AI 任務(wù)。

9 月份在 iPhone 15 Pro 和 Pro Max 中發(fā)布的最新 A17 Pro 實(shí)現(xiàn)了計(jì)算攝影和游戲高級(jí)渲染等功能的重大飛躍。

iPhone 營(yíng)銷負(fù)責(zé)人 Kaiann Drance 表示：“這實(shí)際上是 GPU 架構(gòu)和蘋果芯片歷史上最大的重新設(shè)計(jì)?！?“我們第一次擁有硬件加速光線追蹤。我們還擁有網(wǎng)格著色加速功能，讓游戲開(kāi)發(fā)者能夠創(chuàng)造出一些真正令人驚嘆的視覺(jué)效果?！?/p>

這促進(jìn)了Ubisoft的《刺客信條：幻影》、《全境封鎖》和Capcom的《生化危機(jī) 4》等 iPhone 原生版本的開(kāi)發(fā)。

蘋果表示，A17 Pro 是首款大批量出貨的 3 納米芯片。

“我們使用 3 納米的原因是它使我們能夠在給定尺寸內(nèi)封裝更多晶體管。這對(duì)于產(chǎn)品和更高的能效非常重要，”Srouji 說(shuō)?！氨M管我們不是一家芯片公司，但我們引領(lǐng)行業(yè)是有原因的?！?/p>

取代 Mac 中的英特爾

蘋果公司在 10 月份發(fā)布了用于 Mac 電腦的 M3 芯片，繼續(xù)向 3 納米工藝邁進(jìn)。蘋果表示，M3 具有 22 小時(shí)電池續(xù)航時(shí)間等功能，并且與 A17 Pro 類似，還提高了圖形性能。

“現(xiàn)在還為時(shí)過(guò)早，”在蘋果工作了 22 年的 Ternus 說(shuō)?！拔覀冞€有很多工作要做，但我認(rèn)為現(xiàn)在 Mac 太多了，幾乎所有 Mac 都能夠運(yùn)行 3A 游戲，這與五年前不同。”

Ternus 表示，當(dāng)他開(kāi)始時(shí)，“我們傾向于使用其他公司的技術(shù)來(lái)制造產(chǎn)品，并且我們正在圍繞該技術(shù)有效地構(gòu)建產(chǎn)品?！?盡管注重美觀的設(shè)計(jì)，“他們還是受到了現(xiàn)有的限制，”他說(shuō)。

蘋果在 2020 年放棄使用英特爾的 PC 處理器，轉(zhuǎn)而在 MacBook Air 和其他 Mac 中使用自己的 M1 芯片，這是半導(dǎo)體行業(yè)的一項(xiàng)重大轉(zhuǎn)變。

“這幾乎就像物理定律發(fā)生了變化，”Ternus說(shuō)。“突然之間，我們可以打造出一款極其輕薄、無(wú)風(fēng)扇、電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 18 小時(shí)的 MacBook Air，并且性能優(yōu)于我們剛剛發(fā)貨的 MacBook Pro。”

他表示，配備蘋果最先進(jìn)芯片 M3 Max 的最新 MacBook Pro“比我們生產(chǎn)的最快的英特爾 MacBook Pro 快 11 倍。就在兩年前我們才發(fā)貨?！?/p>

英特爾處理器基于 x86 架構(gòu)，這是 PC 制造商的傳統(tǒng)選擇，并為此開(kāi)發(fā)了很多軟件。蘋果公司的處理器基于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的Arm架構(gòu)，該架構(gòu)以功耗更低、筆記本電腦電池續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)而聞名。

蘋果 2020 年推出的 M1 是高端計(jì)算機(jī)中基于 Arm 的處理器的一個(gè)證明點(diǎn)，與高通等其他大牌一樣——據(jù)報(bào)道AMD和英偉達(dá)還開(kāi)發(fā)基于 Arm 的 PC 處理器。9 月，蘋果將與 Arm 的協(xié)議至少延長(zhǎng)至 2040 年。

13 年前，當(dāng)?shù)谝活w定制芯片問(wèn)世時(shí)，蘋果公司作為一家試圖在競(jìng)爭(zhēng)激烈、成本高昂的半導(dǎo)體市場(chǎng)上制造自己產(chǎn)品的非芯片公司，顯得不同尋常。從那時(shí)起，亞馬遜、谷歌、微軟和特斯拉都嘗試了定制芯片。

伯恩斯坦研究公司 (Bernstein Research) 董事總經(jīng)理兼高級(jí)分析師史黛西·拉斯岡 (Stacy Rasgon) 表示：“蘋果可以說(shuō)是開(kāi)拓者?！?“他們表明，如果你這樣做，你就可以嘗試讓你的產(chǎn)品脫穎而出?！?/p>

“調(diào)制解調(diào)器很難”

蘋果尚未生產(chǎn)其設(shè)備中的所有芯片。例如，調(diào)制解調(diào)器是該公司尚未獨(dú)自攻克的一大組件。

“處理器非常好。他們陷入困境的地方是調(diào)制解調(diào)器方面，是電話中的無(wú)線電方面，”Rasgon說(shuō)?！罢{(diào)制解調(diào)器很難。”

蘋果公司的調(diào)制解調(diào)器依賴高通公司，盡管兩家公司在 2019 年解決了為期兩年的知識(shí)產(chǎn)權(quán)法律糾紛。不久之后，蘋果以 10 億美元收購(gòu)了英特爾 5G 調(diào)制解調(diào)器業(yè)務(wù)的大部分股份，此舉可能是為了開(kāi)發(fā)自己的蜂窩調(diào)制解調(diào)器。但這種情況尚未發(fā)生，9 月，蘋果與高通簽約，在 2026 年之前供應(yīng)其調(diào)制解調(diào)器。

“高通仍然制造世界上最好的調(diào)制解調(diào)器，” Bajarin說(shuō)?！霸谔O果公司能夠做到同樣出色的工作之前，我很難看到他們完全投入到這一點(diǎn)?！?/p>

蘋果公司的斯魯吉表示，他無(wú)法對(duì)“未來(lái)的技術(shù)和產(chǎn)品”發(fā)表評(píng)論，但表示“我們關(guān)心蜂窩網(wǎng)絡(luò)，并且我們有團(tuán)隊(duì)支持這一點(diǎn)?！?/p>

據(jù)報(bào)道，蘋果公司還在開(kāi)發(fā)自己的 Wi-Fi 和藍(lán)牙芯片。目前，它與博通就無(wú)線組件達(dá)成了一項(xiàng)價(jià)值數(shù)十億美元的新協(xié)議。蘋果還依賴三星和美光等第三方提供內(nèi)存。

當(dāng)被問(wèn)及蘋果是否會(huì)嘗試設(shè)計(jì)其芯片的每個(gè)部分時(shí)，Srouji 說(shuō)：“我們的目標(biāo)還是產(chǎn)品?！?“我們希望打造地球上最好的產(chǎn)品。作為一個(gè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)（本例中還包括芯片），我們希望構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)這一愿景的最佳技術(shù)?！?/p>

Srouji 表示，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，蘋果將“購(gòu)買現(xiàn)成的產(chǎn)品”，如果這意味著團(tuán)隊(duì)可以專注于“真正重要的事情”。

無(wú)論蘋果最終設(shè)計(jì)了多少芯片，它仍然需要在外部制造芯片。這需要臺(tái)積電等代工公司擁有的大型制造工廠。全球90%以上的先進(jìn)芯片是由臺(tái)灣臺(tái)積電生產(chǎn)的。因此蘋果至少希望將部分制造業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到美國(guó)，并致力于成為臺(tái)積電在亞利桑那州新建工廠的最大客戶。融洽嗎，Apple 宣布將成為價(jià)值 20 億美元的新Amkor的第一個(gè)，也是最大的客戶正在亞利桑那州皮奧里亞建造制造和封裝工廠。Amkor 將封裝臺(tái)積電亞利桑那工廠生產(chǎn)的蘋果芯片。

“我們一直希望擁有多元化的供應(yīng)：亞洲、歐洲和美國(guó)，這就是為什么我認(rèn)為臺(tái)積電在亞利桑那州建造工廠很棒，”Srouji 說(shuō)。

尋找人才

另一個(gè)擔(dān)憂是美國(guó)熟練芯片勞動(dòng)力的短缺，美國(guó)幾十年來(lái)都沒(méi)有建造先進(jìn)的晶圓廠。臺(tái)積電表示，由于缺乏熟練工人，其亞利桑那工廠現(xiàn)已推遲至 2025 年。

無(wú)論是否與人才短缺有關(guān)，蘋果新芯片的發(fā)布速度都在放緩。

“幾代人花費(fèi)的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，因?yàn)樗麄冏兊迷絹?lái)越難，”Srouji 說(shuō)?！岸曳庋b更多并獲得能效的能力也與 10 年前不同?！?/p>

Srouji 重申了他的觀點(diǎn)，即蘋果在這方面具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椤拔也恍枰獡?dān)心我將芯片發(fā)送到哪里，我如何瞄準(zhǔn)更大的客戶群？”

盡管如此，蘋果的行動(dòng)還是凸顯了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。2019 年，蘋果芯片架構(gòu)師杰拉德·威廉姆斯 (Gerard Williams) 離職，領(lǐng)導(dǎo)了一家名為 Nuvia 的數(shù)據(jù)中心芯片初創(chuàng)公司，并帶走了一些蘋果工程師。蘋果公司因知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題起訴威廉姆斯，但今年撤銷了此案。高通于 2021 年收購(gòu)了 Nuvia，此舉是為了在蘋果等基于 Arm 的 PC 處理器領(lǐng)域展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

“我不能真正討論法律問(wèn)題，但我們真正關(guān)心知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，”Srouji 說(shuō)。“當(dāng)某些人因?yàn)槟承┰螂x開(kāi)時(shí)，那是他們的選擇?！?/p>

蘋果的核心業(yè)務(wù)面臨著額外的宏觀挑戰(zhàn)，因?yàn)?a target="_blank">智能手機(jī)銷量剛剛從多年來(lái)的最低水平恢復(fù)。

然而，對(duì)人工智能工作負(fù)載的需求正在導(dǎo)致硅訂單激增，尤其是Nvidia等公司生產(chǎn)的 GPU。

由于 ChatGPT 和其他生成式 AI 服務(wù)的流行，該公司的股價(jià)今年上漲了 200% 以上。

谷歌自 2016 年起就為 AI 設(shè)計(jì)了張量處理單元。亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)自 2018 年起就有了自己的數(shù)據(jù)中心 AI 芯片。微軟于 11 月發(fā)布了新的 AI 芯片。

Srouji 表示，他的蘋果團(tuán)隊(duì)自 2017 年在 A11 仿生芯片中推出機(jī)器學(xué)習(xí)引擎 Apple Neural Engine 以來(lái)，就一直致力于開(kāi)發(fā)該引擎。他還指出，其 CPU 中嵌入了機(jī)器學(xué)習(xí)加速器，并且“高度優(yōu)化的 GPU”用于機(jī)器學(xué)習(xí)。”

Apple 的神經(jīng)引擎為Face ID 和 Animojis 等所謂的“設(shè)備上機(jī)器學(xué)習(xí)功能”提供支持。

7 月份，彭博社報(bào)道稱，蘋果公司構(gòu)建了自己的大型語(yǔ)言模型（稱為 Ajax）和聊天機(jī)器人（稱為 Apple GPT）。發(fā)言人拒絕證實(shí)或否認(rèn)該報(bào)道的準(zhǔn)確性。

自 2015 年以來(lái)，蘋果還收購(gòu)了超過(guò)兩打人工智能公司。

當(dāng)被問(wèn)及蘋果在人工智能領(lǐng)域是否落后時(shí)，Srouji 說(shuō)：“我不相信我們會(huì)落后?！?/p>

Bajarin更加持懷疑態(tài)度。

在談到蘋果在人工智能領(lǐng)域的地位時(shí)，Bajarin表示：“這在蘋果去年的芯片上是可行的，在今年的 M3 芯片上甚至更強(qiáng)大?！?“但軟件必須趕上這一點(diǎn)，這樣開(kāi)發(fā)人員才能利用這一優(yōu)勢(shì)，在 Apple Silicon 上編寫明天的人工智能軟件?！?/p>

他預(yù)計(jì)很快會(huì)有改進(jìn)。

“從第一天起，蘋果就有機(jī)會(huì)真正做到這一點(diǎn)，”Bajarin說(shuō)?！暗艺J(rèn)為每個(gè)人都預(yù)計(jì)它會(huì)在來(lái)年出現(xiàn)。”