蘋果在芯片領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先 高通、三星只有苦苦追趕

在智能手機(jī)領(lǐng)域，蘋果從指令集到微架構(gòu)一手打造的 64 位芯片可說(shuō)打遍天下無(wú)敵手，即便是三星、高通等芯片產(chǎn)業(yè)龍頭，也難以撼動(dòng)其市場(chǎng)地位。

然而，這次在 MWC 2018 中，我們可以看到包含三星、高通，都已經(jīng)推出基于自有微架構(gòu)的手機(jī)處理芯片，在 GeekBench 效能的測(cè)試數(shù)據(jù)中僅落后去年推出的蘋果 A11 芯片約 2 成，而不再是僅能達(dá)到其同世代產(chǎn)品一半性能的窘?jīng)r，自研微架構(gòu)可說(shuō)已經(jīng)帶來(lái)了一定的成果。不過(guò)，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，其性能差距仍是相當(dāng)明顯，未來(lái)數(shù)年這個(gè)格局應(yīng)該也很難被轉(zhuǎn)變。

雖然華為早些年也投入微架構(gòu)的自研工作，但 2018 年 MWC 上并沒(méi)有宣布相關(guān)的信息，其最新的麒麟 970 因?yàn)榛跇?biāo)準(zhǔn) ARM 公版架構(gòu)，整體效能約為 A11 的一半左右，落差相當(dāng)大。DT 君認(rèn)為，華為自研微架構(gòu)芯片應(yīng)該會(huì)隨著年底新款高端手機(jī)一并發(fā)布，而屆時(shí)期 AI 核心也會(huì)有一定的變革，借以應(yīng)對(duì)高通和三星，甚至蘋果在高端手機(jī)市場(chǎng)的挑戰(zhàn)。

像聯(lián)發(fā)科、瑞芯微、全志等追求性能價(jià)格比的公司，基本上就和自研微架構(gòu)無(wú)緣了，ARM 官方發(fā)表的架構(gòu)表現(xiàn)如何，基本上這些公司的產(chǎn)品就是長(zhǎng)怎么樣，不會(huì)有太大意外。也因此，落后蘋果產(chǎn)品一大截已經(jīng)是可預(yù)見(jiàn)的結(jié)果，不過(guò)這些公司的目標(biāo)市場(chǎng)本來(lái)就不是高端定位，所以也不用期待太多。

所以，當(dāng)年蘋果對(duì) ARM 指令集的布局可以說(shuō)回報(bào)豐厚，其投資效益不出意外的話甚至還可繼續(xù)延續(xù)數(shù)年之久，當(dāng)然，蘋果在芯片研發(fā)和布局的資本投入并不是其他芯片廠商可以相提并論的，即便占了先機(jī)，但持續(xù)的投入才是蘋果未來(lái)得以維持絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

蘋果布了一個(gè)“王炸之局”

無(wú)論如何，整件事情要從一個(gè)影響手機(jī)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)極為深遠(yuǎn)，但又不為人知的老故事開(kāi)始說(shuō)起，然后回頭看看目前的 ARM 架構(gòu)市場(chǎng)變化。

這一切都要由蘋果所布的局開(kāi)始。一位在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)資歷極深、曾在各大處理器廠商中擔(dān)任要職的人士對(duì) DT 君透露，蘋果自有芯片的布局，甚至要往上延伸至 IP 供貨商，也就是 ARM 身上。

那么，身為芯片最上游的 ARM 如何受到蘋果的影響？這要從 ARM 對(duì) 64 位架構(gòu)發(fā)展態(tài)度的消極開(kāi)始看。

ARM 從推出高端 Cortex-A 架構(gòu)之后，就一直固守在 32 位，并且強(qiáng)調(diào) 32 位的性能已經(jīng)足夠使用，甚至在 PC 或服務(wù)器市場(chǎng)也能和 X86 相提并論。但事實(shí)上，ARM 的 32 位指令在移動(dòng)市場(chǎng)表現(xiàn)雖不錯(cuò)，但成長(zhǎng)性有限，且隨著未來(lái)應(yīng)用復(fù)雜度增加，其先天的 4GB 內(nèi)存尋址限制將會(huì)成為整個(gè)應(yīng)用生態(tài)的緊箍咒，而在服務(wù)器市場(chǎng)，缺乏 64 位尋址能力的 ARM 架構(gòu)，也幾乎找不到半點(diǎn)市場(chǎng)空間。

如果沒(méi)有前進(jìn)到 64 位，ARM 架構(gòu)不只在服務(wù)器市場(chǎng)將持續(xù)空白，移動(dòng)市場(chǎng)也可能早就被重新經(jīng)營(yíng)低功耗移動(dòng)市場(chǎng)的 X86 架構(gòu)給擊倒了。

2012 年，ARM 終于在其長(zhǎng)遠(yuǎn)的處理器列表上添加了 64 位架構(gòu)，晚了 X86 架構(gòu) 13 年，然而這并非完全出自 ARM 自己之手。

蘋果希望維持 A 系列處理器在移動(dòng)市場(chǎng)上的性能優(yōu)勢(shì)，且將應(yīng)用擴(kuò)及包含筆記本與 PC 市場(chǎng)，作為取代 X86 架構(gòu)的武器。但是在遲遲等不到 64 位架構(gòu)到來(lái)的情況下，只好主動(dòng)和 ARM 進(jìn)行溝通，提供其研究多年的 64 位指令集設(shè)計(jì)建議，蘋果總共定義了 26 條 64 位指令，在 2012 年發(fā)表的 ARM v8.0a 使用了其中的 18 條指令，次年的 ARM v8.1a 則補(bǔ)上了其余的 8 條指令。

談到這邊，各位應(yīng)該對(duì)蘋果 A 系列芯片性能要比同時(shí)期產(chǎn)品更高的理由心里有點(diǎn)底了吧。

當(dāng)然，ARM 作為公正 IP 供應(yīng)者，理論上不應(yīng)該也不會(huì)偏向任何一方，雖然在大客戶的要求下，硬著頭皮推出采用蘋果建議的 64 位架構(gòu)設(shè)計(jì)，但完成后也同樣對(duì)外開(kāi)放授權(quán)。蘋果無(wú)償貢獻(xiàn)這些指令集，最后所有芯片廠商都能借助授權(quán)使用，乍看之下是為人作嫁衣，讓競(jìng)爭(zhēng)者撿了便宜。

但實(shí)際上，蘋果在芯片設(shè)計(jì)方面早有深厚的基礎(chǔ)，且在 A5 之后轉(zhuǎn)而自行設(shè)計(jì)芯片架構(gòu)，最后一款 32 位芯片 A6 更是自行設(shè)計(jì)微架構(gòu)，對(duì)相關(guān)指令集所需要的配套優(yōu)化架構(gòu)了然于心，反觀套用 64 位 ARM 公版架構(gòu)的廠商紛紛在市場(chǎng)上受挫而叫苦連天。

ARM 后續(xù)雖不斷改進(jìn)其公版微架構(gòu)，但蘋果已經(jīng)穩(wěn)居市場(chǎng)先機(jī)，包含高通、三星、華為等都認(rèn)為繼續(xù)采用公版架構(gòu)將無(wú)法拉近與蘋果的距離，因此紛紛投入研發(fā)基于 64 位 ARM 指令集的自有微架構(gòu)，但市場(chǎng)的落差已然存在，即便到現(xiàn)在，蘋果仍在處理器微架構(gòu)的效率表現(xiàn)上遙遙領(lǐng)先其他芯片設(shè)計(jì)廠商，甚至逼近 X86 的程度。

所以說(shuō)，蘋果已為其 64 位架構(gòu)布了一個(gè)非常深遠(yuǎn)的局，而且其影響將持續(xù)下去。

不過(guò) ，ARM 被軟銀（SoftBank）并購(gòu)之后，除了在 IoT 市場(chǎng)推出各種相應(yīng)方案，也積極布局服務(wù)器市場(chǎng)，沒(méi)有死守在由蘋果開(kāi)拓出來(lái)的 64 位路徑上，而是以此為基礎(chǔ)，增加更多的應(yīng)用可能性。

然而，過(guò)去幾年被蘋果遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋開(kāi)的移動(dòng)芯片供貨商也逐漸走出自己的路，畢竟，如果只是單純依照建議公版，那永遠(yuǎn)也追不上蘋果。通過(guò)自有微架構(gòu)的開(kāi)發(fā)，這些廠商也逐漸拉近與蘋果的距離。

蘋果不僅拔得 64 位 ARM 架構(gòu)頭籌，性能亦持續(xù)領(lǐng)先

我們都知道，蘋果 A 系列芯片是最早進(jìn)入 64 位的 ARM 架構(gòu)，其他方案幾乎都晚了蘋果 1 年以上，其最主要的原因是前面提到的，蘋果早在 ARM 推出其官方 64 位架構(gòu)指令集前就已經(jīng)先行布局自有架構(gòu)的開(kāi)發(fā)。

另外還有一個(gè)原因，除了當(dāng)時(shí)手機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)上沒(méi)有 64 位應(yīng)用開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，芯片廠看不到蘋果所看到的差別，擔(dān)心最終只是落得噱頭一場(chǎng)，投資開(kāi)發(fā)新架構(gòu)可能成泡沫，且 ARM 的 64 位架構(gòu)的由來(lái)也讓各大芯片廠商不怎么放心，因此裹足不前，坐看蘋果拔得頭籌，而當(dāng)蘋果取得市場(chǎng)關(guān)注之后，才接連引發(fā)移動(dòng)市場(chǎng)的 64 位革命。

A4、A5 芯片采用 ARM 官方 IP，實(shí)際效能表現(xiàn)只能說(shuō)普通，若沒(méi)有 GPU 的幫助，那跟一般 ARM 架構(gòu)方案根本沒(méi)有落差。A6 雖然轉(zhuǎn)用自行開(kāi)發(fā)的 swift 微架構(gòu)，但性能表現(xiàn)也僅略優(yōu)于同時(shí)其競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，真正拉開(kāi)差距的，就是首代 64 位架構(gòu)，也就是基于 Cyclone 架構(gòu)的 A7 處理器。

與其他基于標(biāo)準(zhǔn)公版 Cortex-A57 的同時(shí)期位 ARM 架構(gòu)芯片比較起來(lái)，Cyclone 架構(gòu)把指令發(fā)射寬度 (issue-width) 從標(biāo)準(zhǔn)的 3 個(gè)增加到 6 個(gè)，并且大幅增加片上緩存以及存取帶寬。而基于 A7 的終端產(chǎn)品從 2013 年底逐漸上市，反觀業(yè)界首款基于 64 位 ARM 架構(gòu) Cortex-A57 遲至 2015 年初才有產(chǎn)品上市，且因?yàn)?A57 只是在 32 位架構(gòu) A15 的基礎(chǔ)上增加 64 位指令，很多東西都是等比例放大，沒(méi)有經(jīng)過(guò)優(yōu)化，配置非常不均衡，加上芯片代工工藝跟不上，首波推出的芯片與終端方案表現(xiàn)可說(shuō)是極為凄慘。

2015 年，蘋果也理所當(dāng)然的用基于 Cyclone 二代微架構(gòu)的 A8 以及 Twister 微架構(gòu)的 A9 碾壓 Android 高端產(chǎn)品陣營(yíng)，其設(shè)計(jì)理念也很一致，用大規(guī)模同步指令譯碼能力取代原本的高頻設(shè)計(jì)，并且增加帶寬與緩存，讓指令集運(yùn)行更有效率，而同時(shí)期的芯片廠仍持續(xù)強(qiáng)調(diào)運(yùn)作頻率等蘋果根本看不上眼的規(guī)格。

也因此，蘋果能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)作在相對(duì)高效能之下，而其他產(chǎn)品通常只能全力運(yùn)作非常短的時(shí)間，然后就碰到功耗門，被強(qiáng)制降頻，該時(shí)期代表作驍龍 810 甚至只能在低于一半的預(yù)設(shè)頻率下才能勉強(qiáng)維持穩(wěn)定運(yùn)作，雖然號(hào)稱 8 核心，但實(shí)際性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于蘋果的雙核產(chǎn)品。

移動(dòng)領(lǐng)域雖稱霸，但意圖取代 X86 的大計(jì)并不成功

前面也提到，蘋果布局 64 位 ARM 架構(gòu)其實(shí)目的不是只為了手機(jī)等移動(dòng)終端，而是要全面取代其在 Mac 計(jì)算器上的處理器，然而理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)狀況是，即便增加了 64 位指令，ARM 的基本結(jié)構(gòu)本來(lái)就不適合大規(guī)模高頻率的運(yùn)作方式，即便蘋果已經(jīng)做了很多嘗試，但仍然事倍功半。

而英特爾過(guò)去幾年在市場(chǎng)上毫無(wú)敵手，core 微架構(gòu)撐了十幾年仍淘汰不了，每年固定擠牙膏的作法雖然讓其包括蘋果在內(nèi)的客戶非常不滿，但也只能無(wú)奈的買單。英特爾雖然躺著賺，但也不敢忽視了蘋果的一舉一動(dòng)。

只要蘋果推新架構(gòu)，英特爾就會(huì)推出性能剛好領(lǐng)先一段距離的產(chǎn)品壓陣，甚至部分小改版，或者是針對(duì)特殊市場(chǎng)的處理器產(chǎn)品也會(huì)優(yōu)先供應(yīng)蘋果，避免蘋果真的下了要全面替換處理器的決定。

這個(gè)策略也被證實(shí)十分有效，截至目前為止，蘋果要替換處理器架構(gòu)都還只是停留在傳言的階段而沒(méi)有成真。當(dāng)然，之前的確有某家代工廠已經(jīng)在幫蘋果設(shè)計(jì)代工基于 ARM 架構(gòu)的 NB 產(chǎn)品，只是最后因?yàn)槭袌?chǎng)策略調(diào)整，或是因?yàn)楫a(chǎn)品性能表現(xiàn)不佳，亦或者是因?yàn)閬?lái)自英特爾的壓力，相關(guān)產(chǎn)品最終胎死腹中。

雖然蘋果相關(guān)的規(guī)劃進(jìn)行狀況并不順利，但未來(lái)肯定還是會(huì)繼續(xù)嘗試替換掉來(lái)自英特爾的芯片產(chǎn)品，畢竟蘋果的最高準(zhǔn)則就是單一類型產(chǎn)品有要第二供貨來(lái)源，而英特爾已經(jīng)獨(dú)占太久了。換句話說(shuō)，就是蘋果認(rèn)為英特爾實(shí)在賺太多了。

不過(guò)，在 AMD 咸魚翻身之后，或許蘋果又會(huì)有不同的決定，但一切還是要回歸市場(chǎng)選擇以及蘋果的策略方向。

被蘋果推向 64 位的 ARM，雖成霸主但客戶皆懷異心

ARM 雖然用了來(lái)自蘋果的架構(gòu)，卻也沒(méi)有自滿于現(xiàn)況而裹足不前，v8.0a 到 v8.1a 都是針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)跨向 64 位而設(shè)計(jì)，并且希望兼顧 PC 市場(chǎng)所需要的高性能表現(xiàn)，其隨后發(fā)表的 ARM v8.2a 是針對(duì)服務(wù)器所需要的半精度浮點(diǎn)計(jì)算、增強(qiáng)內(nèi)存模型，并且引入 RAS(可靠性可用性可服務(wù)性) 的支持與統(tǒng)計(jì)分析擴(kuò)展，而在短短不到 3 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，ARM 又發(fā)表了 v8.3a，改善了處理器本身的資安特性，而 2018 年推出的 v8.4a，則是再度強(qiáng)化加密與內(nèi)存管理，從這邊也可看出，未來(lái) ARM 已經(jīng)逐漸從移動(dòng)處理器的 IP 供貨商角色抽離，希望能做到包含服務(wù)器等全方位市場(chǎng)的布局。

也因?yàn)檫@些架構(gòu)上的布局，服務(wù)器市場(chǎng)終于漸有起色，部分云服務(wù)客戶也開(kāi)始采用基于 ARM 架構(gòu)的服務(wù)器芯片，而不再偏好來(lái)自英特爾的架構(gòu)。

另一方面，ARM 被軟銀收購(gòu)之后，不只 NRE 及一次性技術(shù)許可費(fèi)大漲 3 倍以上，每年也都大幅調(diào)升專利費(fèi)的比重，但好在手機(jī)市場(chǎng)上還有個(gè)萬(wàn)惡的高通以及微軟坐收高額技術(shù)許可費(fèi)，所以看起來(lái)增加的幅度還不明顯，但是在其他 IoT 或者嵌入式領(lǐng)域中，就造成了芯片方案廠商很大的負(fù)擔(dān)。

但其實(shí)連三星都已經(jīng)有點(diǎn)受不了了，原本三星是采用最頂級(jí)的架構(gòu)訂閱模式，只要有推出新架構(gòu)，三星都可以直接使用，但后來(lái)也改為只簽訂有使用到的架構(gòu)授權(quán)，而非全包。

另外，ARM 當(dāng)然也知道繼續(xù)一直漲價(jià)下去，很多低端嵌入式的芯片設(shè)計(jì)廠商都會(huì)受不了，于是也提出 DesignStart 項(xiàng)目，包含了幾款 Cortex-M0 到 M3 等低端 MCU 核心，免除了初始專利費(fèi)這個(gè)門坎，乍看之下十分優(yōu)惠。不過(guò)這些架構(gòu)其實(shí)都已經(jīng)很古老，性能有點(diǎn)追不上目前 IoT 所需要的性能門檻，所以客戶如果要開(kāi)發(fā)新應(yīng)用，多半也不會(huì)使用 DesignStart 項(xiàng)目。而 ARM 每次推出新架構(gòu)，價(jià)格都會(huì)繼續(xù)往上迭加，舊方案則是每年漲價(jià)。

也因?yàn)槿绱?，ARM 的營(yíng)收也不斷成長(zhǎng)。

市場(chǎng)看到 ARM 已經(jīng)逐漸走向另一個(gè)巨頭的壟斷道路，也開(kāi)始有所警覺(jué)，因此包括 ANDES、RISC-V 等費(fèi)用較合理、甚至免費(fèi)架構(gòu)采用的人也越來(lái)越多，然而這些架構(gòu)缺乏了關(guān)鍵的非循序 (Out-Of-Order) 執(zhí)行能力，無(wú)法肩負(fù)手機(jī)等高端計(jì)算環(huán)境需求，但是在低端嵌入式環(huán)境中，已經(jīng)開(kāi)始有不少應(yīng)用實(shí)例出現(xiàn)，生態(tài)也逐漸成熟，諸如聯(lián)發(fā)科、WD、華為也都成為 RISC-V 的擁護(hù)者，并開(kāi)發(fā)相關(guān)方案，性能與功耗表現(xiàn)亦獲得市場(chǎng)肯定。

成為霸主的路上自然挑戰(zhàn)不斷，ARM 希望把自己打造成處理器 IP 界的霸主，自然也要面對(duì)各種考驗(yàn)，雖然目前來(lái)看，這些考驗(yàn)都還是屬于小兒科的階段，對(duì) ARM 產(chǎn)生不了威脅，但霸主往往都會(huì)過(guò)于輕敵，并把自己的需求看得太重要，以致于忽視客戶的心聲，ARM 未來(lái)是否也會(huì)如此，值得觀察。