蘋果使用M3系列芯片對行業(yè)有何啟示？

2023 年，蘋果正以前所未有的速度發(fā)布新產(chǎn)品。2023年2月3日，該公司發(fā)布了搭載M2 Pro和M2 Max處理器的Mac mini和MacBook Pro。在高/中/低的M2家族中，對應(yīng)低檔的“M2”于2022年6月發(fā)布。大約八個月后，即 2023 年 2 月，高中級和中級加入到陣容中。

2023 年 6 月 13 日，我們將開始銷售使用超高性能處理器“M2 Ultra”（兩個 M2 Max 的組合）的“Mac Pro”和“Mac Studio”。截至2023年上半年，M2系列將推出超高和高/中版本。

2023 年 9 月 22 日，搭載臺積電 3nm 代制造的“A17 Pro”處理器的“iPhone 15 Pro”，以及搭載性能顯著提升的“S9”處理器的“Apple Watch Series 9”將發(fā)布。” ，帶有 USB-C 端子的“Air Pod Pro 2”現(xiàn)已發(fā)售。此外，2023年11月7日，MacBook Pro剛剛發(fā)布，陣容中新增了高、中、低版本的臺積電全新3nm處理器“M3 Max/M3 Pro/M3”。

雖然M2系列在2023年上半年完成，但M3在2023年下半年同時發(fā)布。毫無疑問，蘋果的開發(fā)能力，包括開發(fā)速度，比以往任何時候都高。M1于2020年11月發(fā)布，M1 Pro和M1 Max于2021年10月發(fā)布。也就是說，花了11個月才完成。M2于2022年6月發(fā)布，M2 Max于2023年2月發(fā)布，將時間縮短至8個月。至于M3，它會和M3 Max同時發(fā)布，所以不會有空白期，所以不存在時間差。

“可擴展設(shè)計”來“復(fù)制和粘貼”核心數(shù)量

未來，很多半導(dǎo)體廠商都會采用可擴展的設(shè)計，通過“復(fù)制粘貼”的方式增加或減少核心數(shù)量，進一步縮短開發(fā)時間，瞬間打造出超高/高/中/低類型來擴大自己的產(chǎn)品陣容。作為其中的一部分，我想重點介紹兩款具有可擴展設(shè)計的 Apple 產(chǎn)品。

圖1為2023年9月22日發(fā)布的Apple Watch Series 9的拆解。這是Apple Watch的第9代，第一代于2015年發(fā)布，內(nèi)部隱藏著可擴展的設(shè)計。

如果拆下顯示屏，并取下顯示屏正下方的電池和 TAPTIC，就會出現(xiàn) S9（S9 SiP（系統(tǒng)級封裝））中的許多半導(dǎo)體芯片（采用奇形封裝如圖 1 右上角所示）顯示屏后面還安裝有觸摸控制器、環(huán)境光傳感器、顯示電源和顯示驅(qū)動器。

蘋果經(jīng)常使用功能硅作為包含無源元件的模塊，而不是按原樣安裝許多芯片。通過將電容器和其他組件容納在封裝模塊內(nèi)，可以省略產(chǎn)品級的安裝，并且將無源元件放置在模塊內(nèi)可以提高可靠性（減少焊料剝落等的可能性）。通過使其模塊化，它可以抵抗外部壓力。許多 Apple 產(chǎn)品包裝都是圓角而不是矩形（尤其是 Watch 和 Air Pods 內(nèi)部）。

圖 2顯示了 Apple Watch Series 9 的“大腦”和“心臟”。左上方是S9 SiP，左下方是生物傳感器。生物傳感器是各種 LED 和光電二極管的密集陣列。

該處理器位于 S9 內(nèi)部，其封裝形狀不規(guī)則。圖2中央為去掉Apple標志后的散熱片的S9，右上方為S9封裝背面。整個S9被銀色的模具覆蓋，所以看不到里面。

S9 的背面有連接顯示屏、生物傳感器、麥克風(fēng)、揚聲器、天線、電池和 TAPTIC 的端子。另外三個封裝芯片排成一排。它們是第二代超寬帶芯片“UWB2”、6軸加速度/角速度運動傳感器和通信功率放大器模塊。由于背面有端子，過去的Apple Watch最多只有四個芯片。由于 SiP 大約有 500 日元硬幣大小，因此它始終得到高度實施。

歷代Apple Watch的“大腦”和“心臟”

表 1顯示了 Apple Watch 系列的大腦和心臟，自 2015 年第一代發(fā)布以來，該系列不斷發(fā)展，每年都會添加新功能。盡管發(fā)生了一些變化（生物傳感器 LED 和光電二極管數(shù)量的增加或減少、SiP 凸凹形狀的變化等），但基本結(jié)構(gòu)保持不變并不斷發(fā)展。

從“S1”到“S3”，傳感器結(jié)構(gòu)和SiP形狀幾乎相同。如果S1到S3是第一類，那么“S4”和“S5”具有幾乎相同的配置和形狀，并且屬于第二類。“S6”到“S9”屬于第三類，這里的生物傳感器的配置幾乎相同。“S8”和“S9”的SiP形狀幾乎相同。

這樣，S9 中的生物傳感器和 SiP 的外觀看起來與 S8 中幾乎相同。然而，SiP 的內(nèi)部卻截然不同。從 S6 到 S8，SiP 內(nèi)部使用了相同的處理器（硅型號名稱“TMLI30”），但在 S9 SiP 中，它已被新的處理器 S9 取代（硅型號名稱“TMQW67”）。

根據(jù)蘋果公司的公告，S9處理器擁有56億個晶體管。這比 S8 多了 60% 的處理器。此外，它還配備了4核神經(jīng)引擎，邊緣AI（人工智能）處理能力顯著進化。S8 之前的處理器的硅尺寸幾乎與 S9 相同。很明顯，S9 采用了近乎尖端的制造工藝，因為它的尺寸相似，但功能卻多得多。

圖3顯示了移除S9 SiP模具并拆開所有芯片后恢復(fù)的布局（它是倒置的）。圖 3 中的 SiP 是 Wi-Fi 模型，因此在 LTE 蜂窩模型中，LTE 調(diào)制解調(diào)器和通信功率放大器排列在 SiP 右上角電容器排列的區(qū)域中。開頭提到的可擴展設(shè)計目前還沒有被采用。由于處理器S9具有可擴展設(shè)計，我們稍后會說明。

從過去的經(jīng)驗可以看到，蘋果不僅花時間開發(fā)單個核心，進行充分的測試，增加或減少數(shù)量來創(chuàng)建高/中/低核心，而且還創(chuàng)建跨系列的內(nèi)部核心，例如A系列和M系列。已變得常見。M系列基于智能手機A系列處理器，功能加倍。它始終是“教科書式的可擴展性”。可以說，不僅降低了開發(fā)成本，還可以標準化測試和軟件等諸多優(yōu)點。

“S9”的基礎(chǔ)是“A16 Bionic”

表 2顯示了 Apple Watch Series 9 的 S9 處理器以及 2022 年 iPhone 14 Pro 和 2023 年 iPhone 15 中使用的“A16 Bionic”。A16配備了四個高效CPU和兩個高性能CPU。芯片對比顯示，S9配備了A16 Bionic的四個高效CPU中的兩個，照原樣復(fù)制粘貼。GPU在A16上有5個核心，在S9上有1個核心，也是復(fù)制粘貼的。AI 神經(jīng)引擎在 A16 中也有 16 個核心，在 S9 中也有 4 個核心，而且基礎(chǔ)相同，意味著 S9 配備了“1/4 的核心”。

通過拆開芯片對比照片發(fā)現(xiàn)，S9是基于A16 Bionic打造的。M2 采用基于 A15 的放大設(shè)計，而 S9 for Watch 則采用基于 A16 的縮小設(shè)計。這就是開頭提到的“Apple Watch 的可擴展設(shè)計”。

表 3概述了 Apple 的可擴展功能。標準化核心并通過復(fù)制粘貼創(chuàng)建高/中/低。此外，我們還進行了放大和縮小，核心從Watch到Mac Pro都是通用的！

蘋果甚至將可擴展性應(yīng)用到芯片數(shù)量上

圖4為2023年11月發(fā)布的M3系列MacBook Pro。對于高/中/低，處理器封裝的大?。▋?nèi)部核心數(shù)量和內(nèi)存容量也按比例縮放）。隨著功能核心數(shù)量的增加，電流發(fā)生變化，因此板上的供電芯片數(shù)量也隨之增加。

表4顯示了使用M3系列的MacBook Pro主板上安裝的功能芯片的數(shù)量。M3 為 42 顆，M3 Pro 為 54 顆，M3 Max 為 63 顆。同一芯片的制作方式不同，例如 M3 Pro 中為 3 個，M3 Max 中為 5 個。蘋果不僅將可擴展設(shè)計應(yīng)用于芯片，還應(yīng)用于板上芯片的數(shù)量?？梢哉f是令人驚嘆的、完全可擴展的設(shè)計能力。

審核編輯：黃飛