蘋果芯片實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部：數(shù)十年來(lái)公司最‘深刻變革’的源頭

蘋果公司過(guò)去20年來(lái)股價(jià)的飆升源于其標(biāo)志性的消費(fèi)設(shè)備。從iPod和iMac開(kāi)始，然后是iPhone和iPad，再到最近的Apple Watch和AirPods。

但這家市值最大的美國(guó)公司背后不僅僅是這些小玩意。在其硅谷總部的一間普通房間里，有數(shù)百臺(tái)嗡嗡作響的機(jī)器和少數(shù)穿著實(shí)驗(yàn)服的工程師，他們正在設(shè)計(jì)用于推動(dòng)其最受歡迎產(chǎn)品的定制芯片。

蘋果于2010年首次在iPhone 4中推出自家設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體芯片。截至今年，所有新的Mac電腦都由蘋果自家的芯片驅(qū)動(dòng)，結(jié)束了公司15年以上依賴英特爾的歷史。

蘋果硬件工程主管約翰·特努斯表示：“在過(guò)去20年里，蘋果在產(chǎn)品方面發(fā)生的最深刻的變化之一，如果不是最深刻的，就是我們現(xiàn)在有很多技術(shù)都是我們自己做的。當(dāng)然，排在首位的就是我們的芯片。”

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)的芯片主要由臺(tái)積電制造。與此同時(shí)，智能手機(jī)市場(chǎng)正在從深度銷售低谷中恢復(fù)，而微軟等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在人工智能方面取得了巨大進(jìn)展。

在11月，有媒體訪問(wèn)了位于加利福尼亞州庫(kù)比蒂諾的蘋果總部，這是首次允許記者進(jìn)入公司芯片實(shí)驗(yàn)室。與蘋果芯片主管約翰尼·斯魯吉（Johny Srouji）討論公司在復(fù)雜的定制半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的推進(jìn)，這也是亞馬遜、谷歌、微軟和特斯拉等公司正在追求的領(lǐng)域。

斯魯吉表示：“我們擁有數(shù)千名工程師，但如果你看看我們的芯片組合，實(shí)際上非常精簡(jiǎn)，非常高效。”

與傳統(tǒng)芯片制造商不同，蘋果不會(huì)為其他公司制造芯片。

斯魯吉說(shuō)：“因?yàn)槲覀儗?shí)際上不在外部銷售芯片，所以我們專注于產(chǎn)品。這使我們有自由度進(jìn)行優(yōu)化，并且可擴(kuò)展的架構(gòu)使我們能夠在不同產(chǎn)品之間重復(fù)使用部分組件。”

斯魯吉于2008年加入蘋果，領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)由40到50名工程師組成的小團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)為iPhone設(shè)計(jì)定制芯片。加入一個(gè)月后，蘋果以2.78億美元的價(jià)格收購(gòu)了一家名為P.A. Semiconductor的初創(chuàng)公司，該公司擁有150名員工。

創(chuàng)意策略公司首席分析師本·巴杰林表示：“當(dāng)他們收購(gòu)P.A. Semi時(shí)，人們立刻意識(shí)到他們將開(kāi)始制造自己的芯片。由于其固有的設(shè)計(jì)焦點(diǎn)，蘋果希望盡可能多地掌握整個(gè)技術(shù)棧。”

兩年后，蘋果推出了其第一款定制芯片A4，用于iPhone 4和原始iPad。

斯魯吉表示：“我們建立了我們稱之為可擴(kuò)展跨產(chǎn)品的統(tǒng)一內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)。我們構(gòu)建了一個(gè)架構(gòu)，你可以從iPhone開(kāi)始，然后我們將其擴(kuò)展到iPad，然后到手表，最終到Mac。”

蘋果的芯片團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)展到在世界各地的實(shí)驗(yàn)室中有數(shù)千名工程師，包括以色列、德國(guó)、奧地利、英國(guó)和日本。在美國(guó)境內(nèi)，該公司在硅谷、圣迭戈和德克薩斯州奧斯汀設(shè)有設(shè)施。

蘋果正在開(kāi)發(fā)的主要芯片類型被稱為片上系統(tǒng)（SoC），它集成了中央處理單元（CPU）、圖形處理單元（GPU）和其他組件。巴杰林解釋說(shuō)，對(duì)于蘋果來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)神經(jīng)處理單元（NPU），它“運(yùn)行神經(jīng)引擎”。

蘋果的第一款SoC是A系列，從2010年的A4發(fā)展到今年9月宣布的A17 Pro。它是iPhone、一些iPad、Apple TV和HomePod的中央處理器。蘋果的另一款重要的SoC是M系列，于2020年首次發(fā)布，現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)所有新的Mac電腦和更先進(jìn)的iPad。該產(chǎn)品最新為M3系列。

2015年推出的S系列是一個(gè)較小的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP），用于Apple Watch。H和W芯片用于AirPods。U芯片用于Apple設(shè)備之間的通信。而最新的芯片R1將于明年初在Apple的Vision Pro頭戴設(shè)備中推出，專用于處理設(shè)備攝像頭、傳感器和麥克風(fēng)的輸入，并在12毫秒內(nèi)將圖像傳輸?shù)斤@示器。

斯魯吉說(shuō)：“我們可以提前設(shè)計(jì)芯片。我們的員工與特努斯的團(tuán)隊(duì)一起工作，精確地為那些產(chǎn)品構(gòu)建芯片，僅適用于那些產(chǎn)品。”

例如，第二代AirPods Pro中的H2芯片實(shí)現(xiàn)了更好的降噪效果。新的Series 9 Apple Watch中的S9芯片使其具有雙擊等獨(dú)特功能。在2017年的iPhone中，A11 Bionic首次引入了蘋果神經(jīng)引擎，這是SoC的一個(gè)專用部分，用于在設(shè)備上完全執(zhí)行AI任務(wù)。

今年9月宣布的最新的A17 Pro在iPhone 15 Pro和Pro Max中啟用了計(jì)算攝影和高級(jí)渲染等功能的重大飛躍。

Kaiann Drance，iPhone市場(chǎng)營(yíng)銷主管表示：“這實(shí)際上是蘋果芯片架構(gòu)和Apple硅歷史上最大的GPU架構(gòu)重設(shè)計(jì)。我們首次實(shí)現(xiàn)了硬件加速的光線追蹤。我們還具有網(wǎng)格著色加速功能，允許游戲開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)建一些真正令人驚嘆的視覺(jué)效果。”

據(jù)蘋果稱，A17 Pro是首個(gè)以3納米技術(shù)生產(chǎn)并大規(guī)模投放市場(chǎng)的芯片。

斯魯吉說(shuō)：“我們之所以使用3納米技術(shù)，是因?yàn)樗刮覀兡軌蛟诮o定的尺寸內(nèi)裝入更多的晶體管。這對(duì)于產(chǎn)品非常重要，并且具有更好的功耗效率。即使我們不是一家芯片公司，但我們之所以是行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，是有原因的。”

蘋果首款3納米芯片A17 Pro助力iPhone 15 Pro和Pro Max實(shí)現(xiàn)光線追蹤和先進(jìn)圖形渲染

取代英特爾在Mac中的位置

蘋果的3納米技術(shù)飛躍繼續(xù)在10月宣布的M3芯片中。蘋果表示，M3芯片實(shí)現(xiàn)了22小時(shí)的電池續(xù)航時(shí)間，類似于A17 Pro，還提升了圖形性能。

特努斯表示：“現(xiàn)在還處于早期階段。我們還有很多工作要做，但我認(rèn)為現(xiàn)在幾乎所有的Mac都能運(yùn)行AAA級(jí)游戲，這與五年前是不同的。”

他說(shuō)：“當(dāng)我開(kāi)始時(shí)，我們制造產(chǎn)品的方式是使用其他公司的技術(shù)，然后有效地圍繞這些技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品。”盡管注重美麗的設(shè)計(jì)，“它們受到了可用技術(shù)的限制。”

在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變的情況下，蘋果于2020年擺脫了使用英特爾PC處理器的做法，轉(zhuǎn)而使用其自家的M1芯片，該芯片首次出現(xiàn)在MacBook Air和其他一些Mac電腦中。

特努斯表示：“這幾乎就像物理規(guī)律發(fā)生了變化。突然之間，我們可以制造一臺(tái)非常輕薄、沒(méi)有風(fēng)扇、電池續(xù)航時(shí)間18小時(shí)的MacBook Air，并且性能超過(guò)了我們剛剛推出的MacBook Pro。”

他表示，搭載蘋果最先進(jìn)芯片M3 Max的最新MacBook Pro“比我們兩年前制造的最快的英特爾MacBook Pro快11倍。而那個(gè)時(shí)間距今僅兩年。”

英特爾的處理器基于x86架構(gòu)，是PC制造商的傳統(tǒng)選擇，有很多為其開(kāi)發(fā)的軟件。而蘋果的處理器基于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Arm架構(gòu)，以使用更少功耗，延長(zhǎng)筆記本電腦電池壽命而聞名。

蘋果M1在2020年對(duì)于高端計(jì)算機(jī)中的Arm架構(gòu)處理器是一個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)，其他大公司如高通，據(jù)報(bào)道還有AMD和Nvidia，也在開(kāi)發(fā)基于Arm架構(gòu)的PC處理器。今年9月，蘋果通過(guò)至少2040年擴(kuò)展了與Arm的協(xié)議。

蘋果首款自家芯片推出時(shí)，已經(jīng)是13年前，作為一家非芯片公司在競(jìng)爭(zhēng)激烈、成本高昂的半導(dǎo)體市場(chǎng)中試水。自那以后，亞馬遜、谷歌、微軟和特斯拉等公司也嘗試過(guò)定制芯片。

伯恩斯坦研究公司的首席董事兼高級(jí)分析師斯泰西·拉斯貢表示：“蘋果在這方面是先行者。他們表明，如果你這樣做，你可以嘗試為你的產(chǎn)品增加差異化。”

蘋果硬件驗(yàn)證高級(jí)總監(jiān)Godfrey D'Souza在加利福尼亞州庫(kù)比蒂諾的蘋果芯片實(shí)驗(yàn)室展示M3 SoC

“調(diào)制解調(diào)器很難”

蘋果目前尚未在其設(shè)備中生產(chǎn)所有硅片。例如，調(diào)制解調(diào)器（Modems）是公司尚未完全掌握的一個(gè)關(guān)鍵組件。

Rasgon表示：“處理器表現(xiàn)得相當(dāng)出色。他們?cè)谡{(diào)制解調(diào)器領(lǐng)域，尤其是手機(jī)的無(wú)線電方面遇到了困難。調(diào)制解調(diào)器的制造相當(dāng)復(fù)雜。”

雖然蘋果依賴高通提供其調(diào)制解調(diào)器，但在2019年，兩家公司解決了為期兩年的知識(shí)產(chǎn)權(quán)法律糾紛。隨后，蘋果以10億美元的價(jià)格收購(gòu)了英特爾大部分的5G調(diào)制解調(diào)器業(yè)務(wù)，可能是為了自主研發(fā)其移動(dòng)通信調(diào)制解調(diào)器。盡管目前尚未實(shí)現(xiàn)，但在2026年之前，蘋果已與高通簽署協(xié)議，繼續(xù)供應(yīng)其調(diào)制解調(diào)器。

Bajarin表示：“高通仍然是世界上最好的調(diào)制解調(diào)器制造商。在蘋果能夠達(dá)到同樣水平之前，我很難看到他們完全擺脫對(duì)高通的依賴。”

蘋果的Srouji表示，他無(wú)法評(píng)論“未來(lái)的技術(shù)和產(chǎn)品”，但表示“我們關(guān)心蜂窩技術(shù)，并有團(tuán)隊(duì)致力于此。”

據(jù)報(bào)道，蘋果還在研發(fā)自己的Wi-Fi和藍(lán)牙芯片。目前，蘋果與Broadcom簽署了一份數(shù)十億美元的新交易，用于購(gòu)買無(wú)線組件。蘋果還依賴三星和美光等公司提供存儲(chǔ)器。

Srouji在被問(wèn)及蘋果是否會(huì)嘗試設(shè)計(jì)芯片的每個(gè)部分時(shí)表示：“我們的愿望是產(chǎn)品。我們想要構(gòu)建地球上最好的產(chǎn)品。作為技術(shù)團(tuán)隊(duì)，包括在這種情況下的芯片，我們希望構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)這一愿景的最佳技術(shù)。”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，蘋果將“采用現(xiàn)成的”解決方案，以便團(tuán)隊(duì)可以專注于“真正重要的事情”，Srouji說(shuō)。

不論最終蘋果設(shè)計(jì)了多少硅片，它仍然需要外部制造芯片。這需要由像TSMC這樣的晶圓廠公司擁有的大規(guī)模制造工廠。

全球90%以上的先進(jìn)芯片由位于臺(tái)灣的TSMC制造，這使得蘋果和其他行業(yè)對(duì)中國(guó)威脅的入侵感到脆弱。

Bajarin表示：“顯然，圍繞著，如果發(fā)生了什么，計(jì)劃B是什么的緊張情緒很大。沒(méi)有其他好的選擇。你希望三星也具有競(jìng)爭(zhēng)力，英特爾也希望能夠達(dá)到那個(gè)水平。但是，目前我們不是。真的全部都依賴TSMC。”

至少，蘋果正在考慮將一些制造業(yè)務(wù)帶回美國(guó)。它承諾成為TSMC在亞利桑那州新建工廠的最大客戶。此外，蘋果宣布將成為在亞利桑那州皮奧里亞市新建的價(jià)值20億美元的Amkor制造和包裝設(shè)施的第一家也是最大的客戶。Amkor將對(duì)由TSMC在亞利桑那州工廠生產(chǎn)的蘋果硅芯片進(jìn)行封裝。

Srouji表示：“我們始終希望擁有多元化的供應(yīng)鏈：亞洲、歐洲和美國(guó)，這就是為什么我認(rèn)為TSMC在亞利桑那州建廠是一件好事。”

尋找人才

另一個(gè)問(wèn)題是美國(guó)在高級(jí)芯片勞動(dòng)力方面的短缺，高級(jí)晶圓廠幾十年來(lái)一直未有建設(shè)。TSMC表示，由于缺乏熟練工人，其亞利桑那州工廠的開(kāi)工時(shí)間推遲至2025年。

無(wú)論是否與人才短缺有關(guān)，蘋果在新芯片發(fā)布方面已經(jīng)放緩。

Srouji表示：“因?yàn)橹圃煨酒兊迷絹?lái)越困難，所以新一代芯片的推出時(shí)間較長(zhǎng)。在10年前，提升性能并實(shí)現(xiàn)能效也與以往不同。”

Srouji重申了他的觀點(diǎn)，即蘋果在這方面有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?/span>“我不需要擔(dān)心將芯片發(fā)送到哪里，如何面向更大的客戶群體？”

盡管如此，蘋果的行動(dòng)也突顯了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)激烈。2019年，蘋果芯片架構(gòu)師Gerard Williams離職，成立了一家名為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。蘋果以涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原因起訴了Williams，但今年撤回了訴訟。高通于2021年收購(gòu)了Nuvia，以競(jìng)爭(zhēng)基于Arm架構(gòu)的個(gè)人電腦處理器，類似于蘋果的芯片。

Srouji表示：“我無(wú)法討論法律事務(wù)，但我們確實(shí)關(guān)注知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。當(dāng)某些人因特定原因離開(kāi)時(shí)，那是他們的選擇。”

由于智能手機(jī)銷售剛剛從多年來(lái)的最低水平中恢復(fù)過(guò)來(lái)，蘋果的核心業(yè)務(wù)還面臨一些宏觀挑戰(zhàn)。

然而，對(duì)人工智能（AI）工作負(fù)載的需求導(dǎo)致硅片訂單激增，尤其是由Nvidia等公司制造的GPU，其股價(jià)今年已飆升超過(guò)200%，與ChatGPT和其他生成式AI服務(wù)的普及有關(guān)。

自2016年以來(lái)，谷歌一直在為AI設(shè)計(jì)張量處理單元。亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）自2018年以來(lái)一直擁有自己的數(shù)據(jù)中心AI芯片。微軟于11月發(fā)布了其新的AI芯片。

Srouji表示，蘋果的團(tuán)隊(duì)一直在研發(fā)其機(jī)器學(xué)習(xí)引擎，即Apple Neural Engine，早在2017年A11 Bionic芯片中推出之前就開(kāi)始了。他還指出，其CPU中嵌入了機(jī)器學(xué)習(xí)加速器和“高度優(yōu)化的用于機(jī)器學(xué)習(xí)的GPU”。

蘋果的神經(jīng)引擎驅(qū)動(dòng)其所稱的“設(shè)備上的機(jī)器學(xué)習(xí)功能”，如Face ID和Animojis。

今年7月，彭博社報(bào)道稱，蘋果建立了自己的大型語(yǔ)言模型Ajax和一個(gè)名為Apple GPT的聊天機(jī)器人。一位發(fā)言人拒絕確認(rèn)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)了兩打以上的人工智能公司。

在被問(wèn)及蘋果是否在人工智能領(lǐng)域落后時(shí)，Srouji表示：“我不認(rèn)為我們是。”

Bajarin則更為懷疑。

他說(shuō)：“在去年的芯片上是可行的，今年的芯片加上M3更有能力。”他在談到蘋果在人工智能方面的立場(chǎng)時(shí)表示：“但軟件必須跟上，以便開(kāi)發(fā)人員充分利用并在蘋果Silicon上編寫未來(lái)的人工智能軟件。”

他預(yù)計(jì)會(huì)有改善，并且會(huì)很快發(fā)生。

Bajarin表示：“蘋果在第一天就有機(jī)會(huì)真正進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。但我認(rèn)為每個(gè)人都期待著在未來(lái)一年內(nèi)會(huì)有所突破。”