蘋果造芯史

2010 年，蘋果首次在 iPhone 4 中首次采用自研芯片。2023 年，所有新款 Mac 電腦均采用蘋果自己的芯片，這意味著蘋果結(jié)束了 15 多年對英特爾的依賴。

「在過去 20 年里，蘋果公司最深刻的變化之一，就是我們現(xiàn)在如何在內(nèi)部做這么多這樣的技術(shù)，」蘋果公司硬件工程負責人約翰·特爾努斯（John Ternus）說?！府斎?，排在首位的是我們的芯片?！?/p>

這一變化也讓蘋果面臨了一系列新的風險。其最先進的芯片主要由臺積電制造。與此同時，智能手機正在從嚴重的銷售下滑中復蘇，而微軟等競爭對手人工智能正在取得巨大飛躍。

11 月，蘋果批準了一部分媒體前往蘋果位于加利福尼亞州庫比蒂諾的園區(qū)的芯片實驗室參觀。蘋果芯片部門負責人 Johny Srouji 介紹了該公司進軍定制芯片領域并開發(fā)這一復雜業(yè)務的情況。

「我們有數(shù)千名工程師，」Srouji 說。「但如果你看看我們的芯片組合：實際上非常精簡。效率很高?！古c傳統(tǒng)芯片制造商不同，蘋果不為其他公司生產(chǎn)芯片。

「因為我們并不真正對外銷售芯片，所以我們專注于產(chǎn)品，」Srouji 說。「這讓我們可以自由地進行優(yōu)化，而可擴展的架構(gòu)讓我們可以在不同產(chǎn)品之間重復使用各個部分?！?/p>

自研芯片自 2010 年起為 iPhone 賦能

Srouji 于 2008 年加入蘋果，領導一個由 40 到 50 名工程師組成的小團隊，為 iPhone 設計定制芯片。他加入一個月后，蘋果以 2.78 億美元收購了 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：「蘋果將開始生產(chǎn)自己的芯片：這是他們購買 PA Semi 后的直接收獲?！笲ajarin 表示，憑借其「固有的設計重點」，蘋果希望「控制盡可能多的堆?！埂?/p>

收購兩年后，蘋果在 iPhone 4 和初代 iPad 中推出了首款定制芯片 A4?！肝覀儤?gòu)建了統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)，該架構(gòu)可跨產(chǎn)品擴展，」Srouji 說。「我們構(gòu)建了一個從 iPhone 開始的架構(gòu)，然后我們將其擴展到 iPad，然后擴展到 apple watch，最終擴展到 Mac。」

蘋果的芯片團隊已發(fā)展到數(shù)千名工程師，在世界各地的實驗室工作，包括以色列、德國、奧地利、英國和日本。在美國，該公司在硅谷、圣地亞哥和得克薩斯州奧斯汀設有工廠。

蘋果正在開發(fā)的主要芯片類型被稱為片上系統(tǒng)（SoC）。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。蘋果還有一個「運行神經(jīng)引擎」的神經(jīng)處理單元 (NPU)?！高@是硅芯片以及芯片上的所有模塊，」Bajarin 說。

蘋果的首款 SoC 是 A 系列，從 2010 年的 A4 進階到今年 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 和更先進的 iPad 提供支持。該產(chǎn)品已達到 M3 系列。

S 系列于 2015 年推出，采用系統(tǒng)級封裝 (SiP)，適用于 Apple Watch。AirPods 中使用了 H 和 W 芯片。U 芯片允許 Apple 設備之間進行通信。最新的芯片 R1 將于明年初在蘋果的 Vision Pro 耳機中上市。蘋果致力于處理來自設備攝像頭、傳感器和麥克風的輸入，表示將在 12 毫秒內(nèi)將圖像傳輸?shù)斤@示器。

「我們可以提前設計芯片，」Srouji 說。他的員工與 Ternus 的團隊合作，「準確無誤地制造針對這些產(chǎn)品的芯片，而且只針對這些產(chǎn)品?！估?，第二代 AirPods Pro 內(nèi)的 H2 可以實現(xiàn)更好的降噪效果。在新款 Apple Watch Series 9 中，S9 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 Apple Neural Engine，這是 SoC 的專用部分，用于完全在設備上執(zhí)行 AI 任務。

9 月份在 iPhone 15 Pro 和 Pro Max 中發(fā)布的最新 A17 Pro 實現(xiàn)了計算攝影和游戲高級渲染等功能的重大飛躍。iPhone 營銷負責人 Kaiann Drance 表示：「這實際上是 GPU 架構(gòu)和蘋果芯片歷史上最大的重新設計。我們第一次擁有硬件加速光線跟蹤。我們還擁有網(wǎng)格著色加速功能，讓游戲開發(fā)者能夠創(chuàng)造出一些真正令人驚嘆的視覺效果?！惯B鎖反應是，新版芯片導致了 Ubisoft 的《刺客信條：幻影》、《全境封鎖》和 Capcom 的《生化危機 4》等 iPhone 原生版本的開發(fā)。

蘋果表示，A17 Pro 是首款大批量出貨的 3 納米芯片?！肝覀兪褂?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。這對于產(chǎn)品和更高的能效非常重要，」Srouji 說?！副M管我們不是一家芯片公司，但我們引領行業(yè)是有原因的。」

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。蘋果表示，M3 具有 22 小時電池續(xù)航時間等功能，并且與 A17 Pro 類似，還提高了圖形性能。

「現(xiàn)在還為時過早，」在蘋果工作了 22 年的 Ternus 說?！肝覀冞€有很多工作要做，但現(xiàn)在幾乎所有 Mac 都能夠運行 3A 游戲，這與五年前不同?！筎ernus 表示，他在開始這項工作時，「傾向于使用其他公司的技術(shù)來制造產(chǎn)品，然后圍繞該技術(shù)有效地構(gòu)建產(chǎn)品。」當時盡管注重美觀的設計，但「還是受到了當時可用技術(shù)的限制。」

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，這是半導體行業(yè)的一項重大轉(zhuǎn)變。

「這幾乎就像物理定律發(fā)生了變化，」Ternus 說?！竿蝗恢g，我們可以打造出一款極其輕薄、無風扇、電池續(xù)航時間長達 18 小時的 MacBook Air，并且性能優(yōu)于我們剛剛發(fā)貨的 MacBook Pro?！古鋫涮O果最先進芯片 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，并為此開發(fā)了很多軟件。蘋果公司的處理器基于競爭對手的 Arm 架構(gòu)，該架構(gòu)以功耗更低、筆記本電腦電池續(xù)航時間更長而聞名。蘋果 2020 年的 M1 是高端計算機中基于 Arm 的處理器的一個證明，與高通等其他大牌一樣，AMD 和英偉達也被傳出在開發(fā)基于 Arm 的 PC 處理器。2023 年 9 月，蘋果將與 Arm 的協(xié)議至少延長至 2040 年。

13 年前，當?shù)谝活w定制芯片問世時，蘋果公司作為一家試圖在競爭激烈、成本高昂的半導體市場上生產(chǎn)自己產(chǎn)品的非芯片公司，顯得不同尋常。從那時起，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)理兼高級分析師史黛西·拉斯岡 (Stacy Rasgon) 表示：「蘋果可以說是開拓者。他們證明了，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)其設備中的所有芯片。例如，調(diào)制解調(diào)器是該公司尚未獨自攻克的一大組件。

「處理器開發(fā)的進度非常好。蘋果陷入困境的地方是調(diào)制解調(diào)器方面，是電話中的無線電方面，」Rasgon 說?！刚{(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產(chǎn)權(quán)法律糾紛。不久之后，蘋果以 10 億美元收購了英特爾 5G 調(diào)制解調(diào)器業(yè)務的大部分股份，此舉可能是為了開發(fā)自己的蜂窩調(diào)制解調(diào)器。但調(diào)制解調(diào)器的開發(fā)沒有那么順利，9 月，蘋果與高通簽約，在 2026 年之前供應其調(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?！冈谔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?！?/p>

蘋果公司的 Srouji 表示，他無法評論「未來的技術(shù)和產(chǎn)品」，但表示「我們關心蜂窩網(wǎng)絡，我們有團隊支持這一點?！?/p>

據(jù)報道，蘋果公司還在開發(fā)自己的 Wi-Fi 和藍牙芯片。目前，蘋果與博通就無線組件達成了一項價值數(shù)十億美元的新協(xié)議。蘋果依賴三星和美光等第三方提供內(nèi)存。

當被問及蘋果是否會嘗試設計其芯片的每個部分時，Srouji 說：「我們的愿望是產(chǎn)品。我們希望打造地球上最好的產(chǎn)品。作為一個技術(shù)團隊（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，為了實現(xiàn)這一目標，蘋果將「購買現(xiàn)成的產(chǎn)品」，如果這意味著團隊可以專注于「真正重要的事情」。

無論蘋果最終設計了多少芯片，它仍然需要在外部制造芯片。這需要臺積電等代工公司擁有的大型制造工廠。

全球 90% 以上的先進芯片是由臺積電生產(chǎn)的，這使得蘋果和其他行業(yè)公司很容易受到單一供應鏈的影響。蘋果至少希望將部分制造業(yè)務轉(zhuǎn)移到美國，并致力于成為臺積電在亞利桑那州新建工廠的最大客戶。12 月 1 日，蘋果宣布將成為 Amkor 在亞利桑那州價值 20 億美元新封測廠的第一個客戶。Amkor 將封裝臺積電亞利桑那工廠生產(chǎn)的蘋果芯片?！肝覀円恢毕Ｍ麚碛卸嘣墓簛喼蕖W洲和美國，這就是為什么我認為臺積電在亞利桑那州建造工廠很棒，」Srouji 說。

尋找人才

另一個擔憂是美國熟練芯片勞動力的短缺，美國幾十年來都沒有建造先進的晶圓廠。臺積電表示，由于缺乏熟練工人，其亞利桑那工廠現(xiàn)已推遲至 2025 年。

無論是否與人才短缺有關，蘋果新芯片的發(fā)布速度都在放緩?！笌状嘶ㄙM的時間越來越長，因為他們變得越來越難，」Srouji 說?！付曳庋b更多晶體管并獲得能效的能力也與 10 年前不同。」

Srouji 重申了蘋果在這方面具有優(yōu)勢，因為蘋果「不需要擔心將芯片賣給誰，如何瞄準更大的客戶群？」

盡管如此，蘋果的行動還是凸顯了市場的競爭力。2019 年，蘋果芯片架構(gòu)師 Gerard Williams) 離職，領導了一家名為 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。蘋果公司因知識產(chǎn)權(quán)問題起訴 Williams，但今年撤銷了此案。高通于 2021 年收購了 Nuvia，此舉是為了在蘋果等基于 Arm 的 PC 處理器領域展開競爭。

「我不能討論法律問題，但我們關心知識產(chǎn)權(quán)保護，」Srouji 說?！府斈承┤艘驗槟承┰螂x開時，那是他們的選擇。」

蘋果的核心業(yè)務面臨著額外的宏觀挑戰(zhàn)，因為智能手機銷量剛剛從多年來的最低水平恢復。然而，對人工智能工作負載的需求正在導致芯片訂單激增，尤其英偉達等公司生產(chǎn)的 GPU。谷歌自 2016 年起就為 AI 設計了張量處理單元。亞馬遜網(wǎng)絡服務自 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，他的蘋果團隊自 2017 年在 A11 仿生芯片中推出機器學習引擎 Apple Neural Engine 以來，就一直致力于開發(fā)該引擎。他還指出，其 CPU 中嵌入了機器學習加速器，并且「高度優(yōu)化的 GPU」用于機器學習。

蘋果的神經(jīng)引擎為 Face ID 和 Animojis 等所謂的「設備上機器學習功能」提供支持。7 月份，有報道稱，蘋果公司構(gòu)建了自己的大型語言模型（稱為 Ajax）和聊天機器人（稱為 Apple GPT）。發(fā)言人拒絕證實或否認該報道的準確性。

自 2015 年以來，蘋果收購了超過 24 家人工智能公司。當被問及蘋果在人工智能領域是否落后時，Srouji 說：「我不相信我們會落后。」

不過，Bajarin 持懷疑態(tài)度。在談到蘋果在人工智能領域的地位時，Bajarin 表示：「這在蘋果去年的芯片上是可行的，在今年的 M3 芯片上甚至更強大。但軟件必須趕上這一點，這樣開發(fā)人員才能利用這一優(yōu)勢，在 Apple Silicon 上編寫明天的人工智能軟件?！?/p>