蘋(píng)果芯片實(shí)驗室內部：數十年來(lái)公司最‘深刻變革’的源頭

蘋(píng)果公司過(guò)去20年來(lái)股價(jià)的飆升源于其標志性的消費設備。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，有數百臺嗡嗡作響的機器和少數穿著(zhù)實(shí)驗服的工程師，他們正在設計用于推動(dòng)其最受歡迎產(chǎn)品的定制芯片。

蘋(píng)果于2010年首次在iPhone 4中推出自家設計的半導體芯片。截至今年，所有新的Mac電腦都由蘋(píng)果自家的芯片驅動(dòng)，結束了公司15年以上依賴(lài)英特爾的歷史。

蘋(píng)果硬件工程主管約翰·特努斯表示：“在過(guò)去20年里，蘋(píng)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，就是我們現在有很多技術(shù)都是我們自己做的。當然，排在首位的就是我們的芯片。”

這一變化也讓蘋(píng)果面臨了一系列新的風(fēng)險。其最先進(jìn)的芯片主要由臺積電制造。與此同時(shí)，智能手機市場(chǎng)正在從深度銷(xiāo)售低谷中恢復，而微軟等競爭對手在人工智能方面取得了巨大進(jìn)展。

在11月，有媒體訪(fǎng)問(wèn)了位于加利福尼亞州庫比蒂諾的蘋(píng)果總部，這是首次允許記者進(jìn)入公司芯片實(shí)驗室。與蘋(píng)果芯片主管約翰尼·斯魯吉（Johny Srouji）討論公司在復雜的定制半導體開(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。”

與傳統芯片制造商不同，蘋(píng)果不會(huì )為其他公司制造芯片。

斯魯吉說(shuō)：“因為我們實(shí)際上不在外部銷(xiāo)售芯片，所以我們專(zhuān)注于產(chǎn)品。這使我們有自由度進(jìn)行優(yōu)化，并且可擴展的架構使我們能夠在不同產(chǎn)品之間重復使用部分組件。”

斯魯吉于2008年加入蘋(píng)果，領(lǐng)導一個(gè)由40到50名工程師組成的小團隊，負責為iPhone設計定制芯片。加入一個(gè)月后，蘋(píng)果以2.78億美元的價(jià)格收購了一家名為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：“當他們收購P.A. Semi時(shí)，人們立刻意識到他們將開(kāi)始制造自己的芯片。由于其固有的設計焦點(diǎn)，蘋(píng)果希望盡可能多地掌握整個(gè)技術(shù)棧。”

兩年后，蘋(píng)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(chēng)之為可擴展跨產(chǎn)品的統一內存體系結構。我們構建了一個(gè)架構，你可以從iPhone開(kāi)始，然后我們將其擴展到iPad，然后到手表，最終到Mac。”

蘋(píng)果的芯片團隊已經(jīng)發(fā)展到在世界各地的實(shí)驗室中有數千名工程師，包括以色列、德國、奧地利、英國和日本。在美國境內，該公司在硅谷、圣迭戈和德克薩斯州奧斯汀設有設施。

蘋(píng)果正在開(kāi)發(fā)的主要芯片類(lèi)型被稱(chēng)為片上系統（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)，對于蘋(píng)果來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)神經(jīng)處理單元（NPU），它“運行神經(jīng)引擎”。

蘋(píng)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(píng)果的另一款重要的SoC是M系列，于2020年首次發(fā)布，現在驅動(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)較小的系統級封裝（SiP），用于Apple Watch。H和W芯片用于AirPods。U芯片用于Apple設備之間的通信。而最新的芯片R1將于明年初在Apple的Vision Pro頭戴設備中推出，專(zhuān)用于處理設備攝像頭、傳感器和麥克風(fēng)的輸入，并在12毫秒內將圖像傳輸到顯示器。

斯魯吉說(shuō)：“我們可以提前設計芯片。我們的員工與特努斯的團隊一起工作，精確地為那些產(chǎn)品構建芯片，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特功能。在2017年的iPhone中，A11 Bionic首次引入了蘋(píng)果神經(jīng)引擎，這是SoC的一個(gè)專(zhuān)用部分，用于在設備上完全執行AI任務(wù)。

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

Kaiann Drance，iPhone市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)主管表示：“這實(shí)際上是蘋(píng)果芯片架構和Apple硅歷史上最大的GPU架構重設計。我們首次實(shí)現了硬件加速的光線(xiàn)追蹤。我們還具有網(wǎng)格著(zhù)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。”

據蘋(píng)果稱(chēng)，A17 Pro是首個(gè)以3納米技術(shù)生產(chǎn)并大規模投放市場(chǎng)的芯片。

斯魯吉說(shuō)：“我們之所以使用3納米技術(shù)，是因為它使我們能夠在給定的尺寸內裝入更多的晶體管。這對于產(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)導者，是有原因的。”

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

取代英特爾在Mac中的位置

蘋(píng)果的3納米技術(shù)飛躍繼續在10月宣布的M3芯片中。蘋(píng)果表示，M3芯片實(shí)現了22小時(shí)的電池續航時(shí)間，類(lèi)似于A17 Pro，還提升了圖形性能。

特努斯表示：“現在還處于早期階段。我們還有很多工作要做，但我認為現在幾乎所有的Mac都能運行AAA級游戲，這與五年前是不同的。”

他說(shuō)：“當我開(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)構建產(chǎn)品。”盡管注重美麗的設計，“它們受到了可用技術(shù)的限制。”

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

特努斯表示：“這幾乎就像物理規律發(fā)生了變化。突然之間，我們可以制造一臺非常輕薄、沒(méi)有風(fēng)扇、電池續航時(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(píng)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，是PC制造商的傳統選擇，有很多為其開(kāi)發(fā)的軟件。而蘋(píng)果的處理器基于競爭對手Arm架構，以使用更少功耗，延長(cháng)筆記本電腦電池壽命而聞名。

蘋(píng)果M1在2020年對于高端計算機中的Arm架構處理器是一個(gè)驗證點(diǎn)，其他大公司如高通，據報道還有AMD和Nvidia，也在開(kāi)發(fā)基于Arm架構的PC處理器。今年9月，蘋(píng)果通過(guò)至少2040年擴展了與Arm的協(xié)議。

蘋(píng)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爭激烈、成本高昂的半導體市場(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分析師斯泰西·拉斯貢表示：“蘋(píng)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(píng)果硬件驗證高級總監Godfrey D'Souza在加利福尼亞州庫比蒂諾的蘋(píng)果芯片實(shí)驗室展示M3 SoC

“調制解調器很難”

蘋(píng)果目前尚未在其設備中生產(chǎn)所有硅片。例如，調制解調器（Modems）是公司尚未完全掌握的一個(gè)關(guān)鍵組件。

Rasgon表示：“處理器表現得相當出色。他們在調制解調器領(lǐng)域，尤其是手機的無(wú)線(xiàn)電方面遇到了困難。調制解調器的制造相當復雜。”

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

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

蘋(píng)果的Srouji表示，他無(wú)法評論“未來(lái)的技術(shù)和產(chǎn)品”，但表示“我們關(guān)心蜂窩技術(shù)，并有團隊致力于此。”

據報道，蘋(píng)果還在研發(fā)自己的Wi-Fi和藍牙芯片。目前，蘋(píng)果與Broadcom簽署了一份數十億美元的新交易，用于購買(mǎi)無(wú)線(xiàn)組件。蘋(píng)果還依賴(lài)三星和美光等公司提供存儲器。

Srouji在被問(wèn)及蘋(píng)果是否會(huì )嘗試設計芯片的每個(gè)部分時(shí)表示：“我們的愿望是產(chǎn)品。我們想要構建地球上最好的產(chǎn)品。作為技術(shù)團隊，包括在這種情況下的芯片，我們希望構建能夠實(shí)現這一愿景的最佳技術(shù)。”

為了實(shí)現這一目標，蘋(píng)果將“采用現成的”解決方案，以便團隊可以專(zhuān)注于“真正重要的事情”，Srouji說(shuō)。

不論最終蘋(píng)果設計了多少硅片，它仍然需要外部制造芯片。這需要由像TSMC這樣的晶圓廠(chǎng)公司擁有的大規模制造工廠(chǎng)。

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

Bajarin表示：“顯然，圍繞著(zhù)，如果發(fā)生了什么，計劃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爭力，英特爾也希望能夠達到那個(gè)水平。但是，目前我們不是。真的全部都依賴(lài)TSMC。”

至少，蘋(píng)果正在考慮將一些制造業(yè)務(wù)帶回美國。它承諾成為TSMC在亞利桑那州新建工廠(chǎng)的最大客戶(hù)。此外，蘋(píng)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制造和包裝設施的第一家也是最大的客戶(hù)。Amkor將對由TSMC在亞利桑那州工廠(chǎng)生產(chǎn)的蘋(píng)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鏈：亞洲、歐洲和美國，這就是為什么我認為TSMC在亞利桑那州建廠(chǎng)是一件好事。”

尋找人才

另一個(gè)問(wèn)題是美國在高級芯片勞動(dòng)力方面的短缺，高級晶圓廠(chǎng)幾十年來(lái)一直未有建設。TSMC表示，由于缺乏熟練工人，其亞利桑那州工廠(chǎng)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(píng)果在新芯片發(fā)布方面已經(jīng)放緩。

Srouji表示：“因為制造芯片變得越來(lái)越困難，所以新一代芯片的推出時(shí)間較長(cháng)。在10年前，提升性能并實(shí)現能效也與以往不同。”

Srouji重申了他的觀(guān)點(diǎn)，即蘋(píng)果在這方面有優(yōu)勢，因為“我不需要擔心將芯片發(fā)送到哪里，如何面向更大的客戶(hù)群體？”

盡管如此，蘋(píng)果的行動(dòng)也突顯了市場(chǎng)的競爭激烈。2019年，蘋(píng)果芯片架構師Gerard Williams離職，成立了一家名為Nuvia的數據中心芯片初創(chuàng )公司，并帶走了一些蘋(píng)果工程師。蘋(píng)果以涉及知識產(chǎn)權的原因起訴了Williams，但今年撤回了訴訟。高通于2021年收購了Nuvia，以競爭基于Arm架構的個(gè)人電腦處理器，類(lèi)似于蘋(píng)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)注知識產(chǎn)權保護。當某些人因特定原因離開(kāi)時(shí)，那是他們的選擇。”

由于智能手機銷(xiāo)售剛剛從多年來(lái)的最低水平中恢復過(guò)來(lái)，蘋(píng)果的核心業(yè)務(wù)還面臨一些宏觀(guān)挑戰。

然而，對人工智能（AI）工作負載的需求導致硅片訂單激增，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設計張量處理單元。亞馬遜網(wǎng)絡(luò )服務(wù)（AWS）自2018年以來(lái)一直擁有自己的數據中心AI芯片。微軟于11月發(fā)布了其新的AI芯片。

Srouji表示，蘋(píng)果的團隊一直在研發(fā)其機器學(xué)習引擎，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中嵌入了機器學(xué)習加速器和“高度優(yōu)化的用于機器學(xué)習的GPU”。

蘋(píng)果的神經(jīng)引擎驅動(dòng)其所稱(chēng)的“設備上的機器學(xué)習功能”，如Face ID和Animojis。

今年7月，彭博社報道稱(chēng)，蘋(píng)果建立了自己的大型語(yǔ)言模型Ajax和一個(gè)名為Apple GPT的聊天機器人。一位發(fā)言人拒絕確認或否認該報道的準確性。

自2015年以來(lái)，蘋(píng)果還收購了兩打以上的人工智能公司。

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

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(píng)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(píng)果Silicon上編寫(xiě)未來(lái)的人工智能軟件。”

他預計會(huì )有改善，并且會(huì )很快發(fā)生。

Bajarin表示：“蘋(píng)果在第一天就有機會(huì )真正進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。但我認為每個(gè)人都期待著(zhù)在未來(lái)一年內會(huì )有所突破。”