蘋(píng)果造芯史

2010 年，蘋(píng)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(píng)果自己的芯片，這意味著(zhù)蘋(píng)果結束了 15 多年對英特爾的依賴(lài)。

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

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)，智能手機正在從嚴重的銷(xiāo)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(píng)果批準了一部分媒體前往蘋(píng)果位于加利福尼亞州庫比蒂諾的園區的芯片實(shí)驗室參觀(guān)。蘋(píng)果芯片部門(mén)負責人 Johny Srouji 介紹了該公司進(jìn)軍定制芯片領(lǐng)域并開(kāi)發(fā)這一復雜業(yè)務(wù)的情況。

「我們有數千名工程師，」Srouji 說(shuō)?！傅绻憧纯次覀兊男酒M合：實(shí)際上非常精簡(jiǎn)。效率很高?！古c傳統芯片制造商不同，蘋(píng)果不為其他公司生產(chǎn)芯片。

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

自研芯片自 2010 年起為 iPhone 賦能

Srouji 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，為 iPhone 設計定制芯片。他加入一個(gè)月后，蘋(píng)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 首席執行官兼首席分析師 Ben Bajarin 表示：「蘋(píng)果將開(kāi)始生產(chǎn)自己的芯片：這是他們購買(mǎi) PA Semi 后的直接收獲?！笲ajarin 表示，憑借其「固有的設計重點(diǎn)」，蘋(píng)果希望「控制盡可能多的堆?！?。

收購兩年后，蘋(píng)果在 iPhone 4 和初代 iPad 中推出了首款定制芯片 A4?！肝覀儤嫿私y一內存架構，該架構可跨產(chǎn)品擴展，」Srouji 說(shuō)?！肝覀儤嫿艘粋€(gè)從 iPhone 開(kāi)始的架構，然后我們將其擴展到 iPad，然后擴展到 apple watch，最終擴展到 Mac?！?/p>

蘋(píng)果的芯片團隊已發(fā)展到數千名工程師，在世界各地的實(shí)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(chǎng)。

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）。它將中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU) 和其他組件結合在一起。蘋(píng)果還有一個(gè)「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(shuō)。

蘋(píng)果的首款 SoC 是 A 系列，從 2010 年的 A4 進(jìn)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(gè)主要 SoC 是 M 系列，于 2020 年首次發(fā)布，現在為所有新款 Mac 和更先進(jìn)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(jìn)行通信。最新的芯片 R1 將于明年初在蘋(píng)果的 Vision Pro 耳機中上市。蘋(píng)果致力于處理來(lái)自設備攝像頭、傳感器和麥克風(fēng)的輸入，表示將在 12 毫秒內將圖像傳輸到顯示器。

「我們可以提前設計芯片，」Srouji 說(shuō)。他的員工與 Ternus 的團隊合作，「準確無(wú)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 內的 H2 可以實(shí)現更好的降噪效果。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(gè) Apple Neural Engine，這是 SoC 的專(zhuān)用部分，用于完全在設備上執行 AI 任務(wù)。

9 月份在 iPhone 15 Pro 和 Pro Max 中發(fā)布的最新 A17 Pro 實(shí)現了計算攝影和游戲高級渲染等功能的重大飛躍。iPhone 營(yíng)銷(xiāo)負責人 Kaiann Drance 表示：「這實(shí)際上是 GPU 架構和蘋(píng)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(xiàn)跟蹤。我們還擁有網(wǎng)格著(zhù)色加速功能，讓游戲開(kāi)發(fā)者能夠創(chuàng )造出一些真正令人驚嘆的視覺(jué)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(kāi)發(fā)。

蘋(píng)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(shuō)?！副M管我們不是一家芯片公司，但我們引領(lǐng)行業(yè)是有原因的?！?/p>

取代 Mac 中的英特爾

蘋(píng)果公司在 10 月份發(fā)布了用于 Mac 電腦的 M3 芯片，繼續向 3 納米工藝邁進(jìn)。蘋(píng)果表示，M3 具有 22 小時(shí)電池續航時(shí)間等功能，并且與 A17 Pro 類(lèi)似，還提高了圖形性能。

「現在還為時(shí)過(guò)早，」在蘋(píng)果工作了 22 年的 Ternus 說(shuō)?！肝覀冞€有很多工作要做，但現在幾乎所有 Mac 都能夠運行 3A 游戲，這與五年前不同?！筎ernus 表示，他在開(kāi)始這項工作時(shí)，「傾向于使用其他公司的技術(shù)來(lái)制造產(chǎn)品，然后圍繞該技術(shù)有效地構建產(chǎn)品?！巩敃r(shí)盡管注重美觀(guān)的設計，但「還是受到了當時(shí)可用技術(shù)的限制?！?/p>

蘋(píng)果在 2020 年放棄使用英特爾的 PC 處理器，轉而在 MacBook Air 和其他 Mac 中使用自己的 M1 芯片，這是半導體行業(yè)的一項重大轉變。

「這幾乎就像物理定律發(fā)生了變化，」Ternus 說(shuō)?！竿蝗恢g，我們可以打造出一款極其輕薄、無(wú)風(fēng)扇、電池續航時(shí)間長(cháng)達 18 小時(shí)的 MacBook Air，并且性能優(yōu)于我們剛剛發(fā)貨的 MacBook Pro?！古鋫涮O(píng)果最先進(jìn)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，這是 PC 制造商的傳統選擇，并為此開(kāi)發(fā)了很多軟件。蘋(píng)果公司的處理器基于競爭對手的 Arm 架構，該架構以功耗更低、筆記本電腦電池續航時(shí)間更長(cháng)而聞名。蘋(píng)果 2020 年的 M1 是高端計算機中基于 Arm 的處理器的一個(gè)證明，與高通等其他大牌一樣，AMD 和英偉達也被傳出在開(kāi)發(fā)基于 Arm 的 PC 處理器。2023 年 9 月，蘋(píng)果將與 Arm 的協(xié)議至少延長(cháng)至 2040 年。

13 年前，當第一顆定制芯片問(wèn)世時(shí)，蘋(píng)果公司作為一家試圖在競爭激烈、成本高昂的半導體市場(chǎng)上生產(chǎn)自己產(chǎn)品的非芯片公司，顯得不同尋常。從那時(shí)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(píng)果可以說(shuō)是開(kāi)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>

「調制解調器很難」

蘋(píng)果尚未生產(chǎn)其設備中的所有芯片。例如，調制解調器是該公司尚未獨自攻克的一大組件。

「處理器開(kāi)發(fā)的進(jìn)度非常好。蘋(píng)果陷入困境的地方是調制解調器方面，是電話(huà)中的無(wú)線(xiàn)電方面，」Rasgon 說(shuō)?！刚{制解調器很難?！?/p>

蘋(píng)果公司的調制解調器依賴(lài)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)權法律糾紛。不久之后，蘋(píng)果以 10 億美元收購了英特爾 5G 調制解調器業(yè)務(wù)的大部分股份，此舉可能是為了開(kāi)發(fā)自己的蜂窩調制解調器。但調制解調器的開(kāi)發(fā)沒(méi)有那么順利，9 月，蘋(píng)果與高通簽約，在 2026 年之前供應其調制解調器。

「高通仍然制造世界上最好的調制解調器，」Bajarin 說(shuō)?！冈谔O(píng)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(diǎn)?！?/p>

蘋(píng)果公司的 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)心蜂窩網(wǎng)絡(luò )，我們有團隊支持這一點(diǎn)?！?/p>

據報道，蘋(píng)果公司還在開(kāi)發(fā)自己的 Wi-Fi 和藍牙芯片。目前，蘋(píng)果與博通就無(wú)線(xiàn)組件達成了一項價(jià)值數十億美元的新協(xié)議。蘋(píng)果依賴(lài)三星和美光等第三方提供內存。

當被問(wèn)及蘋(píng)果是否會(huì )嘗試設計其芯片的每個(gè)部分時(shí)，Srouji 說(shuō)：「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(gè)技術(shù)團隊（還包括芯片），我們希望構建能夠實(shí)現這一愿景的最佳技術(shù)?！?/p>

Srouji 表示，為了實(shí)現這一目標，蘋(píng)果將「購買(mǎi)現成的產(chǎn)品」，如果這意味著(zhù)團隊可以專(zhuān)注于「真正重要的事情」。

無(wú)論蘋(píng)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(chǎng)。

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

尋找人才

另一個(gè)擔憂(yōu)是美國熟練芯片勞動(dòng)力的短缺，美國幾十年來(lái)都沒(méi)有建造先進(jìn)的晶圓廠(chǎng)。臺積電表示，由于缺乏熟練工人，其亞利桑那工廠(chǎng)現已推遲至 2025 年。

無(wú)論是否與人才短缺有關(guān)，蘋(píng)果新芯片的發(fā)布速度都在放緩?！笌状嘶ㄙM的時(shí)間越來(lái)越長(cháng)，因為他們變得越來(lái)越難，」Srouji 說(shuō)?！付曳庋b更多晶體管并獲得能效的能力也與 10 年前不同?！?/p>

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

盡管如此，蘋(píng)果的行動(dòng)還是凸顯了市場(chǎng)的競爭力。2019 年，蘋(píng)果芯片架構師 Gerard Williams) 離職，領(lǐng)導了一家名為 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)果公司因知識產(chǎn)權問(wèn)題起訴 Williams，但今年撤銷(xiāo)了此案。高通于 2021 年收購了 Nuvia，此舉是為了在蘋(píng)果等基于 Arm 的 PC 處理器領(lǐng)域展開(kāi)競爭。

「我不能討論法律問(wèn)題，但我們關(guān)心知識產(chǎn)權保護，」Srouji 說(shuō)?！府斈承┤艘驗槟承┰螂x開(kāi)時(shí)，那是他們的選擇?！?/p>

蘋(píng)果的核心業(yè)務(wù)面臨著(zhù)額外的宏觀(guān)挑戰，因為智能手機銷(xiāo)量剛剛從多年來(lái)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(luò )服務(wù)自 2018 年起就有了自己的數據中心 AI 芯片。微軟于 11 月發(fā)布了新的 AI 芯片。

Srouji 表示，他的蘋(píng)果團隊自 2017 年在 A11 仿生芯片中推出機器學(xué)習引擎 Apple Neural Engine 以來(lái)，就一直致力于開(kāi)發(fā)該引擎。他還指出，其 CPU 中嵌入了機器學(xué)習加速器，并且「高度優(yōu)化的 GPU」用于機器學(xué)習。

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

自 2015 年以來(lái)，蘋(píng)果收購了超過(guò) 24 家人工智能公司。當被問(wèn)及蘋(píng)果在人工智能領(lǐng)域是否落后時(shí)，Srouji 說(shuō)：「我不相信我們會(huì )落后?！?/p>

不過(guò)，Bajarin 持懷疑態(tài)度。在談到蘋(píng)果在人工智能領(lǐng)域的地位時(shí)，Bajarin 表示：「這在蘋(píng)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(diǎn)，這樣開(kāi)發(fā)人員才能利用這一優(yōu)勢，在 Apple Silicon 上編寫(xiě)明天的人工智能軟件?！?/p>