从无到有和从有到优，苹果迈向“芯”自由

文/陈根

在6月7日凌晨召开的苹果2022年全球开发者大会（WWDC）上，苹果全新一代自研芯片M2和首批搭载该芯片的新款笔记本电脑Mac Book Air如约而至。无疑，M2芯片是苹果本次大会的发布重点，虽然M2芯片没有M1芯片诞生时那种从无到有的开创感，但依然给人以惊艳。

从2010年拿出首款自研手机芯片A4开始，围绕着苹果芯片实力的争议始终未曾间断。如今，随着苹果M系列芯片的推出，Mac电脑几乎已经完成了从intel芯片向自研芯片的转换。如今，专为Mac设计的M2，让Mac性能再次进化。这意味着，苹果的本地计算能力、芯片生态正在进一步深入。

从无到有，从有到优，苹果正在迈向“芯”自由。

苹果的“芯”窘境

更早以前，苹果芯片也曾处于受制于人的窘境。

1984年，苹果在发布的Macintosh个人电脑中搭载了摩托罗拉68000系列处理器，这是史上最早使用32位指令集的处理器之一，集成了6万8千颗晶体管，是同时代英特尔8086产品的两倍，其性能可以称得上是业内顶尖。

然而，在此后的几年里，随着SUN、DEC、英特尔等玩家相继拿出性能更强的处理器产品，摩托罗拉的芯片开发进度一再落后，修修补补的Macintosh已经跟不上时代了。为了保持产品领先，苹果最终决定，自己造芯片。而这一重任，落在了苹果高新技术小组ATG的头上。苹果的第一次“造芯”尝试，就始于ATG。

但事实并没有如意，对于首次自研芯片，苹果大胆地采用了了无高速缓存（Cache）设计，只保留很少的片上内存，由软件管理存储。而最后也证明，这是一款并不符合技术发展路径的芯片。在烧光了上千万美元却始终无法拿出可落地的项目后，1989年，苹果不得不叫停了芯片项目，解散了相关团队。

自研芯片的惨淡收场下，苹果只能选择与芯片大厂合作。1994年，苹果公司认定了IBM的PowerPC处理器，一用就是10年；2005年，乔布斯与英特尔CEO欧德宁共同登台，宣布Mac将采用英特尔处理器，一用就是15年。可以说，苹果最辉煌的日子，基本都是英特尔陪着一起走过的。

而在那个年代里，凭借兼容和授权模式抢占市场，微软和英特尔几乎垄断了芯片市场，建立起牢不可破的“Wintel”联盟。在Wintel体系中，下游整机厂左手高性能芯片，右手最新款操作系统，依靠高度产业分工，自己只要做好组装销售，就能在广阔的时代红利面前赚到足够的钱。

惠普、戴尔，包括后来的联想，都受益于此。贸工虽然好，但一个不可回避的问题却是：只赚不到5%的毛利，却要受95%的限制；明明芯片交付延迟，自己却要为之背锅，打乱产品节奏。

比如， 2003年，乔布斯在推出搭载PowerPC处理器的Mac时说，十二个月内处理器的频率就会达到3GHz，但实际上在24个月之后，3GHz的处理器依然不见踪影。这个锅，虽然是IBM的，但是却要苹果来背。原因无他——核心零部件被别人攥在手里。

后来，苹果虽然与英特尔搭伙配合，开始十年里，英特尔的确在摩尔定律下，与苹果友好协作。但随着摩尔定律的推进逐渐进入瓶颈期，英特尔对于满足苹果的需求也愈发吃力。

英特尔的“14nm”已经用了六年，虽然2020年10nm处理器也陆续落地，但其仍旧集中在笔记本市场的移动处理器领域，而代表其消费级最高水平的10nmPC处理器仍然遥遥无期。英特尔称自己的14nm工艺也有性能上的显著提升，但事实是，英特尔与台积电、三星在制程工艺上的差距在越拉越大。

AMD凭借Zen2架构和台积电7nm工艺加持，在PC市场中连连获得消费者好评，同样的功率下，AMD架构能提供更强的性能。而英特尔在不改变制程工艺的前提下，只靠提升主频来提升性能，已经远远不能满足苹果的需求了。不仅如此，从2018年三季度开始，英特尔还时不时地出现缺货，即便在2018年底做出承诺提升产能，但缺货的问题直到2019年一季度结束仍然没有得到解决。

在这样的背景下，显然，对于苹果来说，只有把芯片核心技术把握在自己手中，才能摆脱受制于人的窘境。

苹果芯片从有到优

2010年4月，苹果秘密自研的A4芯片正式登台亮相。之后十年，苹果逐渐建立起了属于自己的芯片帝国。

A4芯片推出的两年后，2012年，iPad第一次用上了苹果自研芯片A5X，从此，以X作为结尾的A系列芯片就成为了iPad系列产品的专属。芯片性能的发挥，很大程度上受制于设备的散热规格，散热越强，芯片运行主频越高，芯片性能就会随之提升，iPad得益于更大的体积空间，可以放入更高规格的散热系统，从而也让X结尾的A系列芯片的性能相较于同代A系列又有大幅提升。

2013年的A7芯片开启了手机处理器的64位时代。A7芯片使用了苹果自家的Cyclone架构，采用28nm工艺，主频1.3GHz，其处理器的性能比iPhone5上的A6快2倍，是初代A4的40倍，图形能力是初代A4的56倍。也就是这一年，苹果A系芯片的霸主地位正式确立，一众安卓8核旗舰手机被A7的6核心“按在地上摩擦”。高通、联发科面对苹果A系芯片，在当时可以说毫无还手之力。

四年后，A11Bonic仿生芯片的推出，让智能手机跨入了AI时代，神经引擎的加入，通过算法进一步提升了手机全方位的功能和体验，如AR、人脸识别、图像合成都成为现实。而也是在A11上，苹果第一次采用了自己设计的GPU核心。A11采用了台积电当时最先进的10nm工艺制程，拥有43亿个晶体管，大核性能相比A10提升25%，GPU性能较A10性能提升30%，而功耗则降低了50%。

从芯片自给自足开始，苹果每次都保证自己的A系采用当时最先进的制程工艺，从而保证较为出色的能效比。A系列芯片成功的背后，从收购专利到高薪挖人，苹果造芯的决心可见一斑。

要造芯片，没有底层架构自然不行，于是，苹果花费巨资，从Arm那里直接买来了当时最高等级架构授权。有了底层架构，接下来就是集齐硅谷“将相良才”在上面搭建起属于自己的芯片。

2008年，苹果2.78亿美金收购P.A.半导体，打响了芯片自研的第一枪，其产品也成为了后来A系列芯片的前身。紧接着，苹果又以1.2亿收购Intrinsity，两家公司加起来，一共为苹果带来超过250位优秀工程师。此外，做闪存控制器的Anobit公司，做通信芯片的Passif半导体，飞思卡尔的200余项专利，也在日后相继被苹果收入囊中。

能收购企业，苹果绝不只是收购专利；但如果遇到收购不了的企业，苹果就高薪挖人。苹果主管硬件的高级副总裁Johny Srouji，曾在英特尔和IBM担任研发经理。在苹果只工作了两年，就带头研发出了A4和A5芯片架构的Jim Keller，则出自AMD，同时也是日后“锐龙”团队的负责人。加上AMD的Bob Drebin，ATI的Raja Koduri，IBM的Mark Papermaste，星光熠熠的苹果芯片大军背后，其实是整个美国芯片设计的群英荟萃。

属于苹果的芯片帝国

如果说A系列芯片构成了苹果智能手机的基础，那么W系列、S系列芯片则构成了苹果的智能耳机、智能手表的品类基础，也让这些设备在底层实现打通。苹果的智能产品生态，也逐渐枝繁叶茂。

除此之外，M1芯片则是苹果打开的再一个时代。2020年，苹果发布了自研芯片Apple Silicon的第一代产品——M1芯片。首批搭载M1芯片的Mac产品共有三款：MacBook Air、13寸MacBook Pro和MacMini。

要知道，优化芯片的功耗（Power）、性能（Performance）和面积（Area）是设计芯片的重要准则。比如，为了提升芯片的性能，可以加入多级流水线、增加总线宽度、或者增加各种硬核处理单元，但此时就很有可能会付出更高的功耗、以及更大的芯片面积作为代价。反之，如果想要设计低功耗的芯片，那也很有可能需要牺牲一部分芯片的性能。也就是说，在实际工程实践中，功耗、性能和面积往往都是相互折中、互相平衡的关系。

然而，苹果的M1芯片却展现出了功耗、性能和面积兼顾的效果。在高性能和低功耗这两个往往此消彼长的维度里，M1芯片同时取得了极大的提升。除了CPU之外，M1里的GPU也取得了类似的性能提升和功耗下降。苹果表示，M1有着当前世界上最好的CPU每瓦性能，以及当前世界上最快的集成显卡。

究其原因，一方面，M1是目前世界上第一个、也是唯一一个使用了台积电5纳米工艺的笔记本处理器芯片，其中包含了160亿支晶体管。根据台积电的数据，和前一代的7纳米工艺相比，使用5纳米工艺制造的晶体管：密度提升80%，速度提升15%，功耗降低30%。有了新的制造工艺，就可以在芯片面积保持不变的情况下，往一颗芯片里塞进去更多的晶体管，并且功耗更低、性能更高。

另一方面，苹果的UMA结构中，让原本在电路板上的内存颗粒，整合到芯片的封装里。这使得芯片上的CPU、GPU、AI引擎都能够更快的访问到内存，同时也大幅降低了数据传输的功耗。此外，各个模块之间可以共享内存，也省去了很多数据搬运、拷贝的开销。

此外，更重要的是，苹果M1芯片协同深度优化了苹果软硬件——至今，结合软硬件、操作系统和生态做深度优化，都是苹果独有的。苹果M1芯片的发布，正式完成了这个生态的闭环，事实上，正是这种封闭的生态才有可能成就像M1芯片这样的技术。

而此次苹果全球开发者大会2022中，根据苹果的介绍，M2芯片采用5nm制程，集成了200亿个晶体管，比 M1 多出 25% 。相比上一代M1，M2的性能高出18%。M2在性能增强的基础上，功耗做到了进一步降低。苹果声称，M2同功耗下的性能是最新10核PC笔记本电脑芯片性能的1.9倍。

看起来，M2更像是M1的升级版。而搭载了这颗新芯片的MacBook Air，外观进行了重新设计，一改过去坚持了十多年的楔形形态，采用了直角切边使外观更方形，更接近于MacBook Pro。

但无论如何，从两年前苹果宣布桌面芯片自研计划，宣布用两年时间完成从英特尔芯片向苹果自研芯片的过渡至今，“两年之约”里，苹果都如愿摆脱了英特尔的束缚，几乎实现了Mac产品线自研芯片的全面替换。并且，不论是前无古人的 M1 系列芯片，还是逐步下放到 IoT 的 A 系芯片，都使苹果的硬件拥有了几近一致的体验，并在此基础上建立出了所谓的生态。

从无到有，从有到优，苹果能收获那么多关注，成为帝国一般的存在，不是没有理由的。