蘋果芯片實(shí)驗(yàn)室都做了什么事？

過去二十年來，蘋果公司股價(jià)飆升的動(dòng)力來自于其標(biāo)志性消費(fèi)設(shè)備，始于iPod和iMac，然后是iPhone和iPad。近年來，蘋果又推出了Apple Watch和AirPods。

但是，對(duì)于這家美國(guó)市值最大的公司來說，除了這些小型設(shè)備，還有很多其他的東西。在硅谷總部，蘋果公司正在設(shè)計(jì)為蘋果最受歡迎產(chǎn)品提供支持的自研芯片。

早在2010年，蘋果就首次在iPhone 4上搭載了自研芯片。到今年為止，所有新款Mac電腦都采用蘋果自己的芯片，結(jié)束了該公司對(duì)英特爾長(zhǎng)達(dá)15年的依賴。

蘋果公司負(fù)責(zé)硬件工程的約翰·特納斯（John Ternus）表示，在過去20年里，蘋果最深刻的變化之一就是在內(nèi)部開發(fā)更多技術(shù)，其中最重要的當(dāng)然是芯片。

這一變化也使蘋果面臨一系列新的風(fēng)險(xiǎn)。蘋果公司最先進(jìn)的芯片主要由臺(tái)積電生產(chǎn)，而地緣政治日趨緊張。與此同時(shí)，智能手機(jī)正從嚴(yán)重的銷售低迷中復(fù)蘇，微軟等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手正在人工智能（AI）領(lǐng)域取得巨大飛躍。

蘋果芯片部門主管喬尼·斯魯吉（Johny Srouji）指出，亞馬遜、谷歌、微軟和特斯拉也在自研芯片?！拔覀冇袛?shù)千名工程師，你看看我們的芯片組合，非常精簡(jiǎn)，非常高效?！?/p>

與傳統(tǒng)的芯片制造商不同，蘋果并不為其他公司生產(chǎn)芯片。他指出，“因?yàn)槲覀儾⒉粚?duì)外銷售芯片，所以我們專注于產(chǎn)品，這給了我們優(yōu)化芯片的自由，可擴(kuò)展的架構(gòu)讓我們可以在不同產(chǎn)品之間重復(fù)使用芯片。”

蘋果自研芯片2010年起為iPhone賦能

斯魯吉于2008年加入蘋果公司，領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)由四五十名工程師組成的小團(tuán)隊(duì)為iPhone設(shè)計(jì)定制芯片。在他加入一個(gè)月后，蘋果以2.78億美元的價(jià)格收購(gòu)了擁有150名員工的初創(chuàng)公司P.A. Semiconductor。

Creative StrategiesCEO兼首席分析師本·巴加林（Ben Bajarin）表示，蘋果將開始生產(chǎn)自己的芯片，這就是他們收購(gòu)P.A. Semiconductor的直接好處。憑借其固有的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，蘋果希望盡可能多地控制堆棧。

收購(gòu)兩年后，蘋果在iPhone 4和初代iPad上使用了首款自研芯片A4。斯魯吉說：“我們建立了統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)，它可以跨產(chǎn)品擴(kuò)展。我們建立了一個(gè)從iPhone開始的架構(gòu)，然后將其擴(kuò)展到iPad、Apple Watch以及Mac上?！?/p>

蘋果的芯片團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)展到數(shù)千名工程師，他們?cè)谑澜绺鞯氐膶?shí)驗(yàn)室工作，包括以色列、德國(guó)、奧地利、英國(guó)和日本。在美國(guó)，蘋果在硅谷、圣地亞哥和得克薩斯州奧斯汀都有工廠。

蘋果公司正在開發(fā)的主要芯片類型被稱為系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）。巴加林解釋稱，它將中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）和其他組件結(jié)合起來。對(duì)于蘋果來說，還有個(gè)“運(yùn)行神經(jīng)引擎”的特殊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）。

蘋果的首款SoC產(chǎn)品是A系列，它從2010年的A4升級(jí)到今年9月發(fā)布的A17 Pro。A系列芯片是iPhone、部分iPad、蘋果Apple TV以及智能音箱HomePod的中央處理器。蘋果的另一款主要SoC產(chǎn)品是M系列，于2020年首次發(fā)布，現(xiàn)在支持所有新款Mac電腦和更先進(jìn)的iPad，該產(chǎn)品已經(jīng)升級(jí)到M3系列。

蘋果于2015年推出了S系列芯片，它是蘋果Apple Watch搭載的較小芯片封裝系統(tǒng)。此外，蘋果在AirPods中使用了H和W系列芯片。U系列芯片支持蘋果設(shè)備之間進(jìn)行通信。最新的R1芯片將于明年初搭載在蘋果混合頭顯Vision Pro上。斯魯吉表示，它將在12毫秒內(nèi)處理來自設(shè)備攝像頭、傳感器和麥克風(fēng)的輸入，將圖像流式傳輸?shù)斤@示屏上。

斯魯吉表示，他們可以提前設(shè)計(jì)芯片。他的員工與硬件主管特努斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)合作，精確而準(zhǔn)確地制造出針對(duì)這些產(chǎn)品的芯片，而且只針對(duì)這些產(chǎn)品。

例如，第二代AirPods Pro內(nèi)置的H2芯片可以更好地消除噪音。在新款A(yù)pple WatchSeries 9內(nèi)部，S9支持雙擊手勢(shì)等新功能。在iPhone中，2017年款A(yù)11 Bionic首次支持神經(jīng)引擎，這是SoC的專用部分，專門用于在設(shè)備上執(zhí)行AI任務(wù)。

今年9月發(fā)布的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max搭載了最新的A17 Pro，使計(jì)算攝影和游戲高級(jí)渲染等功能實(shí)現(xiàn)了重大飛躍。

負(fù)責(zé)iPhone營(yíng)銷的凱安·德蘭斯（Kaiann Drance）說：“這實(shí)際上是GPU架構(gòu)和蘋果芯片歷史上最大的一次重新設(shè)計(jì)。我們首次實(shí)現(xiàn)了硬件加速光線追蹤。我們還有網(wǎng)格著色加速，這允許游戲開發(fā)者創(chuàng)造一些真正令人驚嘆的視覺效果?！?/p>

這促使《刺客信條：幻影》（Assassin’s Creed Mirage）、《全境封鎖：復(fù)興》（The Division Resurgence）以及CAPCOM的《生化危機(jī)4》（Resident Evil 4）相繼推出iPhone原生版本。

蘋果表示，A17 Pro將是首款實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的3nm芯片。斯魯吉說：“我們使用3nm制程工藝的原因是，它使我們能夠在給定的尺寸中封裝更多的晶體管。這對(duì)產(chǎn)品來說很重要，而且能提高能效。盡管我們不是一家芯片公司，但我們?cè)谶@個(gè)行業(yè)處于領(lǐng)先地位自有其道理?！?/p>

在Mac中替換英特爾處理器

蘋果在10月份宣布為Mac電腦提供M3芯片，繼續(xù)向3nm的方向邁進(jìn)。蘋果表示，M3具有22小時(shí)的電池續(xù)航能力，并且與A17 Pro類似，提高了圖形性能。

已經(jīng)在蘋果工作了22年的硬件主管斯魯吉表示，“現(xiàn)在說成功還為時(shí)尚早，我們還有很多工作要做，但我認(rèn)為現(xiàn)在有很多Mac，幾乎所有Mac都能夠運(yùn)行AAA級(jí)游戲，這與五年前的情況截然不同。”

他還說，“最開始的時(shí)候，我們制造產(chǎn)品的方式往往是使用其他公司的技術(shù)，并有效地圍繞這些技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品。盡管更注重美觀的設(shè)計(jì)，但我們受到現(xiàn)有條件的很大制約。”

2020年，蘋果放棄使用英特爾的個(gè)人電腦（PC）處理器，轉(zhuǎn)而在MacBook Air和其他Mac電腦中使用自研的M1芯片，這是半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)重大轉(zhuǎn)變。

斯魯吉表示，“這幾乎就像物理定律發(fā)生了變化。突然之間，我們可以制造出一款輕薄無比的MacBook Air，它沒有風(fēng)扇，電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)18小時(shí)，性能超過了此前推出的MacBook Pro?！?/p>

他還說，“搭載蘋果最先進(jìn)芯片M3 Max的最新MacBook Pro，比我們當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的、搭載英特爾最快處理器的MacBook Pro快11倍。而就在兩年前，我們還在大量發(fā)貨搭載英特爾處理器的電腦。”

英特爾處理器基于x86架構(gòu)，這是PC制造商的傳統(tǒng)選擇，市場(chǎng)為此開發(fā)了許多軟件。而蘋果的處理器采用了英特爾競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Arm的架構(gòu)，后者可以幫助筆記本電腦耗電量更少、續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)。

蘋果在2020年推出的M1系列芯片是基于Arm架構(gòu)處理器在高端電腦上采用的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這與高通、AMD以及英偉達(dá)等其他大牌公司競(jìng)爭(zhēng)，這些公司也在開發(fā)基于Arm架構(gòu)的PC處理器。2023年9月，蘋果將與Arm的協(xié)議延長(zhǎng)至2040年。

13年前，當(dāng)蘋果推出首款定制芯片時(shí)，作為一家試圖在競(jìng)爭(zhēng)激烈、成本高昂的半導(dǎo)體市場(chǎng)上立足的非芯片公司，蘋果顯得十分與眾不同。此后，亞馬遜、谷歌、微軟和特斯拉都開始嘗試定制芯片。

伯恩斯坦研究公司董事總經(jīng)理兼高級(jí)分析師斯泰西·拉斯貢（Stacy Rasgon）表示，“蘋果在某種程度上可以被稱為開拓者。他們的行動(dòng)表明，如果你這樣做，你就可以嘗試讓你的產(chǎn)品變得與眾不同?！?/p>

“基帶芯片研發(fā)很難”

當(dāng)然，蘋果還沒有制造其設(shè)備需要的所有芯片。例如，基帶芯片是該公司尚未靠自己攻克的一個(gè)重大難關(guān)。拉斯貢說：“蘋果的處理器已經(jīng)非常好，但他們?cè)谧匝谢鶐酒矫嬗龅搅死щy?；鶐酒茈y研發(fā)?！?/p>

蘋果依賴高通的基帶芯片，盡管在2019年，兩家公司才就長(zhǎng)達(dá)兩年的知識(shí)產(chǎn)權(quán)法律達(dá)成和解。不久之后，蘋果以10億美元的價(jià)格收購(gòu)了英特爾基帶芯片業(yè)務(wù)的大部分，這可能是為了開發(fā)自己的基帶芯片。然而，蘋果還沒有成功。2023年9月，蘋果與高通簽署協(xié)議，后者將在2026年前供應(yīng)其基帶芯片。

蘋果芯片業(yè)務(wù)主管斯魯吉表示，他不能對(duì)“未來的技術(shù)和產(chǎn)品”發(fā)表評(píng)論，但他說：“我們關(guān)心手機(jī)，我們有團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)目標(biāo)?！?/p>

據(jù)報(bào)道，蘋果也在研發(fā)自己的Wi-Fi和藍(lán)牙芯片。目前，該公司與博通就無線組件達(dá)成了一項(xiàng)價(jià)值數(shù)十億美元的新協(xié)議。蘋果依靠三星和美光等第三方提供內(nèi)存芯片。

當(dāng)被問及蘋果是否會(huì)嘗試設(shè)計(jì)其芯片的每個(gè)部分時(shí)，斯魯吉表示：“我們的愿景是打造最好的產(chǎn)品。作為一個(gè)包括芯片在內(nèi)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，我們希望打造最好的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一愿景。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，蘋果更愿意購(gòu)買現(xiàn)成的產(chǎn)品，以便讓團(tuán)隊(duì)可以專注于真正重要的事情”

不管蘋果最終設(shè)計(jì)了多少芯片，它仍然需要在外部制造芯片。這需要像臺(tái)積電這樣的代工企業(yè)擁有的大規(guī)模的制造工廠。世界上90%以上的先進(jìn)芯片都由臺(tái)積電制造，這使得蘋果和該行業(yè)的其他公司很容易受到地緣政治因素的影響。

巴加林稱：“很明顯，大家都很緊張。比如，如果發(fā)生這種情況，B計(jì)劃是什么？沒有其他好的選擇。你會(huì)希望三星更有競(jìng)爭(zhēng)力，而英特爾也在進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。但是，我們現(xiàn)在還沒有這種能力，一切都要靠臺(tái)積電。”

蘋果至少希望將部分芯片制造業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到美國(guó)，為此不惜承諾將成為臺(tái)積電在亞利桑那州建廠的最大客戶。不久前，蘋果還宣布，它將成為Amkor（安靠）在亞利桑那州皮奧里亞新建20億美元制造和封裝工廠的第一個(gè)也是最大的客戶。Amkor將負(fù)責(zé)封裝臺(tái)積電亞利桑那州工廠生產(chǎn)的蘋果芯片。

斯魯吉說：“我們始終希望打造多元化的供應(yīng)鏈，囊括亞洲、歐洲和美國(guó)，這就是為什么我認(rèn)為臺(tái)積電在亞利桑那州建廠是件好事的原因。”

尋找人才

蘋果的另一個(gè)擔(dān)憂是美國(guó)缺少熟練的芯片工人，美國(guó)幾十年來都沒有建造先進(jìn)的晶圓廠了。臺(tái)積電表示，由于缺乏熟練工人，其亞利桑那州工廠現(xiàn)在被推遲到2025年。

不管這是否與人才短缺有關(guān)，蘋果在發(fā)布新芯片方面速度已經(jīng)放緩。斯魯吉認(rèn)為，“芯片迭代花的時(shí)間越來越長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈兊拈_發(fā)越來越難。而且，與10年前相比，能封裝更多且獲得能效的能力也變得不同。”

斯魯吉重申了他的觀點(diǎn)，即蘋果在這方面存在優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椤安恍枰獡?dān)心自己的芯片要被送到哪里?！?/p>

盡管如此，蘋果的行動(dòng)還是凸顯了它在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。2019年，蘋果芯片架構(gòu)師杰拉德·威廉姆斯（Gerard Williams）離職，創(chuàng)建了名為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。蘋果因知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題起訴威廉姆斯，于今年撤訴。高通于2021年收購(gòu)了Nuvia，此舉旨在與蘋果等基于Arm架構(gòu)的PC處理器競(jìng)爭(zhēng)。

斯魯吉表示：“我不能討論法律方面的問題，但我們確實(shí)關(guān)心知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。當(dāng)某些人因?yàn)槟承┰螂x開時(shí)，這是他們的選擇?！?/p>

蘋果的核心業(yè)務(wù)面臨著更多的宏觀挑戰(zhàn)，因?yàn)?a target="_blank">智能手機(jī)銷量剛剛從多年來的最低水平復(fù)蘇。然而，對(duì)AI工作負(fù)載的需求正在導(dǎo)致芯片訂單激增，尤其是英偉達(dá)等公司生產(chǎn)的GPU。由于ChatGPT和其他生成式AI服務(wù)的普及，該公司的股價(jià)今年上漲了200%以上。

自2016年以來，谷歌為AI設(shè)計(jì)了張量處理單元（TPU）。自2018年以來，亞馬遜旗下云計(jì)算部門AWS就為數(shù)據(jù)中心提供了自己的AI芯片。微軟今年11月發(fā)布了新的AI芯片。

斯魯吉表示，早在2017年A11仿生芯片推出機(jī)器學(xué)習(xí)引擎Apple Neural Engine之前，他所在蘋果的團(tuán)隊(duì)就一直在研究機(jī)器學(xué)習(xí)引擎。蘋果的神經(jīng)引擎支持其所謂的“設(shè)備上的機(jī)器學(xué)習(xí)功能”，如面部識(shí)別等。

2023年7月，有傳聞稱蘋果開發(fā)了自己的大語(yǔ)言模型Ajax和聊天機(jī)器人Apple GPT。自2015年以來，蘋果還收購(gòu)了20多家AI公司。

當(dāng)被問及蘋果是否在AI領(lǐng)域落后時(shí)，斯魯吉并不認(rèn)為蘋果落后了。但巴加林對(duì)此持懷疑態(tài)度。在談到蘋果在AI領(lǐng)域的地位時(shí)，他表示2022年，蘋果在芯片領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的成就，2023年的M3芯片性能更強(qiáng)大。但蘋果的軟件必須迎頭趕上，這樣開發(fā)者才能利用其硬件優(yōu)勢(shì)，在蘋果芯片上編寫未來的AI軟件。

巴加林預(yù)計(jì)，這種情況很快就會(huì)有所改善。他認(rèn)為蘋果從成立第一天起就有機(jī)會(huì)真正做到這一點(diǎn)。在他看來，每個(gè)人都相信蘋果將于2024年在AI方面大放異彩。

審核編輯：黃飛