為什么從硬件到軟件設(shè)計(jì)蘋(píng)果都是自己開(kāi)發(fā)？

從硬件電路設(shè)計(jì)到半導(dǎo)體技術(shù)，從操作系統(tǒng)從到軟件商店，蘋(píng)果（Apple）為iPhone及其終端產(chǎn)品打造了一條上下游一路垂直整合的道路。

“真正認(rèn)真對(duì)待軟件的人就應(yīng)該自己做硬件?！?People who are really serious about software should make their own hardware.)——Alan Kay

就在蘋(píng)果(Apple)即將于秋季發(fā)布會(huì)揭露下一代新款iPhone手機(jī)前夕，該公司率先寫(xiě)下了市值突破1兆美元的歷史新頁(yè)。本文將著眼于A(yíng)pple的策略布局，看看他們?nèi)绾瓮高^(guò)“現(xiàn)代”半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)如此的成就。

為此，我們首先需要看的就是iPhone。畢竟它是定義了Apple如何邁向1兆美元里程碑之路的關(guān)鍵產(chǎn)品。當(dāng)史上第一支iPhone于2007年1月9日亮相時(shí)，它的設(shè)計(jì)看起來(lái)與當(dāng)時(shí)的手機(jī)典范是如此的背道而馳。

Apple前首席執(zhí)行官喬布斯(Steve Jobs)形容這是一款“帶有觸控功能的寬屏幕iPod、一支革命性的手機(jī)，同時(shí)也是一款突破性的互聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)備。”就在那一天，他還介紹了全新的操作系統(tǒng)：iPhoneOS，即iOS。

喬布斯在2007年發(fā)布第一款iPhone時(shí)，引用了計(jì)算機(jī)圖像接口先驅(qū)Alan Kay 的一句話(huà)

在2007年第一支iPhone的發(fā)布會(huì)上，喬布斯引用了計(jì)算機(jī)圖像接口先驅(qū)Alan Kay 的一句話(huà)——“真正認(rèn)真對(duì)待軟件的人就應(yīng)該自己做硬件”(People who are really serious about software should make their own hardware.)。Alan Kay的這句話(huà)究竟有什么意義？從表面上看，它掌握到Apple想要設(shè)計(jì)自家手機(jī)以及執(zhí)行其新款iOS軟件的動(dòng)機(jī)——為用戶(hù)帶來(lái)與手機(jī)互動(dòng)的全新方式，例如觸控屏幕、虛擬鍵盤(pán)以及滑動(dòng)執(zhí)行等。

但我們當(dāng)時(shí)不知道這句話(huà)也暗示Apple不久將投入更大規(guī)模的半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)。Apple當(dāng)下就已經(jīng)決定走向垂直整合道路了。

早期發(fā)展與A4芯片

Apple為什么要自行展開(kāi)大規(guī)模的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)？這畢竟是一項(xiàng)耗資龐大的工作。

他們是否能夠設(shè)計(jì)出相當(dāng)于其他半導(dǎo)體公司的IC (更不用說(shuō)比其他公司更好的IC了)？當(dāng)然，這風(fēng)險(xiǎn)實(shí)在太大了。

但是在2008年春，Apple宣布收購(gòu)PA Semi——這是一家大部份的人都沒(méi)聽(tīng)過(guò)的處理器IC設(shè)計(jì)公司，專(zhuān)注于Digital StrongARM技術(shù)。Apple表示希望進(jìn)一步差異化其產(chǎn)品。后來(lái)，市場(chǎng)上還傳言Apple收購(gòu)了另一家處理器設(shè)計(jì)公司Intrinsity——專(zhuān)注于設(shè)計(jì)Hummingbird Arm-based CPU。到了2010年4月，這項(xiàng)收購(gòu)消息也經(jīng)證實(shí)了。

2010年1月27日，Apple推出了iPad以及Apple自家設(shè)計(jì)的A4 SoC。在主題演講前一周，我曾經(jīng)想到Apple可能推出平板電腦及自家芯片。我當(dāng)時(shí)想到平板電腦將會(huì)需要一款介于iPhone和MacBook之間的芯片。我還問(wèn)道“......如果Apple可以使用專(zhuān)為其裝置及其應(yīng)用量身打造的區(qū)塊(block)來(lái)設(shè)計(jì)自家處理器，將會(huì)發(fā)生什么？”

當(dāng)時(shí)，A系列以及我認(rèn)為的Apple“現(xiàn)代”半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)工作已在持續(xù)進(jìn)展中。

當(dāng)我們觀(guān)察A4后，發(fā)現(xiàn)它與三星(Samsung)的S5PC110有相當(dāng)大程度的相似性——三星S5PC110當(dāng)時(shí)是一款A(yù)rm SoC。這二款芯片都采用了一樣的Arm CPU。從以下的A4芯片圖來(lái)看，A4似乎并不是什么與眾不同的SoC，不過(guò)，在上述收購(gòu)以及公開(kāi)宣傳該芯片封裝的2009年之間也并沒(méi)有太多時(shí)間。

A4芯片圖（來(lái)源：MuAnalysis）

A系列里程碑

在真正導(dǎo)入內(nèi)部設(shè)計(jì)的SoC之后，我認(rèn)為下一個(gè)重大里程碑來(lái)自A6。有了A6，Apple推出了內(nèi)部設(shè)計(jì)的CPU。這可不是件容易的事。

當(dāng)時(shí)，Chipworks曾經(jīng)評(píng)論其芯片架構(gòu)似乎是手動(dòng)布局。從A6芯片圖來(lái)看，它展現(xiàn)了Apple對(duì)于半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的承諾。A7帶來(lái)所謂的Secure Enclave加密裝置，可用于儲(chǔ)存和處理來(lái)自Touch ID傳感器的指紋數(shù)據(jù)。在此發(fā)展過(guò)程中，Apple還整合了一個(gè)影像訊號(hào)處理器及其動(dòng)作協(xié)同處理器。

A6芯片圖（來(lái)源：Chipworks）

讓我們快轉(zhuǎn)來(lái)到2017年的A11處理器，如下芯片圖所示。A11采用Apple首款內(nèi)部設(shè)計(jì)的GPU及其所謂的神經(jīng)引擎。二者都是重要的設(shè)計(jì)——在iPhone X發(fā)布的新聞稿中，Apple表示兩款芯片都與機(jī)器學(xué)習(xí)功能有關(guān)。特別是Face ID和Animoji，據(jù)說(shuō)都必須由神經(jīng)引擎啟動(dòng)。

該芯片設(shè)計(jì)重要之處在于其包含了兩個(gè)SoC區(qū)塊——即GPU與神經(jīng)引擎，因?yàn)檫@是iPhone性能與用戶(hù)體驗(yàn)的核心。我認(rèn)為GPU與神經(jīng)引擎之所以如此重要，原因就在于他們對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)相當(dāng)有幫助。

A11芯片圖（來(lái)源：TechInsights）

客制電路和垂直整合

有大量的證據(jù)顯示Apple的設(shè)計(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)。但Apple的設(shè)計(jì)是否如同喬布斯在推出A4時(shí)所希望地那樣，能夠讓iPhone有別于其他的手機(jī)？

讓我們以Face ID為例。

Apple可能會(huì)對(duì)于像臉部辨識(shí)等重要功能特性感興趣，因而為此收購(gòu)一家或幾家公司，取得技術(shù)IP組合。有些技術(shù)將建置于軟件中，其他技術(shù)則透過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，例如像神經(jīng)引擎之類(lèi)的區(qū)塊設(shè)計(jì)。同時(shí)，如Secure Enclave等其他區(qū)塊則用于處理臉部影像數(shù)據(jù)而不只是指紋數(shù)據(jù)。

多年來(lái)，Apple持續(xù)在許多主題演講中強(qiáng)調(diào)軟件和硬件工程師的合作協(xié)調(diào)。人們幾乎可以聽(tīng)到團(tuán)隊(duì)之間的會(huì)議對(duì)話(huà)如下：

“我需要可以執(zhí)行例程A和B的硬件。”

“我可以給你一大部份，但你能修改這些例程，例如使其也在我的區(qū)塊中以這種方式執(zhí)行嗎？”

這樣的合作與對(duì)話(huà)一直持續(xù)到硬件和軟件建構(gòu)搭配在一起。而在此過(guò)程之后，電路區(qū)塊可能僅對(duì)Apple有用，但無(wú)妨，因?yàn)樵摪雽?dǎo)體團(tuán)隊(duì)可能只有這么一家客戶(hù)。

在更先進(jìn)層級(jí)以及更高整合度時(shí)，可以設(shè)想實(shí)際上在晶體管級(jí)編碼的特定或部份OS例程?！拔铱梢詫⒔?jīng)常調(diào)用的計(jì)算置于晶體管中，以節(jié)省軟件周期?！?/p>

沒(méi)錯(cuò)，也許設(shè)計(jì)在某方面少了靈活性，但如果帶來(lái)更大的性能提升也算是值得了。我經(jīng)常思考這樣的設(shè)計(jì)架構(gòu)，因?yàn)樗坪跛闶怯布浖系膸p峰之作。

只為一位客戶(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)

iPhone的角色定位很清楚。它們的目的是賣(mài)給消費(fèi)者并因而獲得利潤(rùn)。

但是，半導(dǎo)體的角色并沒(méi)那么明顯，因?yàn)樗麄儫o(wú)法對(duì)外銷(xiāo)售，也沒(méi)有直接的收入。所有的半導(dǎo)體產(chǎn)品都「僅供內(nèi)部使用」。但是，難道消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)iPhone是因?yàn)樗捎昧薃系列處理器嗎？答案當(dāng)然是否定的。但是，如果沒(méi)有A系列處理器，iPhone是否可能會(huì)有無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能？性能不佳？或是價(jià)格更昂貴嗎？我認(rèn)為答案是肯定的。

那么，讓我們?cè)俅慰纯碏ace ID。

我們可以肯定地說(shuō)，F(xiàn)ace ID是iPhone X的一項(xiàng)重要特性。如果Apple設(shè)計(jì)SoC時(shí)未采用自家的區(qū)塊，那么它就需要另外尋找合適的機(jī)器學(xué)習(xí)IP核心。它可能還需要重新考慮GPU，因?yàn)閾?jù)說(shuō)它可以分享一些機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。此外，Apple需要編寫(xiě)可在這些區(qū)塊上執(zhí)行的軟件。而如果只有一部份進(jìn)行垂直整合，那么，Apple還需要為整個(gè)SoC尋找其他供應(yīng)來(lái)源，情況將會(huì)變得更加棘手。甚至在較糟的情況下，還可能需要使用輔助IC來(lái)執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)，這意味著要耗費(fèi)更多的電路板空間和成本。

A系列SoC能否有助于最終產(chǎn)品的差異化？我必須說(shuō)是的。在某種程度上，這讓Apple可以更專(zhuān)注于因應(yīng)其需求與所需功能的設(shè)計(jì)。他們只為一個(gè)客戶(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可能會(huì)減少為了吸引許多客戶(hù)而必須做出的妥協(xié)。再者，Apple也不必要設(shè)計(jì)出最佳核心，而只需設(shè)計(jì)最適合執(zhí)行iOS的核心即可。Apple能夠量身打造電路與區(qū)塊設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足其需要。

值得注意的是，Apple在此過(guò)程中采取了一些大膽的舉措。當(dāng)他們將主要的區(qū)塊移動(dòng)至自家設(shè)計(jì)時(shí)，他們將更多的責(zé)任加諸于其設(shè)計(jì)師身上。此外，盡管半導(dǎo)體營(yíng)收是間接的，但表現(xiàn)不佳的A系列芯片卻可能導(dǎo)致銷(xiāo)售數(shù)字下滑。

展望未來(lái)

截至目前為止，我只討論了iPhone和A系列SoC。這只是其中的一部份。

Apple已將其半導(dǎo)體產(chǎn)品組合擴(kuò)展到相當(dāng)多的產(chǎn)品中，包括在A(yíng)pple Watch中使用的S系列、AirPods (和Apple Watch)的W系列，以及不斷擴(kuò)展的MacOS系統(tǒng)中所使用的T系列。這些都為Apple的產(chǎn)品帶來(lái)各種有趣的功能特性。

如果沒(méi)有W1，AirPods是否可能實(shí)現(xiàn)？Apple在推出AirPods時(shí)，似乎偏離了在左右聲道之間插線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)計(jì)。W1是否讓左右聲道傳輸?shù)讲皇芟拗频腁irPods？提到AirPods時(shí)我注意到AirPods的功能及其收購(gòu)的Passif IP之間存在莫名的相似之處。我認(rèn)為W1實(shí)現(xiàn)了差異化。

我不知道Apple在其開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室中打造哪些夢(mèng)想，但我們從目前所使用的半導(dǎo)體建構(gòu)模塊就可以想象到一些有趣的可能性。當(dāng)T1出現(xiàn)時(shí)，我想想它可能應(yīng)用于A(yíng)pple TV遙控器。現(xiàn)在是否有了一個(gè)從家中電視實(shí)時(shí)、安全購(gòu)物的市場(chǎng)了？

透過(guò)垂直整合策略，Apple展現(xiàn)了其于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的實(shí)力，并建立了一系列有趣的半導(dǎo)體IP組合?？赡苡腥藭?huì)認(rèn)為Apple的設(shè)計(jì)工作就像是在打造一個(gè)IP核心庫(kù)，使其可用于為其最終產(chǎn)品帶來(lái)創(chuàng)新功能。Apple在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的垂直整合策略，已經(jīng)成為該公司各種營(yíng)收來(lái)源及其生態(tài)系統(tǒng)的核心。半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)并不需要為所接觸的每件事都實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，只需要成為其客戶(hù)的最佳設(shè)計(jì)者。