蘋果M1前身和A10很像?

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

蘋果M1晶片的一大特性就是媒體引擎的極大強化,所以今年的MacBook一經推出就受到很多vlogger的歡迎,因為剪片子堪稱效率奇高。雖然今年Intel的十一代Core也特別加強了很多媒體格式的編解碼性能,但在M1面前還是不夠看。這個基調顯然在T2時期就已經奠定了…

蘋果(Apple)當年在準備為MacBook配金屬外殼之時,蘋果總設計師Jony Ive認為金屬存在一個巨大的問題:它不透光。這就意味著如果要為MacBook加指示燈(如筆記型電腦上的呼吸燈),就必須在金屬上多開孔洞,但Ive認為開太多孔有礙觀瞻。

傳說Ive組了個團隊來特別研究解決這個問題,他們發現在鋁金屬上面用雷射鑽出很多個微小的孔,光就能透過來——而且人眼看不出鑽孔。當時蘋果自己沒有能力去達成這種製造技術,但市場調查後發現美國有家公司的雷射設備能夠打出這些直徑20μm的孔,一台就得25萬美元,於是蘋果就把這家公司買了下來。

 

 

只是為了讓鋁能夠透光且兼顧美觀性這一件事,就有了如此大動作。雖然這項技術現在已經不稀罕了,不過如今蘋果TrackPad之類的裝置上還是能夠看到當年收購的遺產。

蘋果做這種事可不是一次兩次:晶片、顯示(LTPO、micro LED)、感測器(Face ID/Touch ID)、致動器(Taptic Engine)等技術,都是「談不攏」就收購。比如僅是為了iPhone X上的Face ID,蘋果為此收購的相關企業就至少包括了3D感測技術企業PrimeSense、攝影機模組製造商LinX、AR公司Vrvana、影像感測器供應商InVisage Tech、AR眼鏡製造商Akonia Holographics等。

蘋果現如今自己製造(或參與製造)晶片和各種元件,和上游供應商不同之處在於,這些元件並不對外出售,而僅為自己的消費終端產品準備。蘋果的思路與常規消費電子設備製造商的一大區別在於,先有功能/性能需求,然後去試圖找出解決辦法——如果找不到,那就試著自己做,或輔助上游廠商一起研究,這種思路似乎從蘋果創立之初就流傳下來了。

此前筆者撰文談過A4 (iPhone 4)晶片誕生之前,蘋果在晶片方面的儲備史。蘋果如今比較知名的晶片產品包括A系列(針對iPhone/iPad)、S系列(Apple Watch專用)、W系列(鎖定藍牙與Wi-Fi連接)、U系列(UWB連接)、M系列(供給Mac),以及T系列(M系列的前身,針對Mac)。

 

 

蘋果如今有能力研發處理器,除了上世紀就組建的ASIC晶片團隊,收購的企業較大宗的包括P.A. Semi、Intrinsity等。本文談談蘋果歷史上為Mac所造的T系列晶片——T系列晶片上至少有蘋果2011年收購一家名為Anobit的以色列企業的身影(SSD主控),Mac電腦還在用英特爾(Intel)處理器的時候,蘋果為之官配了T系列輔助處理器。恰好最近Paul Boldt發佈蘋果T2晶片的拆解成果,也能借此再來談談蘋果在研發晶片這件事情上的思路與歷史。

2016年T1晶片的誕生

在Paul Boldt這次公開T2晶片的拆解之前,業界對於蘋果T系列晶片知之甚少。一方面在於T系列晶片不像蘋果應用於iPhone的A系列晶片那麼令人矚目,另一方面則是T系列此前應用於Mac——是作為Intel處理器的輔助處理器的角色存在。這種打造PC,還自己搞輔助處理器的思路,全世界應該也沒幾家,自然鮮有人知T系列晶片的內部真面目。

另外,T系列晶片的所有功能目前都已經整合到了M系列晶片中(蘋果M1),T系列可認為是M系列晶片的前身,所以未來應該不會再看到蘋果T系列晶片的更新。這樣的拆解和回顧,更多是給愛好者們做呈現,並且從中搞明白蘋果的思路,以及蘋果為什麼要為Mac加T晶片。

 

 

在看拆解前,先來談談T系列晶片究竟是做什麼用的。T1晶片最早出現在2016年的MacBook Pro上——說起來T1才是最早出現在Mac上的Arm晶片。當時蘋果表示,T1主要對MacBook上的Touch ID、Apple Pay進行支援;內部的Secure Enclave可儲存和加密指紋、身份認證資料;此外,當時蘋果剛在MacBook上加入所謂的Touch Bar,T1可能也用於驅動Touch Bar的那塊螢幕;T1內部也包含了ISP (影像處理器)。Touch Bar跑的作業系統叫bridgeOS(據說是蘋果手錶watchOS的一個變體)。

如果對加入Touch ID的iPhone 5S熟悉,應該清楚蘋果對Touch ID的打造也不是一朝一夕。當年為了搞定手機上的指紋辨識,蘋果不僅花3.56億美元收購了AuthenTec,而且為iPhone 5S上的A7晶片新加了Secure Enclave。

Secure Enclave是處理器中單獨隔離開來的一個安全世界,一般的應用是無法訪問這一部分,它屬於資訊安全TEE (Trust Execution Environment)的某種實踐方案,Touch ID或者其他身份憑證資訊就加密儲存在這個專門的黑匣子裡。另外還需要配合作業系統層面iOS的支援,達成Touch ID的安全實現。

 

 

Arm的TrustZone,以及Google Android針對這部分的安全實現差不多也是同期,不過Android陣營在指紋辨識相對完整且安全的方案實現上相比蘋果晚了1~2年。

很顯然,僅是從Touch ID、Apple Pay的角度來看,當Mac也要實現這些原本是iPone上的特性,則最簡單的方案顯然就是用蘋果自己的晶片。不過2016年,蘋果晶片應用於真正的高性能運算還頗為遙遠(雖然蘋果其實早在2013年就對外宣稱自家處理器架構是桌上型電腦架構),Intel又不大可能在自家的x86晶片上為蘋果提供極具蘋果特色的特性,所以T1的誕生其實是個必然。單從其Secure Enclave的加入就能看出,T1可能與A系列晶片同宗同源。

T1晶片以輔助處理器的身份出現,這也算是當時非常符合蘋果邏輯的設定。一方面蘋果要為Mac裝置加上iOS設備的體驗(包括Touch ID、Apple Pay等);另一方面,像蘋果這種由終端功能需求(或者說「用戶體驗」)驅動供應鏈的企業,即便傳統的產業上游不具備類似的元件供應商,也大概率會考慮自己做——何況此時蘋果在晶片設計方面也已經有了相當的技術累積,只不過一時半會也沒法把Intel也一起換下來。

 

 

從T2晶片看到M1的影子

蘋果對於T系列晶片的定位始終是「安全晶片」,不過從後文的拆解來看,蘋果似乎在T系列晶片的設計上「偷了懶」。2017年的Mac上,蘋果開始推第二代T2晶片。T2仍然延續了T1的一些功能支援,另外可能增加了包括音訊控制器、SSD主控、專用AES加密引擎之類的特性。

T2目前的資料比T1多不少,其特性包括內建ISP可對FaceTime攝影機做畫面加強,如對人臉自動曝光、白平衡調整等(雖然以Mac的攝影機品質,這種加強大約也只是聊勝於無);音訊控制器,對麥克風和揚聲器品質做加強;增加「Hey Siri」即時回應支持。

 

(來源:iFixit)

 

另外就是前文提到的,加入了SSD主控,其中一項加強在於實現硬碟資料全盤加密的硬體加速。T2在這項特性中的優勢主要表現在,硬體加速實現的全盤加密對I/O性能影響很小。此前有用戶比較過,在沒有T2的MacBook Pro上,FileVault全盤加密過程可能需要一整天;但在帶T2的MacBook Pro上開啟FileVault,幾乎是秒速。

從蘋果官方的「T2安全晶片白皮書」來看,T2的其他安全特性支援還包括了Secure Boot安全啟動、Secure Enclave,具體特性上有Touch ID支援,以及「硬體級的麥克風斷連」特性——也就是在MacBook筆記型電腦合蓋的時候,立刻從硬體上禁用麥克風,阻止任何軟體訪問(即便是root或內核許可權)。

這其中的絕大部分,已經是當代手機、PC的安全標配了;不過這在當時還算是比較前衛。就資訊安全層面來看,前兩年Duo Labs的兩名工程師曾對T2晶片做過比較深度的分析(Inside The Apple T2,裡面也包含了攻陷T2的方案)。從安全性來看,T2在具體實施上,其實比近期Windows 11升級順帶炒熱的TPM 2.0 (Trusted Platform Module)一眾實施方案要可靠,雖然這兩者在某些層面可能無法直接對比。

T2存在的本質,仍然是為了把更多iOS裝置上的特性帶到Mac上。雖然這麼說很馬後炮,但當時T2與Intel處理器的共存,以蘋果這家公司的潔癖程度,很難長時間容忍。所以後來M1晶片自然而然地融入了T2的幾乎所有特性。可以說,在蘋果眼中,M1才是T2的完整形態。

 

 

不過「安全晶片」對使用者體驗的存在感始終比較弱,T2能夠實現作為M1前身的一大特點在於,對視訊編解碼的加速上——雖然蘋果自己似乎並未提過這項特性,國外媒體AppleInsider專門做比較內建和沒有T2的Mac裝置在視訊轉碼方面的性能。結果發現,T2能夠極大加快H.265 HEVC的編碼速度。

蘋果M1晶片的一大特性就是媒體引擎的極大強化,所以今年的MacBook一經推出就受到很多vlogger的歡迎,因為剪片子堪稱效率奇高。雖然今年Intel的十一代Core也特別加強了很多媒體格式的編解碼性能,但在M1面前還是不夠看。

這個基調顯然在T2時期就已經奠定了,大概也基於蘋果對自家MacBook針對的使用者物件十分瞭解——用MacBook進行視訊、音訊、多媒體編輯的使用者很多,這項特性也算是domain-specific的常規思路。

 

 

T2內部長得和A10很像

最後來看看近期Paul Boldt在SemiWiki上公佈的T2晶片拆解,理解T系列晶片的實質——這應該還是第一次有機會真正瞭解T2。

首先T2從外部來看,佔板面積一點也不小,氣勢完全不比一旁的Intel Core處理器弱。另外,T2正上方PoP封裝疊了一枚1GB大小的LPDDR4 (2019款15吋MacBook Pro),來自美光。對於「輔助處理器」而言,這種配置也算是奢華了。

 

T2 die shot。

(來源:SemiWiki)

 

上面這張圖是T2的die shot,Boldt談到對於線距和6T SRAM單元尺寸的分析可以確定,T2是採用台積電16nm製程製造的——和當年蘋果A10 (iPhone 7)一樣。事實上,將其與A10作比較,就會發現T2的CPU部分和A10是相同的設計和佈局。

也就是說T2是個4核心CPU,包括完整規模的2個大的Hurricane核心和2個小的Zephyr核心。GPU部分的規模相比A10則有顯著縮減,核心數和核心規模似都明顯變小(暫無法完全確定),畢竟作為輔助處理器也不需要什麼圖形運算力——猜測可能只是為MacBook的Touch Bar圖形介面所準備。

其餘部分的構成尚無定論。T2整體die size為104mm2。從中我們知道了它就是十分完整的蘋果晶片,脫胎自A10。這麼完整的SoC,讓當年的Intel情何以堪!T2的規模,對於其本身的功能特性支援,極有可能是性能過剩。蘋果之所以這麼做,可能只是因為對當時A10現有設計的部分照搬,也是減少設計成本的一種體現。

有錢、任性還是可以用來形容T2的。以T2當年在Mac上實現的這些感知不強的特性,作為一枚輔助處理器的確是相當的奢侈。不過這也說不定是蘋果在練手,為把Intel處理器替換下來做前期準備。如果從P.A. Semi收購算起,到自家晶片在Mac上練手,中間實則也經過了8年。如此前回顧蘋果在晶片上的投入歷史,蘋果從開始有心研發晶片,到把晶片帶到Mac上,前後經過了幾十年的時間——M1的「如神降臨」實在不是一朝一夕。

 

 

有錢任性的垂直整合

《EE Times》美國版2018年寫過一篇題為「Apple Goes Vertical & Why It Matters」的文章,用以描述蘋果為達成某一項特性,可以不惜代價地收購、投資、建立自有團隊,並進行軟硬配合。比如Face ID,不只是收購一堆相關影像感測器、光學技術的企業,還包括在晶片中加入Neural Engine模組,以及要配合此前的Secure Enclave,並且在系統與軟體層面最快速做出支援。

Google早在Android 4.0時代(2012年)就在作業系統層面做過人臉辨識特性,但無論從光學和感測器辨識層面,還是晶片TEE環境、系統實現上,都遠不到用戶體驗的水準——Google作為作業系統供應商,不具備蘋果這樣的垂直整合能力,自然得在體驗和安全上打折扣。更可怕的是,蘋果通常在某項技術的成熟應用後,順便能打響這項技術甚至產業鏈,結構光和3D ToF皆有此成分(雖然也常有失敗之作,比如3D touch)。

T2只是蘋果晶片研發歷史長河中的過客,卻能反映蘋果的產品特質:以體驗(和自己的任性需求)來推動產品設計。從這個角度來說,開發晶片、顯示技術、感測之類的技術,都不過是達成目的的手段罷了。像T2這麼奢侈的東西,在表現這一點上可能更具典型性(反正賣得也貴…)。

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

 

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發表評論

  1. steven Zheng表示:

    本來就是一家,不像才怪,哈哈