30年前的「蘋果晶片」為何失敗?

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

蘋果晶片能有今天這樣令人矚目的成績,與其過往幾十年與晶片的不解之緣和歷史有很大的關係…

蘋果(Apple)晶片能有今天這樣令人矚目的成績,與其過往幾十年與晶片的不解之緣和歷史有很大的關係。有關蘋果與晶片的歷史,其中可討論的和八卦其實還非常多。

這段時間討論度非常熱烈的蘋果M1 Ultra,是一顆應用於Mac Studio的工作站等級大晶片。在Mac電腦用的晶片還沒有轉向Arm指令集與自家微架構的時候,2005年史蒂夫·賈伯斯(Steve Jobs)宣佈與英特爾(Intel)正式合作以前,蘋果一直在用一種PowerPC指令集的處理器。

PowerPC與蘋果有過一段甜蜜歲月。1997年,賈伯斯還曾經說PowerPC G3比Pentium II要快2倍,跟現如今M1 Ultra比Core i9快3.5倍是否感覺似曾相識?本文回顧蘋果為什麼在2005年拋棄IBM/摩托羅拉(Motorola),轉向了Intel。對這個問題的理解,也更能幫助我們發現蘋果這一路以來,在個人裝置及晶片需求上的延續思路。

 

檯燈般的iMac G4。

 

掌握晶片的初衷

蘋果早在1986年就想過要自己組建晶片團隊,將CPU掌握在自己手裡;花了2年時間開發一顆多核心處理器Scorpius的一份文件。從公開的這份文件來看,蘋果的晶片設計思路雖然新潮大膽,但不管是當時的蘋果,還是半導體業界的實際發展水準,都不可能將Scorpius真正做出來。

Scorpius計畫誕生的背景是,蘋果電腦過去一直在用摩托羅拉68k系列處理器。蘋果對於摩托羅拉多有不滿,單CPU供應商這種模式也不是蘋果想看到的。Scorpius晶片計畫擱淺後的1990年,IBM發佈了RISC System/6000處理器,應該是首顆採用POWER指令集的處理器。當年的IBM期望打造市場上基於RISC多核心處理器的最快處理器,於是有了POWER指令集。

首顆POWER處理器,也是最早的一批超標量RISC實踐;不過這是個多晶片設計(multi-chip)的高性能產品。IBM認為,有必要開發單晶片版本來覆蓋更大的市場,與此同時IBM也意識到這樣的晶片有機會成為大規模量產應用於整個產業的產品。於是IBM聯繫了蘋果,表示期望共同開發基於POWER指令集的單晶片微處理器。蘋果自然非常感興趣,還很快找了摩托羅拉一起準備三方合作,畢竟摩托羅拉在量產微處理器方面的經驗其實比IBM更豐富,AIM聯盟也就自此形成了。

當時的PC個人電腦市場,正是Intel 80386/80486風生水起的時候。AIM聯盟在屬性上也有與成長中的Wintel聯盟正面硬剛的意思。AIM聯盟對三家公司來說都是相當符合其發展利益的存在,IBM想擴張POWER涵蓋的產品範圍;而蘋果要更牢固地掌控CPU產品及供應鏈的想法得到滿足——雖說對這一時期的「蘋果晶片」而言,蘋果的角色充其量也就是出點錢。

對摩托羅拉而言,只需要低很多的設計成本就能廣泛出售CPU產品,藉以緊密和蘋果之間的關係;IBM也能發展成不錯的客戶。另外,當時摩托羅拉有自己的88k處理器,但對該系列可投入的資源相當匱乏,從開發進度來看都深陷泥潭。蘋果其實已經做了88k的原型機,88k在通訊應用領域也有了一些嵌入式設計的design-in。

摩托羅拉當時的想法是,若POWER單晶片版能夠在硬體級實現和88k的匯流排可相容性,那麼蘋果和摩托羅拉就都能更快地讓產品上市。1991年,各方面的需求最終造就了PowerPC。PowerPC指令集脫胎於POWER指令集,從維基百科的資料介紹來看,PowerPC實際上雜糅了88k的一些特性。與此同時,摩托羅拉也在這一年停止了88k的研發。

 

採用摩托羅拉68k處理器的Macintosh。

 

賈伯斯的不滿與聯盟的破裂

PowerPC指令的處理器,自然而然地應用到蘋果的Power Macintosh、PowerBook、iMac、iBook、Xserve等產品線上,而且延續了從1994~2006年12個年頭,可謂比較長期的合作。1994年Mac之上的PowerPC多少也是讓Mac用戶感到驚豔,畢竟相比摩托羅拉原本的68k要彪悍太多了。當時的Computer Chronicles節目評價PowerPC,談到Macintosh Quadra 950 (1992年)預覽一個複雜的圖形需要1分鐘,而新發佈的PowerPC只需10秒。

PowerPC在蘋果Mac發揮的最高峰在2003年賈伯斯的一段發言中。當時賈伯斯說:「PowerPC G5改變了一切規則。這顆64bit的處理器是我們全新Power Mac G5的心臟,全球最快的桌上型電腦。IBM拿出了地球上最先進的處理器設計和製造專業技能,而這還只是漫長、高效合作關係的開端。」

是否感覺蘋果現在的市場發言風格完全繼承自賈伯斯?無論是現在的蘋果晶片還是iPhone、Mac裝置的介紹。從這段話來看,2003年的AIM聯盟似乎還相當有發展前景,單純從性能來說,POWER指令集處理器在歷史上也是多有高光時刻。例如鎖定伺服器的IBM POWER4微處理器,成為首個商用的多核心處理器,而且似乎也是最早一批突破1GHz頻率的處理器產品。

當然POWER4並不是針對PC市場,2年之後其單核心版本以PowerPC G5的姿態問世——也就是賈伯斯在發言中提到的。那個時候Intel x86處理器都還停留在32位元時代。但也是這顆G5,成為後來蘋果和IBM分道揚鑣的直接原因。

2003年,G5還沒有正式問世,賈伯斯就對外宣傳說很快要發佈的Mac裝置,處理器主頻可以達到3GHz。「3GHz」成為彼時眾所期待的一個值,雖然不知道賈伯斯是被IBM騙了,還是自己信心太強,最終的PowerPC G5 (PowerPC 970)跑在了2.5GHz頻率上(後續似乎有2.7GHz版本)。

2004年的WWDC蘋果開發者大會上,賈伯斯說了這樣一段話:「我想談談2.5GHz的話題,因為1年以前我站在這兒說,1年內我們要達到3GHz。究竟發生了什麼?事實就是,G5,如諸位所知是一顆很複雜的晶片。半導體產業要讓速度變快,一般他們就是要縮減元件尺寸,PowerPC以前是基於130nm的尺寸開發。去年半導體產業從130nm發展到了90nm,速度理論上應該會變得更快,但實際上卻遭遇了瓶頸(hit the wall)。整個產業在90nm遭遇了瓶頸,比人們原本預期得更有難度,所以速度提升比我們過去5年看到的都要緩慢。」

雖說這一年賈伯斯並未大說IBM (和摩托羅拉/Freescale)和PowerPC的壞話,還給提出90nm遇上瓶頸的說辭,但2005年蘋果馬上宣佈拋棄PowerPC,並和Intel展開合作就知道事情發展到了怎樣的程度。從OEM的角度來看,後續Power Mac G5電腦對於PowerPC G5晶片的實施,可能比賈伯斯預想得還要糟糕。G5晶片極高的功耗和發熱,讓蘋果必須重新設計G5電腦的結構,甚至在高配版本上(雙CPU_,蘋果為了處理器的散熱還特別設計了一套水冷系統——這在蘋果歷史上都是絕無僅有的。

 

 

隨之而來的另一個問題是,PowerPC G5的這種「火熱」表現,使其幾乎無望用於當時的蘋果PowerBook筆電。所以PowerBook從2004年以後的連續多次升級都全部停留在「G4」這個代號上,蘋果此時的轉向顯得非常順其自然。

另外,同期還有很多小插曲發生。如2000~2001年摩托羅拉G5專案預備推64位元的PowerPC處理器(PowerPC 7500),是繼PowerPC G4 (PowerPC 7400)之後的演進,但摩托羅拉在這個項目上失敗了(聽說是在大規模量產早期階段失敗),所以最終的G5就主要來自於IBM (PowerPC 970,也就是POWER4的下放),再例如2004年,Freescale(現已被NXP收購)從摩托羅拉分拆出來。

在此期間,AIM的三個參與者都有了各自的心思和問題。比如摩托羅拉頻繁遭遇生產製造方面的問題;IBM則退出了32位元嵌入式處理器市場,把對應的PowerPC產品線賣給了AMCC,僅專注到64位元晶片設計上,只在意自己POWER指令集的伺服器和嵌入式應用市場。蘋果對於需要長時間等待合作夥伴更新處理器也感到了厭倦,還有IBM晶片價格還非常昂貴。

2005年WWDC之上,Intel與蘋果的世紀大合作基本宣告了AIM聯盟的土崩瓦解。後續IBM和Freescale的聯盟則被Power.org開放標準主體所替代,IEEE管理營運。目前Power.org的成員有IBM、Freescale (已被NXP收購)、AMCC,現在的Power ISA指令集已經做了融合,早前的POWER和PowerPC合併。

晶片設計思路上的差異

淘汰PowerPC很好理解,蘋果自己也談到了PowerPC在發熱、能耗方面的問題,限制了晶片的性能發揮。蘋果2006年發佈的13吋MacBook和15/17吋MacBook Pro採用Intel的雙核心Core處理器,宣傳中提到性能相比iBook G4和PowerBook G4分別快了5倍,與此同時續航還提升了2個小時。

另外值得一提的是,PowerPC的生態並不單是前面提到的這些。Windows作業系統甚至都還曾支援PowerPC指令集的版本,當今蘋果晶片夢之隊原始儲備(後來被蘋果收購的) P.A. Semi最早就在做Power指令集處理器。另外,現在的遊戲主機生態雖然已經普遍轉往x86,但遊戲機市場PowerPC也是有輝煌期的。任天堂(Nintendo) GameCube、Wii、Wii U,索尼(Sony) PS3和微軟(Microsoft) Xbox 360的CPU都基於PowerPC指令集。

值得一提的是PS3遊戲機內部的Cell處理器。Cell是由Sony、東芝(Toshiba)、IBM共同開發的處理器,當年的名噪一時也源於Sony在PS3宣發前期做了大量不靠譜的宣傳(雖然很可能也是被IBM給騙了)。就市場而言,Cell和PS3整體都可以認為是失敗的產品,但PS3因為用了Cell處理器,所以多台聯合可以建構超級電腦。

有關PS3超級電腦的傳說很多。比如2010年美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory)用1760台PS3打造了一台超級電腦,達成500 TFLOPS算力。當然Cell架構後來在遊戲機之外,還發揮了不同的價值:例如Cell後續還曾應用於醫療成像、工業檢測、通訊等嵌入式應用和伺服器、加速卡之類的產品。

前面提到PowerPC G5是脫胎自IBM POWER4伺服器處理器。雖然本文沒有細緻研究當伺服器處理器的核心微架構下放到PC平台時,IBM在設計上做了多少改進工作,但基本可以明確的一點是:IBM彼時的市場,其晶片始終是以大運算力為基礎,來逐漸透過縮減規模來下放給民用領域。

其設計之初就並不刻意偏向運算力需求沒那麼高的市場,或者不怎麼在意效率和功耗。所以G5的高配版,在PC平台得用水冷系統才「壓得住、,至於筆電這種功耗發熱敏感型裝置,更是想都不用想。

這和如今蘋果晶片以手機為切入點,基於功耗敏感型裝置來設計核心微架構,並以此為基礎進行規模化擴展覆蓋到了工作站等級的運算力,是完全背道而馳。M1 Ultra的規模雖然很大,但其CPU核心Firestorm實際上和iPhone 12上的A14晶片並沒有太大差別;IBM後期專注的市場基本都在工作站、伺服器,那時候這些設備還不怎麼需要在意功耗和發熱。

這種思路上的顯著差異,大概是導致蘋果拋棄PowerPC的必然和根本原因。或許AIM聯盟締造之初,就有彼此方向上的巨大差異造成的隱患是不被當時的AIM所感知,Sony PS3和Cell的失敗或許也與此有關。

 

PowerBook G4。

 

還有現實因素:成本

其實Intel也不是從低功耗領域起家,不過Intel的發力點最初和IBM又不同。Intel最早的4004是電腦實現小型化非常重要的一步;而且Intel還打造了第一台「微電腦」(microcomputer)。從這個層面來看,至少在2005年之後的十多年時間裡,Intel會更適合蘋果。而Mac裝置上的Intel處理器被蘋果換掉的根本原因,或許和當年蘋果換掉PowerPC也大同小異。

不過除了功耗、效率以外,當年的Intel在個人電腦處理器市場還佔據一大優勢:成本。CNET十多年前寫過一篇文章,談到他們聯繫到一名原IBM高層,他透露了當年蘋果拋棄PowerPC的一個重要原因:「蘋果想要更好的價格。」

據說先前蘋果付給IBM晶片的價格相當高昂。不過當時PowerPC處理器的價格高也是很好理解,筆者認為,成本問題大致上有幾個關鍵點:

第一,蘋果Mac裝置在整個PC市場上都是小眾,市佔率不高,導致其晶片需求量也高不到哪裡去。民用電子裝置的處理器——尤其是採用尖端製程的CPU,是需要靠走量來攤薄CapEx成本。在量越大的情況下,成本也就對應得越低。在半導體製造全面進入130nm節點以後,演進成本之高開始顯現出威力;沒有量更是死路一條。

隨之而來的第二點,對IBM而言,蘋果Mac的量也實質上成為其成本負擔。IBM需要花大量的精力在其晶片組、compiler和各種配套技術的支援上,最終能賺錢都很成問題,似乎PowerPC的誕生還一度影響到了IBM自家POWER指令集處理器的開發。

IBM的線人就提到,蘋果的生意後期對IBM來說,就是巨大的經濟負擔,蘋果拿到IBM晶片的價格自然就非常高。據說當時IBM甚至想過,把蘋果的成本轉嫁到Cell架構上,然後實現晶片設計和製造的規模化效益。這樣晶片價格更低,也能賺更多的錢。

第三,IBM的產品似乎一直以來就有著價格高昂的傳統,原POWER生態就十分高冷,開發者數量寥寥——當然這也是其產品鎖定的企業市場所決定。蘋果在PowerPC上基本屬於在消費電子領域的IBM翻版,蘋果的PowerPC生態對很多開發者而言是相當不友好的,這就導致了惡性循環,生態不怎麼樣,量就上不去;量上不去,價格就下不來;價格下不來,賺錢少、買的人又少,缺乏競爭力,又影響到生態和量。

另外,當今Power的市場,決定了其產品演進週期將遠久於活躍的市場參與者。Power最近4代產品的發佈時間分別在2010年、2013年、2017年、2020年。2013年成立OpenPOWER基金會,到2019年Power ISA開源,Power市場在各個領域的小眾化(包括超算)都是不可逆的。

 

 

而當年的Intel顯然摒棄了上述所有缺陷,包括其龐大的PC市場、海量的PC處理器出貨量,使成本低很多,演進週期又明顯更短——極易在生態進入良性迴圈以後,在性能方面輕而易舉地超越PowerPC。而且自小型機起家的傳統,又讓Intel處理器有著兼顧功耗的優勢,這都是當時的蘋果迫切需要的。

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論