從蘋果看「自造」晶片的重要性

作者 : 張河勳,EE Times China

從蘋果自研晶片可以得到結論:晶片是一個需要持續投入的過程,包括歷史經驗累積、人才、投入資源。唯有如此,才終見曙光。

有人評論,蘋果(Apple)真的沒有競爭對手,如果有,那就只有它自己了。長期以來,蘋果就是消費性電子的技術風向球,從電容式觸控螢幕、3D Touch……到自研晶片,甚至被吐槽的「瀏海」設計都被業界模仿,也成為一個個科技新噱頭。 近日,日本市調機構Techno Systems Research (TSR)調查了電路線寬為4~5奈米(nm)的尖端邏輯半導體市佔的情況,2022年蘋果預計佔全球的53%,是4~5奈米尖端半導體最大客戶,且其銷售也正影響著尖端半導體的投資發展風向。 其實,正是蘋果堅持自研晶片之路,才推進了硬體底層持續進化,同時也強化了自身的生態優勢。對於飽受晶片短缺之痛的晶片產業,蘋果的自研晶片之路值得借鑒。 強大的蘋果不是與生俱來 實際上,蘋果的「自造」晶片計畫可以追溯到1990年代。蘋果創始人賈伯斯重新回歸之後,推動蘋果與IBM、摩托羅拉(Motorola)組建了MI PowerPC (Apple、IBM、Motorola)聯盟,共同研發並推出PowerPC晶片,以期重新奪回個人電腦市場的主動權。其中,IBM、摩托羅拉負責聯合研發PowerPC晶片,蘋果則負責將PowerPC晶片裝配到個人電腦上,同時晶片也向聯盟以外的公司提供。 據悉,PowerPC晶片採用了IBM Power的精簡版RISC晶片架構,並繼承了IBM高階伺服器工作站的強大運算性能,以及摩托羅拉的頂尖晶片技術,具有可伸縮性好、方便靈活等優點。不過PowerPC晶片也存在能耗過高、價格昂貴等缺點。 當時的蘋果還未有如今的科技影響力,也沒有現在對供應鏈強大的掌控能力。由於PowerPC晶片僅在蘋果電腦上配置,其他廠商使用PowerPC晶片的比例極低,導致了研發投入和盈利回報極其不平衡。因此,基於自身實際利益,IBM也無法接受為蘋果研發晶片繼續投入鉅資,與摩托羅拉將一部分設計精力轉向汽車製造領域的嵌入式PowerPC晶片,而不是只專注於滿足蘋果Mac的需求。這就導致了IBM提供的PowerPC晶片存在技術問題,而蘋果對此也無計可施,於2005年在PowerPC晶片上虧損了數億美元後,決定從AMI聯盟退場,轉投英特爾(Intel)懷抱。 不過,英特爾「擠牙膏」式的研發速度顯然無法滿足蘋果在技術創新上的節奏,導致蘋果新品發佈計畫常常出現延遲,以及安全問題。當然,除了技術本身的問題之外,英特爾對供給晶片的強大的控制力,已經對蘋果供應鏈安全帶來了諸多不安全因素。由此,英特爾和蘋果合作的蜜月期並未持續很久。 實際上,儘管蘋果之後在基頻晶片上還曾與英特爾有過短暫的合作,但打造自主可控的晶片這樣重要的硬體上,已經成為蘋果堅定的長期發展規劃。加之在PowerPC晶片研發受制於人的深刻教訓,蘋果正式下場走自行研發晶片之路。與此同時,iPhone、iPad等產品熱銷也能支撐蘋果自研手機晶片之路,也讓該公司逐漸贏得了改變世界的機會。 「自造」晶片帶來多大受益? 據悉,蘋果為了研發PC處理器,已經投入了10多年,至少斥資10億美元收購了6家以上的公司。但要說蘋果晶片研發能力,自然要提一下蘋果在2008年收購的晶片設計公司P.A.Semi。 可以說,蘋果的整個晶片研發業務可以說是繼承了P.A.Semi的衣缽,也是蘋果自研晶片戰略騰飛的重要一步。P.A.Semi創立於2003年,位於美國加州Santa Clara,由曾在2003年獲頒IEEE Solid State Circuits Award的晶片設計大師Daniel W. Dobberpuhl成立。如今,蘋果A系列與M系列處理器之所以能取得今天表現與地位,除了封閉性生態系統帶來的先天「不對稱」優勢,P.A.Semi團隊絕對厥功甚偉。 據悉,P.A.Semi當時研發名為PWRficient的產品線,即追求極致能耗比的處理器。該產品先分成三部分:相容PowerPC指令集的PA6T核心、CONEXIUM晶片內連結架構、ENVOI I/O子系統。有人認為,此後蘋果自研處理器的諸多特色,或多或少都可在PWRficient產品線上探尋到相關的蹤跡,也可從P.A.Semi「技術遺產」判斷蘋果自家晶片未來的可能方向。 整體來看,蘋果的晶片團隊是非常有歷史的,僅是P.A.Semi就有近20年歷史,而且在其發展的各個階段還通過並購收攏了不少相應的人才。除了P.A.Semi,於1999年在美國德州奧斯汀成立的Intrinsity也可以說是蘋果晶片核心團隊主要來源之一,其強項在於最佳化Wave Pipeline (無鎖存流水線)電路設計,直接應用於A4處理器。 蘋果於2010年4月發佈首款自研處理器A4,正式走上了自行研發晶片的道路。但嚴格意義上來講,A4不能算是蘋果真正的自研晶片,因為該晶片的研發思路參考了三星(Samsung) S5PC110。但毫無疑問,A4處理器是蘋果自研晶片的開端。 但隨後,P.A.Semi團隊於2012年推出了A6處理器,其為搭載蘋果的首款自研處理器架構Swift,而不是公版設計;2017年,蘋果A11 Bonic仿生晶片的推出,讓智慧型手機跨入了人工智慧(AI)時代,神經引擎的加入,透過演算法進一步提升了手機全方位的功能和體驗,如AR、人臉辨識、影像合成都成為現實。2020年推出M1晶片,正式進軍個人電腦晶片,M1衍生自手機的A14架構;今年6月,蘋果發佈M2系列晶片,也讓蘋果在封閉的生態中,把性能提升到一個新的極致水準,採用8核心CPU+10核心GPU,支援每秒15.8萬億次的神經網路引擎運算,相比於M1晶片多出40%。 除了晶片性能提升之外,自研晶片還為蘋果帶來了實實在在的經濟利益。根據機構估計,2020年蘋果推出首款自研電腦晶片之後,為蘋果總共節省了25億美元的成本。當然,自研晶片此舉還進一步提升了蘋果的競爭力和掌控了產品創新節奏的話語權。 全面實踐晶片自研計畫 據TSR調查結果,目前蘋果已成為尖端半導體的最大需求方。2020年以後,蘋果MacBook筆記型電腦和iPad平板電腦一直採用5奈米半導體;iPhone也自iPhone12系列以後採用4~5奈米晶片。雖然在手機和PC等消費性電子市場萎縮的當下,半導體供應已經出現過剩的情況,但在4~5奈米尖端半導體領域,仍屬於供不應求,這足以證明蘋果自研晶片已經為其技術創新和產品競爭帶來了正向回饋效應。 2020年6月,蘋果執行長Tim Cook在WWDC開發者大會上公開宣佈,未來Mac電腦將放棄英特爾處理器,「兩年內」要讓蘋果的所有Mac產品都用上蘋果自研的晶片。這很大程度上是蘋果對英特爾5G基頻晶片問題的徹底絕望。如今,「兩年之約」已到,蘋果如願擺脫了英特爾的束縛,幾乎實現了Mac產品線自研晶片的全面替換。 不過,蘋果自研晶片還有一座大山需要跨越,那就是5G基頻晶片。多年來,蘋果與高通(Qualcomm)在基頻晶片上的糾葛不斷,2019年甚至向高通支付了45億美元和解費,但缺乏5G基頻晶片的根本問題仍然沒有解決。由於在通訊領域技術累積不足,以及專利缺失,時至今日蘋果仍需向高通外購基頻晶片。 不過,儘管目前為止自研5G基頻未能成功,而且規避高通專利難度很大,但蘋果自然不能容忍被高通「獨家箝制」。今年8月,據《聖達戈聯合論壇報》報導,蘋果斥資4.45億美元(約合30億元)買下了原本屬於惠普(Hp)的67.6英畝老園區,其名稱為蘭喬·維斯塔企業中心。這可能是蘋果在該地區的首次商業收購,其正在加緊自研基頻晶片等元件。由此可見,未來蘋果自研晶片之路必然如以往那樣堅定。 當然,除了以自研晶片提升產品性能之外,近十年來蘋果實際上還實現了軟硬體一體化發展,建構了晶片、系統軟體、終端產品的生態,很大程度上構築了更加寬廣的「護城河」。而從蘋果自研晶片可以得到結論:晶片是一個需要持續投入的過程,包括歷史經驗累積、人才、投入資源。唯有如此,才終見曙光。 本文原刊登於EE Times China網站          

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