从苹果看自研芯片之路的重要性

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有人评论,苹果真的没有竞争对手,如果有,那就只有它自己了。

长期以来,苹果就是电子消费品的技术风向标,从电容式触摸屏、3D Touch……到自研芯片,甚至被吐槽“奇丑”的“齐刘海”设计都被业界模仿,也成为一个个科技新噱头。

近日,日本调查公司Techno Systems Research(简称 TSR)调查了电路线宽为 4~5纳米的尖端逻辑半导体市场占比的情况,其中2022年苹果公司预计占到全球份额的53%,是4~5纳米尖端半导体最大客户,且其销售也正影响着尖端半导体的投资发展风向。

其实,正是苹果坚持自研芯片之路,才推进了硬件底层持续进化,同时也强化了自身的生态优势。对于饱受“缺芯”之痛的中国芯片产业,苹果的自研芯片之路值得借鉴,特别在美国持续打压、限制中国芯片产业的大背景下,更凸显其重要意义。

强大的苹果不是与生俱来

实际上,苹果的造芯计划可以追溯到上世纪90年代。苹果创始人乔布斯重新回归之后,推动苹果与IBM、摩托罗拉组建了MI PowerPC(Apple、IBM、Motorola)联盟,共同研发并推出PowerPC芯片,以期重新夺回个人电脑市场的主动权。其中,IBM、摩托罗拉负责联合研发PowerPC芯片,苹果则负责将PowerPC芯片装配到个人电脑上,同时芯片也向联盟以外的公司提供。

据悉,PowerPC芯片采用了IBM Power的精简版RISC芯片架构,并继承了IBM高端服务器工作站的强大计算性能,以及摩托罗拉的顶尖芯片技术储备,具有可伸缩性好、方便灵活等优点。不过PowerPC芯片也存在能耗过高、价格昂贵等劣势。

彼时的苹果还未有如今的科技影响力,也没有现在对供应链强大的掌控能力。由于PowerPC芯片仅在苹果电脑上配置,其他厂商使用PowerPC芯片的比例极低,导致了研发投入和盈利回报极其不平衡。

因此,基于自身实际利益,IBM也无法接受为苹果研发芯片继续投入巨资,与摩托罗拉将一部分设计精力转向汽车制造领域的嵌入式PowerPC芯片,而不是只专注于满足苹果Mac的需求。这就导致了IBM提供的PowerPC芯片存在技术问题,而苹果对此也无计可施,于2005年在PowerPC芯片上亏损了数亿美元后,决定从AMI联盟退场,转投英特尔怀抱。

不过,英特尔“挤牙膏”式的研发速度显然无法满足苹果在技术创新上的节奏,导致苹果新品发布计划常常出现延迟以及安全问题。当然,除了技术本身的问题之外,英特尔对供给芯片的强大的控制力,已经对苹果供应链安全带来了诸多不安全因素。由此,英特尔和苹果合作的蜜月期并未持续很久。

实际上,尽管苹果之后在基带芯片上还曾与英特尔有过短暂的合作,但打造自主可控的芯片这样重要的硬件上,已经成为苹果坚定的长期发展规划。加之在PowerPC芯片研发受制于人的深刻教训,苹果正式下场走自研芯片之路。与此同时,iPhone、ipad等产品热销也能够支撑苹果自研手机芯片的之路,也让其逐渐赢得了改变世界的机会。

芯片带来多大受益?

据悉,苹果为了研发PC处理器,已经投入了10多年,至少斥资10亿美元收购了6家以上的公司。但要说苹果芯片研发能力,我们自然要提一下苹果于2008年收购的芯片设计公司 P.A.Semi。

可以说,苹果的整个芯片研发业务可以说是继承了P.A.Semi公司的衣钵,也是苹果自研芯片战略腾飞的重要一步。

P.A.Semi创立于2003年,位于美国加州Santa Clara,由曾在2003年获颁IEEE Solid State Circuits Award的芯片设计大师Daniel W. Dobberpuhl成立。如今,苹果A系列与M系列处理器之所以能取得今天表现与地位,除了封闭性生态系统带来的先天“不对称”优势,P.A.Semi团队绝对居功至伟。

据悉,P.A.Semi当时研发名为PWRficient的产品线,即追求极致能耗比的处理器。该产品先分成三部分:兼容PowerPC指令集的PA6T核心、CONEXIUM芯片内连结架构、ENVOI I/O子系统。有人认为,此后苹果自研处理器的诸多特色,或多或少都可在PWRficient产品线上探寻到相关的踪迹,也可从P.A.Semi公司“技术遗产”判断苹果自家芯片未来的可能方向。

整体来看,苹果的芯片团队是非常有历史积淀的,仅是P.A.Semi公司就有近20年历史,而且在其发展的各个阶段还通过并购收拢了不少相应的人才。除了P.A.Semi公司,于1999年在美国德州奥斯汀成立的Intrinsity也可以说是苹果芯片核心团队主要来源之一,其强项在于优化Wave Pipeline(无锁存流水线)电路设计,直接应用于A4处理器。

苹果于2010年4月发布首款自研处理器A4,正式走上了自研芯片的道路。但严格意义上来讲,A4不能算是苹果真正的自研芯片,因为该芯片的研发思路参考了三星S5PC110。但毫无疑问,A4处理器是苹果自研芯片的开端。

但随后,P.A.Semi团队于2012年推出了A6处理器,其为搭载苹果的首款自研处理器架构Swift,而不是公版设计。2017年,苹果A11 Bonic仿生芯片的推出,让智能手机跨入了AI时代,神经引擎的加入,通过算法进一步提升了手机全方位的功能和体验,如AR、人脸识别、图像合成都成为现实。2020年推出M1芯片,正式进军个人电脑芯片,M1衍生自手机的A14架构。今年6月,苹果发布M2系列芯片,也让苹果在封闭的生态中,把性能提升到一个新的极致水平,采用8核CPU+10核GPU,支持每秒15.8万亿次的神经网络引擎运算,相比于M1芯片多出40%。

除了芯片性能提升之外,自研芯片还给苹果带来了实实在在的经济利益。根据机构估计,2020年苹果推出首款自研电脑芯片之后,年内为苹果总共节省了25亿美元的成本。当然,自研芯片此举还进一步提升了苹果的竞争力和掌控了产品创新节奏的话语权。

全面实践芯片自计划

据TSR调查结果,目前苹果已成为尖端半导体的最大需求方。2020年以后,苹果MacBook笔记本电脑和iPad平板电脑一直采用5纳米半导体,iPhone也自iPhone12系列以后采用4~5纳米芯片。虽然在手机和PC等消费性电子市场萎缩的当下,半导体供应已经出现过剩的情况,但在4~5纳米尖端半导体领域,仍属于供不应求。这足以证明苹果自研芯片已经为其技术创新和产品竞争带来了正向反馈效应。

2020年6月,库克在WWDC开发者大会上公开宣布,未来Mac电脑将放弃英特尔处理器,“两年内”要让苹果的所有Mac产品都用上苹果自研的芯片。这很大程度上是苹果对英特尔5G基带芯片问题的彻底绝望。如今,“两年之约”已到,苹果如愿摆脱了英特尔的束缚,几乎实现了Mac产品线自研芯片的全面替换。

不过,苹果自研芯片还有一座大山需要逾越,那就是5G基带芯片。多年来,苹果与高通在基带芯片上的纠葛不断,2019年甚至向高通支付了45亿美金和解费,但缺乏5G基带芯片的根本问题仍然没有解决。由于在通信领域技术积淀不足以及专利缺失,时至今日苹果仍需向高通外购基带芯片。

不过,尽管目前为止自研5G基带未能成功,而且规避高通专利难度很大,但苹果自然不能容忍被高通“独家挟制”。今年8月,据《圣迭戈联合论坛报》报道,苹果斥资4.45亿美元(约合30亿元)买下了原本属于惠普的67.6英亩老园区,其名称为兰乔·维斯塔企业中心。这可能是苹果在该地区的首次商业收购,其正在加紧自研基带芯片等组件。由此可见,未来苹果自研芯片之路必然如以往那样坚定。

当然,除了以自研芯片提升产品性能之外,近十年来苹果实际上还实现了软硬件一体化发展,构建了芯片、系统软件、终端产品的生态闭环,很大程度上进一步构筑了更加宽广的“护城河”。而从苹果自研芯片,我们可以得到结论:芯片是一个需要持续投入的过程,包括历史积淀、人才、投入。唯有如此,才终见曙光。

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