苹果芯片一号人物：拆解芯片往事

苹果过去二十年股价飙升是由其标志性消费设备推动的。它始于 iPod 和 iMac。然后是 iPhone 和 iPad。最近还有 Apple Watch 和 AirPods。

但按市值计算，这家美国最大的公司拥有的不仅仅是小玩意。在其硅谷总部，一间不起眼的房间里摆满了几百台嗡嗡作响的机器和几位穿着实验室工作服的工程师，苹果公司正在设计为其最受欢迎的产品提供动力的定制芯片。

2010 年，苹果首次在 iPhone 4 中首次采用自研芯片。截至今年，所有新款 Mac 电脑均采用苹果自己的芯片，这让他们结束了该公司15 多年对英特尔的依赖。

负责硬件工程的约翰·特努斯 (John Ternus) 表示：“苹果公司最深刻的变化之一，尤其是在过去 20 年里我们的产品中，就是我们现在如何在内部开发这些技术。”，“当然，最重要的是我们的芯片。”

这一变化也让苹果面临了一系列新的风险。其最先进的硅主要由一家供应商台积电制造。与此同时，智能手机正在从严重的销售下滑中复苏，而微软等竞争对手人工智能正在取得巨大飞跃。

11 月，CNBC 参观了苹果位于加利福尼亚州库比蒂诺的园区，这是第一批获准在该公司芯片实验室内进行拍摄的记者。我们有一个难得的机会与苹果芯片部门负责人 Johny Srouji 讨论该公司进军定制半导体开发这一复杂业务的情况，亚马逊，谷歌、微软和特斯拉也在追求这一业务。

“我们有数千名工程师，”Srouji 说。“但如果你看看我们的芯片组合：实际上非常精简，效率很高。”

与传统芯片制造商不同，苹果不为其他公司设计芯片。

“因为我们并不真正对外销售芯片，所以我们专注于产品，”Srouji 说。“这让我们可以自由地进行优化，而可扩展的架构让我们可以在不同产品之间重复使用各个部分。”

自 2010 年起为 iPhone 提供芯片

Srouji 于 2008 年加入苹果，领导一个由 40 或 50 名工程师组成的小团队，为 iPhone 设计定制芯片。他加入一个月后，苹果以 2.78 亿美元收购了 PA Semiconductor，这是一家拥有 150 名员工的初创公司。

Creative Strategies 首席执行官兼首席分析师 Ben Bajarin 表示：“他们将开始设计自己的芯片：这是他们购买 PA Semi 后的直接收获。” Bajarin 表示，凭借其“固有的设计重点”，苹果希望“控制尽可能多的堆栈”。

收购两年后，苹果在 iPhone 4 和初代 iPad 中推出了首款定制芯片A4 。

“我们构建了所谓的统一内存架构，该架构可跨产品扩展，”Srouji 说。“我们构建了一个从 iPhone 开始的架构，然后我们将其扩展到 iPad，然后扩展到手表，最终扩展到 Mac。”

苹果的芯片团队已发展到数千名工程师，在世界各地的实验室工作，包括以色列、德国、奥地利、英国和日本。在美国，该公司在硅谷、圣地亚哥和德克萨斯州奥斯汀设有办公室。

苹果正在开发的主要芯片类型被称为片上系统（SoC）。Bajarin 解释说，它将中央处理单元 (CPU)、图形处理单元 (GPU) 和其他组件结合在一起，并补充说，苹果还有一个“运行神经引擎”的神经处理单元 (NPU)。

“这是硅以及硅上的所有模块，”Bajarin林说。

苹果的首款 SoC 是 A 系列，从 2010 年的 A4 进阶到今年 9 月发布的 A17 Pro。它是 iPhone 以及部分 iPad、Apple TV 和 HomePod 中的中央处理器。Apple 的另一个主要 SoC 是 M 系列，于 2020 年首次发布，现在为所有新款 Mac 和更先进的 iPad 提供支持。该产品已达到 M3 系列。

S 系列于 2015 年推出，是一款较小的系统级封装 (SiP)，适用于 Apple Watch。AirPods 中使用了 H 和 W 系列芯片。U系列芯片允许 Apple 设备之间进行通信。最新的芯片 R1 将于明年初在苹果的 Vision Pro 中上市。Apple 致力于处理来自设备摄像头、传感器和麦克风的输入，表示将在 12 毫秒内将图像传输到显示器。

“我们可以提前设计芯片，”Srouji 说。他补充说，他的员工与 Ternus 的团队合作，“准确无误地制造针对这些产品的芯片，而且只针对这些产品。”

例如，第二代 AirPods Pro 内的 H2 芯片可以实现更好的降噪效果。在新款 Apple Watch Series 9 中，S9 芯片提供了双击等不寻常的功能。在 iPhone 中，2017 年的 A11 Bionic 配备了第一个 Apple Neural Engine，这是 SoC 的专用部分，用于完全在设备上执行 AI 任务。

9 月份在 iPhone 15 Pro 和 Pro Max 中发布的最新 A17 Pro 实现了计算摄影和游戏高级渲染等功能的重大飞跃。

iPhone 营销负责人 Kaiann Drance 表示：“这实际上是 GPU 架构和苹果芯片历史上最大的重新设计。” “我们第一次拥有硬件加速光线追踪。我们还拥有网格着色加速功能，让游戏开发者能够创造出一些真正令人惊叹的视觉效果。”

这促进了Ubisoft的《刺客信条：幻影》、《全境封锁》和Capcom的《生化危机 4》等 iPhone 原生版本的开发。

苹果表示，A17 Pro 是首款大批量出货的 3 纳米芯片。

“我们使用 3 纳米的原因是它使我们能够在给定尺寸内封装更多晶体管。这对于产品和更高的能效非常重要，”Srouji 说。“尽管我们不是一家芯片公司，但我们引领行业是有原因的。”

取代 Mac 中的英特尔

苹果公司在 10 月份发布了用于 Mac 电脑的 M3 芯片，继续向 3 纳米工艺迈进。苹果表示，M3 具有 22 小时电池续航时间等功能，并且与 A17 Pro 类似，还提高了图形性能。

“现在还为时过早，”在苹果工作了 22 年的 Ternus 说。“我们还有很多工作要做，但我认为现在 Mac 太多了，几乎所有 Mac 都能够运行 3A 游戏，这与五年前不同。”

Ternus 表示，当他开始时，“我们倾向于使用其他公司的技术来制造产品，并且我们正在围绕该技术有效地构建产品。” 尽管注重美观的设计，“他们还是受到了现有的限制，”他说。

苹果在 2020 年放弃使用英特尔的 PC 处理器，转而在 MacBook Air 和其他 Mac 中使用自己的 M1 芯片，这是半导体行业的一项重大转变。

“这几乎就像物理定律发生了变化，”Ternus说。“突然之间，我们可以打造出一款极其轻薄、无风扇、电池续航时间长达 18 小时的 MacBook Air，并且性能优于我们刚刚发货的 MacBook Pro。”

他表示，配备苹果最先进芯片 M3 Max 的最新 MacBook Pro“比我们生产的最快的英特尔 MacBook Pro 快 11 倍。就在两年前我们才发货。”

英特尔处理器基于 x86 架构，这是 PC 制造商的传统选择，并为此开发了很多软件。苹果公司的处理器基于竞争对手的Arm架构，该架构以功耗更低、笔记本电脑电池续航时间更长而闻名。

苹果 2020 年推出的 M1 是高端计算机中基于 Arm 的处理器的一个证明点，与高通等其他大牌一样——据报道AMD和英伟达还开发基于 Arm 的 PC 处理器。9 月，苹果将与 Arm 的协议至少延长至 2040 年。

13 年前，当第一颗定制芯片问世时，苹果公司作为一家试图在竞争激烈、成本高昂的半导体市场上制造自己产品的非芯片公司，显得不同寻常。从那时起，亚马逊、谷歌、微软和特斯拉都尝试了定制芯片。

伯恩斯坦研究公司 (Bernstein Research) 董事总经理兼高级分析师史黛西·拉斯冈 (Stacy Rasgon) 表示：“苹果可以说是开拓者。” “他们表明，如果你这样做，你就可以尝试让你的产品脱颖而出。”

“调制解调器很难”

苹果尚未生产其设备中的所有芯片。例如，调制解调器是该公司尚未独自攻克的一大组件。

“处理器非常好。他们陷入困境的地方是调制解调器方面，是电话中的无线电方面，”Rasgon说。“调制解调器很难。”

苹果公司的调制解调器依赖高通公司，尽管两家公司在 2019 年解决了为期两年的知识产权法律纠纷。不久之后，苹果以 10 亿美元收购了英特尔 5G 调制解调器业务的大部分股份，此举可能是为了开发自己的蜂窝调制解调器。但这种情况尚未发生，9 月，苹果与高通签约，在 2026 年之前供应其调制解调器。

“高通仍然制造世界上最好的调制解调器，” Bajarin说。“在苹果公司能够做到同样出色的工作之前，我很难看到他们完全投入到这一点。”

苹果公司的斯鲁吉表示，他无法对“未来的技术和产品”发表评论，但表示“我们关心蜂窝网络，并且我们有团队支持这一点。”

据报道，苹果公司还在开发自己的 Wi-Fi 和蓝牙芯片。目前，它与博通就无线组件达成了一项价值数十亿美元的新协议。苹果还依赖三星和美光等第三方提供内存。

当被问及苹果是否会尝试设计其芯片的每个部分时，Srouji 说：“我们的目标还是产品。” “我们希望打造地球上最好的产品。作为一个技术团队（本例中还包括芯片），我们希望构建能够实现这一愿景的最佳技术。”

Srouji 表示，为了实现这一目标，苹果将“购买现成的产品”，如果这意味着团队可以专注于“真正重要的事情”。

无论苹果最终设计了多少芯片，它仍然需要在外部制造芯片。这需要台积电等代工公司拥有的大型制造工厂。全球90%以上的先进芯片是由台湾台积电生产的。因此苹果至少希望将部分制造业务转移到美国，并致力于成为台积电在亚利桑那州新建工厂的最大客户。融洽吗，Apple 宣布将成为价值 20 亿美元的新Amkor的第一个，也是最大的客户正在亚利桑那州皮奥里亚建造制造和封装工厂。Amkor 将封装台积电亚利桑那工厂生产的苹果芯片。

“我们一直希望拥有多元化的供应：亚洲、欧洲和美国，这就是为什么我认为台积电在亚利桑那州建造工厂很棒，”Srouji 说。

寻找人才

另一个担忧是美国熟练芯片劳动力的短缺，美国几十年来都没有建造先进的晶圆厂。台积电表示，由于缺乏熟练工人，其亚利桑那工厂现已推迟至 2025 年。

无论是否与人才短缺有关，苹果新芯片的发布速度都在放缓。

“几代人花费的时间越来越长，因为他们变得越来越难，”Srouji 说。“而且封装更多并获得能效的能力也与 10 年前不同。”

Srouji 重申了他的观点，即苹果在这方面具有优势，因为“我不需要担心我将芯片发送到哪里，我如何瞄准更大的客户群？”

尽管如此，苹果的行动还是凸显了市场的竞争力。2019 年，苹果芯片架构师杰拉德·威廉姆斯 (Gerard Williams) 离职，领导了一家名为 Nuvia 的数据中心芯片初创公司，并带走了一些苹果工程师。苹果公司因知识产权问题起诉威廉姆斯，但今年撤销了此案。高通于 2021 年收购了 Nuvia，此举是为了在苹果等基于 Arm 的 PC 处理器领域展开竞争。

“我不能真正讨论法律问题，但我们真正关心知识产权保护，”Srouji 说。“当某些人因为某些原因离开时，那是他们的选择。”

苹果的核心业务面临着额外的宏观挑战，因为智能手机销量刚刚从多年来的最低水平恢复。

然而，对人工智能工作负载的需求正在导致硅订单激增，尤其是Nvidia等公司生产的 GPU。

由于 ChatGPT 和其他生成式 AI 服务的流行，该公司的股价今年上涨了 200% 以上。

谷歌自 2016 年起就为 AI 设计了张量处理单元。亚马逊网络服务自 2018 年起就有了自己的数据中心 AI 芯片。微软于 11 月发布了新的 AI 芯片。

Srouji 表示，他的苹果团队自 2017 年在 A11 仿生芯片中推出机器学习引擎 Apple Neural Engine 以来，就一直致力于开发该引擎。他还指出，其 CPU 中嵌入了机器学习加速器，并且“高度优化的 GPU”用于机器学习。”

Apple 的神经引擎为Face ID 和 Animojis 等所谓的“设备上机器学习功能”提供支持。

7 月份，彭博社报道称，苹果公司构建了自己的大型语言模型（称为 Ajax）和聊天机器人（称为 Apple GPT）。发言人拒绝证实或否认该报道的准确性。

自 2015 年以来，苹果还收购了超过两打人工智能公司。

当被问及苹果在人工智能领域是否落后时，Srouji 说：“我不相信我们会落后。”

Bajarin更加持怀疑态度。

在谈到苹果在人工智能领域的地位时，Bajarin表示：“这在苹果去年的芯片上是可行的，在今年的 M3 芯片上甚至更强大。” “但软件必须赶上这一点，这样开发人员才能利用这一优势，在 Apple Silicon 上编写明天的人工智能软件。”

他预计很快会有改进。

“从第一天起，苹果就有机会真正做到这一点，”Bajarin说。“但我认为每个人都预计它会在来年出现。”