起底苹果芯片实验室:公司“最深刻的变化”,机遇与挑战并存

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集微网消息,过去二十年来,苹果公司股价飙升的动力来自于其标志性消费设备,始于iPod和iMac,然后是iPhone和iPad。近年来,苹果又推出了Apple Watch和AirPods。

但是,对于这家美国市值最大的公司来说,除了这些小型设备,还有很多其他的东西。在硅谷总部,苹果公司正在设计为苹果最受欢迎产品提供支持的自研芯片。

早在2010年,苹果就首次在iPhone 4上搭载了自研芯片。到今年为止,所有新款Mac电脑都采用苹果自己的芯片,结束了该公司对英特尔长达15年的依赖。

苹果公司负责硬件工程的约翰·特纳斯(John Ternus)表示,在过去20年里,苹果最深刻的变化之一就是在内部开发更多技术,其中最重要的当然是芯片。

这一变化也使苹果面临一系列新的风险。苹果公司最先进的芯片主要由台积电生产,而地缘政治日趋紧张。与此同时,智能手机正从严重的销售低迷中复苏,微软等竞争对手正在人工智能(AI)领域取得巨大飞跃。

苹果芯片部门主管乔尼·斯鲁吉(Johny Srouji)指出,亚马逊、谷歌、微软和特斯拉也在自研芯片。“我们有数千名工程师,你看看我们的芯片组合,非常精简,非常高效。”

与传统的芯片制造商不同,苹果并不为其他公司生产芯片。他指出,“因为我们并不对外销售芯片,所以我们专注于产品,这给了我们优化芯片的自由,可扩展的架构让我们可以在不同产品之间重复使用芯片。”

苹果自研芯片2010年起为iPhone赋能

斯鲁吉于2008年加入苹果公司,领导一个由四五十名工程师组成的小团队为iPhone设计定制芯片。在他加入一个月后,苹果以2.78亿美元的价格收购了拥有150名员工的初创公司P.A. Semiconductor。

Creative Strategies CEO兼首席分析师本·巴加林(Ben Bajarin)表示,苹果将开始生产自己的芯片,这就是他们收购P.A. Semiconductor的直接好处。凭借其固有的设计重点,苹果希望尽可能多地控制堆栈。

收购两年后,苹果在iPhone 4和初代iPad上使用了首款自研芯片A4。斯鲁吉说:“我们建立了统一内存架构,它可以跨产品扩展。我们建立了一个从iPhone开始的架构,然后将其扩展到iPad、Apple Watch以及Mac上。”

苹果的芯片团队已经发展到数千名工程师,他们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,苹果在硅谷、圣地亚哥和得克萨斯州奥斯汀都有工厂。

苹果公司正在开发的主要芯片类型被称为系统级芯片(SoC)。巴加林解释称,它将中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)和其他组件结合起来。对于苹果来说,还有个“运行神经引擎”的特殊神经网络处理器(NPU)。

苹果的首款SoC产品是A系列,它从2010年的A4升级到今年9月发布的A17 Pro。A系列芯片是iPhone、部分iPad、苹果Apple TV以及智能音箱HomePod的中央处理器。苹果的另一款主要SoC产品是M系列,于2020年首次发布,现在支持所有新款Mac电脑和更先进的iPad,该产品已经升级到M3系列。

苹果于2015年推出了S系列芯片,它是苹果Apple Watch搭载的较小芯片封装系统。此外,苹果在AirPods中使用了H和W系列芯片。U系列芯片支持苹果设备之间进行通信。最新的R1芯片将于明年初搭载在苹果混合头显Vision Pro上。斯鲁吉表示,它将在12毫秒内处理来自设备摄像头、传感器和麦克风的输入,将图像流式传输到显示屏上。

斯鲁吉表示,他们可以提前设计芯片。他的员工与硬件主管特努斯领导的团队合作,精确而准确地制造出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内置的H2芯片可以更好地消除噪音。在新款Apple Watch Series 9内部,S9支持双击手势等新功能。在iPhone中,2017年款A11 Bionic首次支持神经引擎,这是SoC的专用部分,专门用于在设备上执行AI任务。

今年9月发布的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max搭载了最新的A17 Pro,使计算摄影和游戏高级渲染等功能实现了重大飞跃。

负责iPhone营销的凯安·德兰斯(Kaiann Drance)说:“这实际上是GPU架构和苹果芯片历史上最大的一次重新设计。我们首次实现了硬件加速光线追踪。我们还有网格着色加速,这允许游戏开发者创造一些真正令人惊叹的视觉效果。”

这促使《刺客信条:幻影》(Assassin’s Creed Mirage)、《全境封锁:复兴》(The Division Resurgence)以及CAPCOM的《生化危机4》(Resident Evil 4)相继推出iPhone原生版本。

苹果表示,A17 Pro将是首款实现量产的3nm芯片。斯鲁吉说:“我们使用3nm制程工艺的原因是,它使我们能够在给定的尺寸中封装更多的晶体管。这对产品来说很重要,而且能提高能效。尽管我们不是一家芯片公司,但我们在这个行业处于领先地位自有其道理。”

在Mac中替换英特尔处理器

苹果在10月份宣布为Mac电脑提供M3芯片,继续向3nm的方向迈进。苹果表示,M3具有22小时的电池续航能力,并且与A17 Pro类似,提高了图形性能。

已经在苹果工作了22年的硬件主管斯鲁吉表示,“现在说成功还为时尚早,我们还有很多工作要做,但我认为现在有很多Mac,几乎所有Mac都能够运行AAA级游戏,这与五年前的情况截然不同。”

他还说,“最开始的时候,我们制造产品的方式往往是使用其他公司的技术,并有效地围绕这些技术构建产品。尽管更注重美观的设计,但我们受到现有条件的很大制约。”

2020年,苹果放弃使用英特尔的个人电脑(PC)处理器,转而在MacBook Air和其他Mac电脑中使用自研的M1芯片,这是半导体行业的一个重大转变。

斯鲁吉表示,“这几乎就像物理定律发生了变化。突然之间,我们可以制造出一款轻薄无比的MacBook Air,它没有风扇,电池续航时间长达18小时,性能超过了此前推出的MacBook Pro。”

他还说,“搭载苹果最先进芯片M3 Max的最新MacBook Pro,比我们当时生产的、搭载英特尔最快处理器的MacBook Pro快11倍。而就在两年前,我们还在大量发货搭载英特尔处理器的电脑。”

英特尔处理器基于x86架构,这是PC制造商的传统选择,市场为此开发了许多软件。而苹果的处理器采用了英特尔竞争对手Arm的架构,后者可以帮助笔记本电脑耗电量更少、续航时间更长。

苹果在2020年推出的M1系列芯片是基于Arm架构处理器在高端电脑上采用的一个转折点,这与高通、AMD以及英伟达等其他大牌公司竞争,这些公司也在开发基于Arm架构的PC处理器。2023年9月,苹果将与Arm的协议延长至2040年。

13年前,当苹果推出首款定制芯片时,作为一家试图在竞争激烈、成本高昂的半导体市场上立足的非芯片公司,苹果显得十分与众不同。此后,亚马逊、谷歌、微软和特斯拉都开始尝试定制芯片。

伯恩斯坦研究公司董事总经理兼高级分析师斯泰西·拉斯贡(Stacy Rasgon)表示,“苹果在某种程度上可以被称为开拓者。他们的行动表明,如果你这样做,你就可以尝试让你的产品变得与众不同。”

基带芯片研发很难

当然,苹果还没有制造其设备需要的所有芯片。例如,基带芯片是该公司尚未靠自己攻克的一个重大难关。拉斯贡说:“苹果的处理器已经非常好,但他们在自研基带芯片方面遇到了困难。基带芯片很难研发。”

苹果依赖高通的基带芯片,尽管在2019年,两家公司才就长达两年的知识产权法律达成和解。不久之后,苹果以10亿美元的价格收购了英特尔基带芯片业务的大部分,这可能是为了开发自己的基带芯片。然而,苹果还没有成功。2023年9月,苹果与高通签署协议,后者将在2026年前供应其基带芯片。

苹果芯片业务主管斯鲁吉表示,他不能对“未来的技术和产品”发表评论,但他说:“我们关心手机,我们有团队能够实现这个目标。”

据报道,苹果也在研发自己的Wi-Fi和蓝牙芯片。目前,该公司与博通就无线组件达成了一项价值数十亿美元的新协议。苹果依靠三星和美光等第三方提供内存芯片。

当被问及苹果是否会尝试设计其芯片的每个部分时,斯鲁吉表示:“我们的愿景是打造最好的产品。作为一个包括芯片在内的技术团队,我们希望打造最好的技术来实现这一愿景。为了实现这一目标,苹果更愿意购买现成的产品,以便让团队可以专注于真正重要的事情”

不管苹果最终设计了多少芯片,它仍然需要在外部制造芯片。这需要像台积电这样的代工企业拥有的大规模的制造工厂。世界上90%以上的先进芯片都由台积电制造,这使得苹果和该行业的其他公司很容易受到地缘政治因素的影响。

巴加林称:“很明显,大家都很紧张。比如,如果发生这种情况,B计划是什么?没有其他好的选择。你会希望三星更有竞争力,而英特尔也在进入这个领域。但是,我们现在还没有这种能力,一切都要靠台积电。”

苹果至少希望将部分芯片制造业务转移到美国,为此不惜承诺将成为台积电在亚利桑那州建厂的最大客户。不久前,苹果还宣布,它将成为Amkor(安靠)在亚利桑那州皮奥里亚新建20亿美元制造和封装工厂的第一个也是最大的客户。Amkor将负责封装台积电亚利桑那州工厂生产的苹果芯片。

斯鲁吉说:“我们始终希望打造多元化的供应链,囊括亚洲、欧洲和美国,这就是为什么我认为台积电在亚利桑那州建厂是件好事的原因。”

寻找人才

苹果的另一个担忧是美国缺少熟练的芯片工人,美国几十年来都没有建造先进的晶圆厂了。台积电表示,由于缺乏熟练工人,其亚利桑那州工厂现在被推迟到2025年。

不管这是否与人才短缺有关,苹果在发布新芯片方面速度已经放缓。斯鲁吉认为,“芯片迭代花的时间越来越长,因为它们的开发越来越难。而且,与10年前相比,能封装更多且获得能效的能力也变得不同。”

斯鲁吉重申了他的观点,即苹果在这方面存在优势,因为“不需要担心自己的芯片要被送到哪里。”

尽管如此,苹果的行动还是凸显了它在市场上的竞争力。2019年,苹果芯片架构师杰拉德·威廉姆斯(Gerard Williams)离职,创建了名为Nuvia的数据中心芯片初创公司,并带走了一些苹果工程师。苹果因知识产权问题起诉威廉姆斯,于今年撤诉。高通于2021年收购了Nuvia,此举旨在与苹果等基于Arm架构的PC处理器竞争。

斯鲁吉表示:“我不能讨论法律方面的问题,但我们确实关心知识产权保护。当某些人因为某些原因离开时,这是他们的选择。”

苹果的核心业务面临着更多的宏观挑战,因为智能手机销量刚刚从多年来的最低水平复苏。然而,对AI工作负载的需求正在导致芯片订单激增,尤其是英伟达等公司生产的GPU。由于ChatGPT和其他生成式AI服务的普及,该公司的股价今年上涨了200%以上。

自2016年以来,谷歌为AI设计了张量处理单元(TPU)。自2018年以来,亚马逊旗下云计算部门AWS就为数据中心提供了自己的AI芯片。微软今年11月发布了新的AI芯片。

斯鲁吉表示,早在2017年A11仿生芯片推出机器学习引擎Apple Neural Engine之前,他所在苹果的团队就一直在研究机器学习引擎。苹果的神经引擎支持其所谓的“设备上的机器学习功能”,如面部识别等。

2023年7月,有传闻称苹果开发了自己的大语言模型Ajax和聊天机器人Apple GPT。自2015年以来,苹果还收购了20多家AI公司。

当被问及苹果是否在AI领域落后时,斯鲁吉并不认为苹果落后了。但巴加林对此持怀疑态度。在谈到苹果在AI领域的地位时,他表示2022年,苹果在芯片领域取得了不错的成就,2023年的M3芯片性能更强大。但苹果的软件必须迎头赶上,这样开发者才能利用其硬件优势,在苹果芯片上编写未来的AI软件。

巴加林预计,这种情况很快就会有所改善。他认为苹果从成立第一天起就有机会真正做到这一点。在他看来,每个人都相信苹果将于2024年在AI方面大放异彩。

(校对/孙乐)

责编: 李梅
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