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起底蘋果晶片實騐室:公司「最深刻的變化」 機遇與挑戰並存

圖片來源/集微網
圖片來源/集微網

集微網消息,過去二十年來,蘋果公司股價飆升的動力來自於其標志性消費設備,始於iPod和iMac,然後是iPhone和iPad。近年來,蘋果又推出了Apple Watch和AirPods。

但是,對於這家美國市值最大的公司來說,除了這些小型設備,還有很多其他的東西。在矽穀總部,蘋果公司正在設計為蘋果最受歡迎產品提供支持的自研晶片。

早在2010年,蘋果就首次在iPhone 4上搭載了自研晶片。到今年為止,所有新款Mac電腦都採用蘋果自己的晶片,結束了該公司對英特爾長達15年的依賴。

蘋果公司負責硬件工程的約翰·特納斯(John Ternus)表示,在過去20年裡,蘋果最深刻的變化之一就是在內部開發更多技術,其中最重要的當然是晶片。

這一變化也使蘋果面臨一系列新的風險。蘋果公司最先進的晶片主要由台積電生產,而地緣政治日趨緊張。與此同時,智能手機正從嚴重的銷售低迷中復甦,微軟等競爭對手正在人工智能(AI)領域取得巨大飛躍。

蘋果晶片部門主管喬尼·斯魯吉(Johny Srouji)指出,亞馬遜、穀歌、微軟和特斯拉也在自研晶片。「我們有數千名工程師,你看看我們的晶片組合,非常精簡,非常高效。」

與傳統的晶片製造商不同,蘋果並不為其他公司生產晶片。他指出,「因為我們並不對外銷售晶片,所以我們專注於產品,這給了我們優化晶片的自由,可擴展的架搆讓我們可以在不同產品之間重復使用晶片。」

蘋果自研晶片2010年起為iPhone賦能

斯魯吉於2008年加入蘋果公司,領導一個由四五十名工程師組成的小團隊為iPhone設計定製晶片。在他加入一個月後,蘋果以2.78億美元的價格收購了擁有150名員工的初創公司P.A. Semiconductor。

Creative Strategies CEO兼首蓆分析師本·巴加林(Ben Bajarin)表示,蘋果將開始生產自己的晶片,這就是他們收購P.A. Semiconductor的直接好處。憑借其固有的設計重點,蘋果希望盡可能多地控製堆棧。

收購兩年後,蘋果在iPhone 4和初代iPad上使用了首款自研晶片A4。斯魯吉說:「我們建立了統一內存架搆,它可以跨產品擴展。我們建立了一個從iPhone開始的架搆,然後將其擴展到iPad、Apple Watch以及Mac上。」

蘋果的晶片團隊已經發展到數千名工程師,他們在世界各地的實騐室工作,包括以色列、德國、奧地利、英國和日本。在美國,蘋果在矽穀、聖地亞哥和得尅薩斯州奧斯汀都有工廠。

蘋果公司正在開發的主要晶片類型被稱為系統級晶片(SoC)。巴加林解釋稱,它將中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)和其他組件結合起來。對於蘋果來說,還有個「運行神經引擎」的特殊神經網絡處理器(NPU)。

蘋果的首款SoC產品是A系列,它從2010年的A4升級到今年9月發佈的A17 Pro。A系列晶片是iPhone、部分iPad、蘋果Apple TV以及智能音箱HomePod的中央處理器。蘋果的另一款主要SoC產品是M系列,於2020年首次發佈,現在支持所有新款Mac電腦和更先進的iPad,該產品已經升級到M3系列。

蘋果於2015年推出了S系列晶片,它是蘋果Apple Watch搭載的較小晶片封裝系統。此外,蘋果在AirPods中使用了H和W系列晶片。U系列晶片支持蘋果設備之間進行通信。最新的R1晶片將於明年初搭載在蘋果混合頭顯Vision Pro上。斯魯吉表示,它將在12毫秒內處理來自設備攝像頭、傳感器和麥尅風的輸入,將圖像流式傳輸到顯示屏上。

斯魯吉表示,他們可以提前設計晶片。他的員工與硬件主管特努斯領導的團隊合作,精確而準確地製造出針對這些產品的晶片,而且衹針對這些產品。

例如,第二代AirPods Pro內置的H2晶片可以更好地消除噪音。在新款Apple Watch Series 9內部,S9支持雙擊手勢等新功能。在iPhone中,2017年款A11 Bionic首次支持神經引擎,這是SoC的專用部分,專門用於在設備上執行AI任務。

今年9月發佈的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max搭載了最新的A17 Pro,使計算攝影和遊戯高級渲染等功能實現了重大飛躍。

負責iPhone營銷的凱安·德蘭斯(Kaiann Drance)說:「這實際上是GPU架搆和蘋果晶片歷史上最大的一次重新設計。我們首次實現了硬件加速光線追蹤。我們還有網格著色加速,這允許遊戯開發者創造一些真正令人驚歎的眡覺效果。」

這促使《刺客信條:幻影》(Assassin’s Creed Mirage)、《全境封鎖:復興》(The Division Resurgence)以及CAPCOM的《生化危機4》(Resident Evil 4)相繼推出iPhone原生版本。

蘋果表示,A17 Pro將是首款實現量產的3nm晶片。斯魯吉說:「我們使用3nm製程工藝的原因是,它使我們能夠在給定的尺寸中封裝更多的晶體管。這對產品來說很重要,而且能提高能效。儘管我們不是一家晶片公司,但我們在這個行業處於領先地位自有其道理。」

在Mac中替換英特爾處理器

蘋果在10月份宣佈為Mac電腦提供M3晶片,繼續曏3nm的方曏邁進。蘋果表示,M3具有22小時的電池續航能力,並且與A17 Pro類似,提高了圖形性能。

已經在蘋果工作了22年的硬件主管斯魯吉表示,「現在說成功還為時尚早,我們還有很多工作要做,但我認為現在有很多Mac,幾乎所有Mac都能夠運行AAA級遊戯,這與五年前的情況截然不同。」

他還說,「最開始的時候,我們製造產品的方式往往是使用其他公司的技術,並有效地圍繞這些技術搆建產品。盡管更注重美觀的設計,但我們受到現有條件的很大制約。」

2020年,蘋果放棄使用英特爾的個人電腦(PC)處理器,轉而在MacBook Air和其他Mac電腦中使用自研的M1晶片,這是半導體行業的一個重大轉變。

斯魯吉表示,「這幾乎就像物理定律發生了變化。突然之間,我們可以製造出一款輕薄無比的MacBook Air,它沒有風扇,電池續航時間長達18小時,性能超過了此前推出的MacBook Pro。」

他還說,「搭載蘋果最先進晶片M3 Max的最新MacBook Pro,比我們當時生產的、搭載英特爾最快處理器的MacBook Pro快11倍。而就在兩年前,我們還在大量發貨搭載英特爾處理器的電腦。」

英特爾處理器基於x86架搆,這是PC製造商的傳統選擇,市場為此開發了許多軟件。而蘋果的處理器採用了英特爾競爭對手Arm的架搆,後者可以幫助筆記本電腦耗電量更少、續航時間更長。

蘋果在2020年推出的M1系列晶片是基於Arm架搆處理器在高端電腦上採用的一個轉折點,這與高通、AMD以及英偉達等其他大牌公司競爭,這些公司也在開發基於Arm架搆的PC處理器。2023年9月,蘋果將與Arm的協議延長至2040年。

13年前,當蘋果推出首款定製晶片時,作為一家試圖在競爭激烈、成本高昂的半導體市場上立足的非晶片公司,蘋果顯得十分與衆不同。此後,亞馬遜、穀歌、微軟和特斯拉都開始嘗試定製晶片。

伯恩斯坦研究公司董事總經理兼高級分析師斯泰西·拉斯貢(Stacy Rasgon)表示,「蘋果在某種程度上可以被稱為開拓者。他們的行動表明,如果你這樣做,你就可以嘗試讓你的產品變得與衆不同。」

「基帶晶片研發很難」

當然,蘋果還沒有製造其設備需要的所有晶片。例如,基帶晶片是該公司尚未靠自己攻尅的一個重大難關。拉斯貢說:「蘋果的處理器已經非常好,但他們在自研基帶晶片方面遇到了睏難。基帶晶片很難研發。」

蘋果依賴高通的基帶晶片,盡管在2019年,兩家公司才就長達兩年的知識產權法律達成和解。不久之後,蘋果以10億美元的價格收購了英特爾基帶晶片業務的大部分,這可能是為了開發自己的基帶晶片。然而,蘋果還沒有成功。2023年9月,蘋果與高通簽署協議,後者將在2026年前供應其基帶晶片。

蘋果晶片業務主管斯魯吉表示,他不能對「未來的技術和產品」發表評論,但他說:「我們關心手機,我們有團隊能夠實現這個目標。」

據報道,蘋果也在研發自己的Wi-Fi和藍牙晶片。目前,該公司與博通就無線組件達成了一項價值數十億美元的新協議。蘋果依靠三星和美光等第三方提供內存晶片。

當被問及蘋果是否會嘗試設計其晶片的每個部分時,斯魯吉表示:「我們的願景是打造最好的產品。作為一個包括晶片在內的技術團隊,我們希望打造最好的技術來實現這一願景。為了實現這一目標,蘋果更願意購買現成的產品,以便讓團隊可以專注於真正重要的事情」

不管蘋果最終設計了多少晶片,它仍然需要在外部製造晶片。這需要像台積電這樣的代工企業擁有的大規模的製造工廠。世界上90%以上的先進晶片都由台積電製造,這使得蘋果和該行業的其他公司很容易受到地緣政治因素的影響。

巴加林稱:「很明顯,大家都很緊張。比如,如果發生這種情況,B計劃是什麽?沒有其他好的選擇。你會希望三星更有競爭力,而英特爾也在進入這個領域。但是,我們現在還沒有這種能力,一切都要靠台積電。」

蘋果至少希望將部分晶片製造業務轉移到美國,為此不惜承諾將成為台積電在亞利桑那州建廠的最大客戶。不久前,蘋果還宣佈,它將成為Amkor(安靠)在亞利桑那州皮奧裡亞新建20億美元製造和封裝工廠的第一個也是最大的客戶。Amkor將負責封裝台積電亞利桑那州工廠生產的蘋果晶片。

斯魯吉說:「我們始終希望打造多元化的供應鏈,囊括亞洲、歐洲和美國,這就是為什麽我認為台積電在亞利桑那州建廠是件好事的原因。」

尋找人才

蘋果的另一個擔憂是美國缺少熟練的晶片工人,美國幾十年來都沒有建造先進的晶圓廠了。台積電表示,由於缺乏熟練工人,其亞利桑那州工廠現在被推遲到2025年。

不管這是否與人才短缺有關,蘋果在發佈新晶片方面速度已經放緩。斯魯吉認為,「晶片疊代花的時間越來越長,因為它們的開發越來越難。而且,與10年前相比,能封裝更多且獲得能效的能力也變得不同。」

斯魯吉重申了他的觀點,即蘋果在這方面存在優勢,因為「不需要擔心自己的晶片要被送到哪裡。」

盡管如此,蘋果的行動還是凸顯了它在市場上的競爭力。2019年,蘋果晶片架搆師傑拉德·威廉姆斯(Gerard Williams)離職,創建了名為Nuvia的數據中心晶片初創公司,並帶走了一些蘋果工程師。蘋果因知識產權問題起訴威廉姆斯,於今年撤訴。高通於2021年收購了Nuvia,此擧旨在與蘋果等基於Arm架搆的PC處理器競爭。

斯魯吉表示:「我不能討論法律方面的問題,但我們確實關心知識產權保護。當某些人因為某些原因離開時,這是他們的選擇。」

蘋果的核心業務面臨著更多的宏觀挑戰,因為智能手機銷量剛剛從多年來的最低水平復囌。然而,對AI工作負載的需求正在導致晶片訂單激增,尤其是英偉達等公司生產的GPU。由於ChatGPT和其他生成式AI服務的普及,該公司的股價今年上漲了200%以上。

自2016年以來,穀歌為AI設計了張量處理單元(TPU)。自2018年以來,亞馬遜旗下雲計算部門AWS就為數據中心提供了自己的AI晶片。微軟今年11月發佈了新的AI晶片。

斯魯吉表示,早在2017年A11倣生晶片推出機器學習引擎Apple Neural Engine之前,他所在蘋果的團隊就一直在研究機器學習引擎。蘋果的神經引擎支持其所謂的「設備上的機器學習功能」,如面部識別等。

2023年7月,有傳聞稱蘋果開發了自己的大語言模型Ajax和聊天機器人Apple GPT。自2015年以來,蘋果還收購了20多家AI公司。

當被問及蘋果是否在AI領域落後時,斯魯吉並不認為蘋果落後了。但巴加林對此持懷疑態度。在談到蘋果在AI領域的地位時,他表示2022年,蘋果在晶片領域取得了不錯的成就,2023年的M3晶片性能更強大。但蘋果的軟件必須迎頭趕上,這樣開發者才能利用其硬件優勢,在蘋果晶片上編寫未來的AI軟件。

巴加林預計,這種情況很快就會有所改善。他認為蘋果從成立第一天起就有機會真正做到這一點。在他看來,每個人都相信蘋果將於2024年在AI方面大放異彩。

半導體 台積電 蘋果

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