蘋果芯片實驗室都做了什么事？

過去二十年來，蘋果公司股價飆升的動力來自于其標志性消費設備，始于iPod和iMac，然后是iPhone和iPad。近年來，蘋果又推出了Apple Watch和AirPods。

但是，對于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。在硅谷總部，蘋果公司正在設計為蘋果最受歡迎產品提供支持的自研芯片。

早在2010年，蘋果就首次在iPhone 4上搭載了自研芯片。到今年為止，所有新款Mac電腦都采用蘋果自己的芯片，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年里，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芯片。

這一變化也使蘋果面臨一系列新的風險。蘋果公司最先進的芯片主要由臺積電生產，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蘇，微軟等競爭對手正在人工智能（AI）領域取得巨大飛躍。

蘋果芯片部門主管喬尼·斯魯吉（Johny Srouji）指出，亞馬遜、谷歌、微軟和特斯拉也在自研芯片?！拔覀冇袛登?a target="_blank">工程師，你看看我們的芯片組合，非常精簡，非常高效?！?/p>

與傳統的芯片制造商不同，蘋果并不為其他公司生產芯片。他指出，“因為我們并不對外銷售芯片，所以我們專注于產品，這給了我們優化芯片的自由，可擴展的架構讓我們可以在不同產品之間重復使用芯片?！?/p>

蘋果自研芯片2010年起為iPhone賦能

斯魯吉于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設計定制芯片。在他加入一個月后，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 StrategiesCEO兼首席分析師本·巴加林（Ben Bajarin）表示，蘋果將開始生產自己的芯片，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制堆棧。

收購兩年后，蘋果在iPhone 4和初代iPad上使用了首款自研芯片A4。斯魯吉說：“我們建立了統一內存架構，它可以跨產品擴展。我們建立了一個從iPhone開始的架構，然后將其擴展到iPad、Apple Watch以及Mac上?！?/p>

蘋果的芯片團隊已經發展到數千名工程師，他們在世界各地的實驗室工作，包括以色列、德國、奧地利、英國和日本。在美國，蘋果在硅谷、圣地亞哥和得克薩斯州奧斯汀都有工廠。

蘋果公司正在開發的主要芯片類型被稱為系統級芯片（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。對于蘋果來說，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月發布的A17 Pro。A系列芯片是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，于2020年首次發布，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。

蘋果于2015年推出了S系列芯片，它是蘋果Apple Watch搭載的較小芯片封裝系統。此外，蘋果在AirPods中使用了H和W系列芯片。U系列芯片支持蘋果設備之間進行通信。最新的R1芯片將于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、傳感器和麥克風的輸入，將圖像流式傳輸到顯示屏上。

斯魯吉表示，他們可以提前設計芯片。他的員工與硬件主管特努斯領導的團隊合作，精確而準確地制造出針對這些產品的芯片，而且只針對這些產品。

例如，第二代AirPods Pro內置的H2芯片可以更好地消除噪音。在新款Apple WatchSeries 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，專門用于在設備上執行AI任務。

今年9月發布的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max搭載了最新的A17 Pro，使計算攝影和游戲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架構和蘋果芯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，這允許游戲開發者創造一些真正令人驚嘆的視覺效果?！?/p>

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芯片。斯魯吉說：“我們使用3nm制程工藝的原因是，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。盡管我們不是一家芯片公司，但我們在這個行業處于領先地位自有其道理?！?/p>

在Mac中替換英特爾處理器

蘋果在10月份宣布為Mac電腦提供M3芯片，繼續向3nm的方向邁進。蘋果表示，M3具有22小時的電池續航能力，并且與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級游戲，這與五年前的情況截然不同?！?/p>

他還說，“最開始的時候，我們制造產品的方式往往是使用其他公司的技術，并有效地圍繞這些技術構建產品。盡管更注重美觀的設計，但我們受到現有條件的很大制約?！?/p>

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芯片，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，我們可以制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?！?/p>

他還說，“搭載蘋果最先進芯片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?！?/p>

英特爾處理器基于x86架構，這是PC制造商的傳統選擇，市場為此開發了許多軟件。而蘋果的處理器采用了英特爾競爭對手Arm的架構，后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系列芯片是基于Arm架構處理器在高端電腦上采用的一個轉折點，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于Arm架構的PC處理器。2023年9月，蘋果將與Arm的協議延長至2040年。

13年前，當蘋果推出首款定制芯片時，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芯片公司，蘋果顯得十分與眾不同。此后，亞馬遜、谷歌、微軟和特斯拉都開始嘗試定制芯片。

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眾不同?！?/p>

“基帶芯片研發很難”

當然，蘋果還沒有制造其設備需要的所有芯片。例如，基帶芯片是該公司尚未靠自己攻克的一個重大難關。拉斯貢說：“蘋果的處理器已經非常好，但他們在自研基帶芯片方面遇到了困難?；鶐酒茈y研發?！?/p>

蘋果依賴高通的基帶芯片，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。不久之后，蘋果以10億美元的價格收購了英特爾基帶芯片業務的大部分，這可能是為了開發自己的基帶芯片。然而，蘋果還沒有成功。2023年9月，蘋果與高通簽署協議，后者將在2026年前供應其基帶芯片。

蘋果芯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?！?/p>

據報道，蘋果也在研發自己的Wi-Fi和藍牙芯片。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芯片。

當被問及蘋果是否會嘗試設計其芯片的每個部分時，斯魯吉表示：“我們的愿景是打造最好的產品。作為一個包括芯片在內的技術團隊，我們希望打造最好的技術來實現這一愿景。為了實現這一目標，蘋果更愿意購買現成的產品，以便讓團隊可以專注于真正重要的事情”

不管蘋果最終設計了多少芯片，它仍然需要在外部制造芯片。這需要像臺積電這樣的代工企業擁有的大規模的制造工廠。世界上90%以上的先進芯片都由臺積電制造，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計劃是什么？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，一切都要靠臺積電?！?/p>

蘋果至少希望將部分芯片制造業務轉移到美國，為此不惜承諾將成為臺積電在亞利桑那州建廠的最大客戶。不久前，蘋果還宣布，它將成為Amkor（安靠）在亞利桑那州皮奧里亞新建20億美元制造和封裝工廠的第一個也是最大的客戶。Amkor將負責封裝臺積電亞利桑那州工廠生產的蘋果芯片。

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，這就是為什么我認為臺積電在亞利桑那州建廠是件好事的原因?！?/p>

尋找人才

蘋果的另一個擔憂是美國缺少熟練的芯片工人，美國幾十年來都沒有建造先進的晶圓廠了。臺積電表示，由于缺乏熟練工人，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，蘋果在發布新芯片方面速度已經放緩。斯魯吉認為，“芯片迭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?！?/p>

斯魯吉重申了他的觀點，即蘋果在這方面存在優勢，因為“不需要擔心自己的芯片要被送到哪里?！?/p>

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，蘋果芯片架構師杰拉德·威廉姆斯（Gerard Williams）離職，創建了名為Nuvia的數據中心芯片初創公司，并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，于今年撤訴。高通于2021年收購了Nuvia，此舉旨在與蘋果等基于Arm架構的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?！?/p>

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蘇。然而，對AI工作負載的需求正在導致芯片訂單激增，尤其是英偉達等公司生產的GPU。由于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，谷歌為AI設計了張量處理單元（TPU）。自2018年以來，亞馬遜旗下云計算部門AWS就為數據中心提供了自己的AI芯片。微軟今年11月發布了新的AI芯片。

斯魯吉表示，早在2017年A11仿生芯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領域落后時，斯魯吉并不認為蘋果落后了。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，蘋果在芯片領域取得了不錯的成就，2023年的M3芯片性能更強大。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，在蘋果芯片上編寫未來的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于2024年在AI方面大放異彩。

審核編輯：黃飛