蘋果芯片實驗室內部：數十年來公司最‘深刻變革’的源頭

蘋果公司過去20年來股價的飆升源于其標志性的消費設備。從iPod和iMac開始，然后是iPhone和iPad，再到最近的Apple Watch和AirPods。

但這家市值最大的美國公司背后不僅僅是這些小玩意。在其硅谷總部的一間普通房間里，有數百臺嗡嗡作響的機器和少數穿著實驗服的工程師，他們正在設計用于推動其最受歡迎產品的定制芯片。

蘋果于2010年首次在iPhone 4中推出自家設計的半導體芯片。截至今年，所有新的Mac電腦都由蘋果自家的芯片驅動，結束了公司15年以上依賴英特爾的歷史。

蘋果硬件工程主管約翰·特努斯表示：“在過去20年里，蘋果在產品方面發生的最深刻的變化之一，如果不是最深刻的，就是我們現在有很多技術都是我們自己做的。當然，排在首位的就是我們的芯片。”

這一變化也讓蘋果面臨了一系列新的風險。其最先進的芯片主要由臺積電制造。與此同時，智能手機市場正在從深度銷售低谷中恢復，而微軟等競爭對手在人工智能方面取得了巨大進展。

在11月，有媒體訪問了位于加利福尼亞州庫比蒂諾的蘋果總部，這是首次允許記者進入公司芯片實驗室。與蘋果芯片主管約翰尼·斯魯吉（Johny Srouji）討論公司在復雜的定制半導體開發領域的推進，這也是亞馬遜、谷歌、微軟和特斯拉等公司正在追求的領域。

斯魯吉表示：“我們擁有數千名工程師，但如果你看看我們的芯片組合，實際上非常精簡，非常高效。”

與傳統芯片制造商不同，蘋果不會為其他公司制造芯片。

斯魯吉說：“因為我們實際上不在外部銷售芯片，所以我們專注于產品。這使我們有自由度進行優化，并且可擴展的架構使我們能夠在不同產品之間重復使用部分組件。”

斯魯吉于2008年加入蘋果，領導一個由40到50名工程師組成的小團隊，負責為iPhone設計定制芯片。加入一個月后，蘋果以2.78億美元的價格收購了一家名為P.A. Semiconductor的初創公司，該公司擁有150名員工。

創意策略公司首席分析師本·巴杰林表示：“當他們收購P.A. Semi時，人們立刻意識到他們將開始制造自己的芯片。由于其固有的設計焦點，蘋果希望盡可能多地掌握整個技術棧。”

兩年后，蘋果推出了其第一款定制芯片A4，用于iPhone 4和原始iPad。

斯魯吉表示：“我們建立了我們稱之為可擴展跨產品的統一內存體系結構。我們構建了一個架構，你可以從iPhone開始，然后我們將其擴展到iPad，然后到手表，最終到Mac。”

蘋果的芯片團隊已經發展到在世界各地的實驗室中有數千名工程師，包括以色列、德國、奧地利、英國和日本。在美國境內，該公司在硅谷、圣迭戈和德克薩斯州奧斯汀設有設施。

蘋果正在開發的主要芯片類型被稱為片上系統（SoC），它集成了中央處理單元（CPU）、圖形處理單元（GPU）和其他組件。巴杰林解釋說，對于蘋果來說，還有一個神經處理單元（NPU），它“運行神經引擎”。

蘋果的第一款SoC是A系列，從2010年的A4發展到今年9月宣布的A17 Pro。它是iPhone、一些iPad、Apple TV和HomePod的中央處理器。蘋果的另一款重要的SoC是M系列，于2020年首次發布，現在驅動所有新的Mac電腦和更先進的iPad。該產品最新為M3系列。

2015年推出的S系列是一個較小的系統級封裝（SiP），用于Apple Watch。H和W芯片用于AirPods。U芯片用于Apple設備之間的通信。而最新的芯片R1將于明年初在Apple的Vision Pro頭戴設備中推出，專用于處理設備攝像頭、傳感器和麥克風的輸入，并在12毫秒內將圖像傳輸到顯示器。

斯魯吉說：“我們可以提前設計芯片。我們的員工與特努斯的團隊一起工作，精確地為那些產品構建芯片，僅適用于那些產品。”

例如，第二代AirPods Pro中的H2芯片實現了更好的降噪效果。新的Series 9 Apple Watch中的S9芯片使其具有雙擊等獨特功能。在2017年的iPhone中，A11 Bionic首次引入了蘋果神經引擎，這是SoC的一個專用部分，用于在設備上完全執行AI任務。

今年9月宣布的最新的A17 Pro在iPhone 15 Pro和Pro Max中啟用了計算攝影和高級渲染等功能的重大飛躍。

Kaiann Drance，iPhone市場營銷主管表示：“這實際上是蘋果芯片架構和Apple硅歷史上最大的GPU架構重設計。我們首次實現了硬件加速的光線追蹤。我們還具有網格著色加速功能，允許游戲開發人員創建一些真正令人驚嘆的視覺效果。”

據蘋果稱，A17 Pro是首個以3納米技術生產并大規模投放市場的芯片。

斯魯吉說：“我們之所以使用3納米技術，是因為它使我們能夠在給定的尺寸內裝入更多的晶體管。這對于產品非常重要，并且具有更好的功耗效率。即使我們不是一家芯片公司，但我們之所以是行業的領導者，是有原因的。”

蘋果首款3納米芯片A17 Pro助力iPhone 15 Pro和Pro Max實現光線追蹤和先進圖形渲染

取代英特爾在Mac中的位置

蘋果的3納米技術飛躍繼續在10月宣布的M3芯片中。蘋果表示，M3芯片實現了22小時的電池續航時間，類似于A17 Pro，還提升了圖形性能。

特努斯表示：“現在還處于早期階段。我們還有很多工作要做，但我認為現在幾乎所有的Mac都能運行AAA級游戲，這與五年前是不同的。”

他說：“當我開始時，我們制造產品的方式是使用其他公司的技術，然后有效地圍繞這些技術構建產品。”盡管注重美麗的設計，“它們受到了可用技術的限制。”

在半導體行業發生重大轉變的情況下，蘋果于2020年擺脫了使用英特爾PC處理器的做法，轉而使用其自家的M1芯片，該芯片首次出現在MacBook Air和其他一些Mac電腦中。

特努斯表示：“這幾乎就像物理規律發生了變化。突然之間，我們可以制造一臺非常輕薄、沒有風扇、電池續航時間18小時的MacBook Air，并且性能超過了我們剛剛推出的MacBook Pro。”

他表示，搭載蘋果最先進芯片M3 Max的最新MacBook Pro“比我們兩年前制造的最快的英特爾MacBook Pro快11倍。而那個時間距今僅兩年。”

英特爾的處理器基于x86架構，是PC制造商的傳統選擇，有很多為其開發的軟件。而蘋果的處理器基于競爭對手Arm架構，以使用更少功耗，延長筆記本電腦電池壽命而聞名。

蘋果M1在2020年對于高端計算機中的Arm架構處理器是一個驗證點，其他大公司如高通，據報道還有AMD和Nvidia，也在開發基于Arm架構的PC處理器。今年9月，蘋果通過至少2040年擴展了與Arm的協議。

蘋果首款自家芯片推出時，已經是13年前，作為一家非芯片公司在競爭激烈、成本高昂的半導體市場中試水。自那以后，亞馬遜、谷歌、微軟和特斯拉等公司也嘗試過定制芯片。

伯恩斯坦研究公司的首席董事兼高級分析師斯泰西·拉斯貢表示：“蘋果在這方面是先行者。他們表明，如果你這樣做，你可以嘗試為你的產品增加差異化。”

蘋果硬件驗證高級總監Godfrey D'Souza在加利福尼亞州庫比蒂諾的蘋果芯片實驗室展示M3 SoC

“調制解調器很難”

蘋果目前尚未在其設備中生產所有硅片。例如，調制解調器（Modems）是公司尚未完全掌握的一個關鍵組件。

Rasgon表示：“處理器表現得相當出色。他們在調制解調器領域，尤其是手機的無線電方面遇到了困難。調制解調器的制造相當復雜。”

雖然蘋果依賴高通提供其調制解調器，但在2019年，兩家公司解決了為期兩年的知識產權法律糾紛。隨后，蘋果以10億美元的價格收購了英特爾大部分的5G調制解調器業務，可能是為了自主研發其移動通信調制解調器。盡管目前尚未實現，但在2026年之前，蘋果已與高通簽署協議，繼續供應其調制解調器。

Bajarin表示：“高通仍然是世界上最好的調制解調器制造商。在蘋果能夠達到同樣水平之前，我很難看到他們完全擺脫對高通的依賴。”

蘋果的Srouji表示，他無法評論“未來的技術和產品”，但表示“我們關心蜂窩技術，并有團隊致力于此。”

據報道，蘋果還在研發自己的Wi-Fi和藍牙芯片。目前，蘋果與Broadcom簽署了一份數十億美元的新交易，用于購買無線組件。蘋果還依賴三星和美光等公司提供存儲器。

Srouji在被問及蘋果是否會嘗試設計芯片的每個部分時表示：“我們的愿望是產品。我們想要構建地球上最好的產品。作為技術團隊，包括在這種情況下的芯片，我們希望構建能夠實現這一愿景的最佳技術。”

為了實現這一目標，蘋果將“采用現成的”解決方案，以便團隊可以專注于“真正重要的事情”，Srouji說。

不論最終蘋果設計了多少硅片，它仍然需要外部制造芯片。這需要由像TSMC這樣的晶圓廠公司擁有的大規模制造工廠。

全球90%以上的先進芯片由位于臺灣的TSMC制造，這使得蘋果和其他行業對中國威脅的入侵感到脆弱。

Bajarin表示：“顯然，圍繞著，如果發生了什么，計劃B是什么的緊張情緒很大。沒有其他好的選擇。你希望三星也具有競爭力，英特爾也希望能夠達到那個水平。但是，目前我們不是。真的全部都依賴TSMC。”

至少，蘋果正在考慮將一些制造業務帶回美國。它承諾成為TSMC在亞利桑那州新建工廠的最大客戶。此外，蘋果宣布將成為在亞利桑那州皮奧里亞市新建的價值20億美元的Amkor制造和包裝設施的第一家也是最大的客戶。Amkor將對由TSMC在亞利桑那州工廠生產的蘋果硅芯片進行封裝。

Srouji表示：“我們始終希望擁有多元化的供應鏈：亞洲、歐洲和美國，這就是為什么我認為TSMC在亞利桑那州建廠是一件好事。”

尋找人才

另一個問題是美國在高級芯片勞動力方面的短缺，高級晶圓廠幾十年來一直未有建設。TSMC表示，由于缺乏熟練工人，其亞利桑那州工廠的開工時間推遲至2025年。

無論是否與人才短缺有關，蘋果在新芯片發布方面已經放緩。

Srouji表示：“因為制造芯片變得越來越困難，所以新一代芯片的推出時間較長。在10年前，提升性能并實現能效也與以往不同。”

Srouji重申了他的觀點，即蘋果在這方面有優勢，因為“我不需要擔心將芯片發送到哪里，如何面向更大的客戶群體？”

盡管如此，蘋果的行動也突顯了市場的競爭激烈。2019年，蘋果芯片架構師Gerard Williams離職，成立了一家名為Nuvia的數據中心芯片初創公司，并帶走了一些蘋果工程師。蘋果以涉及知識產權的原因起訴了Williams，但今年撤回了訴訟。高通于2021年收購了Nuvia，以競爭基于Arm架構的個人電腦處理器，類似于蘋果的芯片。

Srouji表示：“我無法討論法律事務，但我們確實關注知識產權保護。當某些人因特定原因離開時，那是他們的選擇。”

由于智能手機銷售剛剛從多年來的最低水平中恢復過來，蘋果的核心業務還面臨一些宏觀挑戰。

然而，對人工智能（AI）工作負載的需求導致硅片訂單激增，尤其是由Nvidia等公司制造的GPU，其股價今年已飆升超過200%，與ChatGPT和其他生成式AI服務的普及有關。

自2016年以來，谷歌一直在為AI設計張量處理單元。亞馬遜網絡服務（AWS）自2018年以來一直擁有自己的數據中心AI芯片。微軟于11月發布了其新的AI芯片。

Srouji表示，蘋果的團隊一直在研發其機器學習引擎，即Apple Neural Engine，早在2017年A11 Bionic芯片中推出之前就開始了。他還指出，其CPU中嵌入了機器學習加速器和“高度優化的用于機器學習的GPU”。

蘋果的神經引擎驅動其所稱的“設備上的機器學習功能”，如Face ID和Animojis。

今年7月，彭博社報道稱，蘋果建立了自己的大型語言模型Ajax和一個名為Apple GPT的聊天機器人。一位發言人拒絕確認或否認該報道的準確性。

自2015年以來，蘋果還收購了兩打以上的人工智能公司。

在被問及蘋果是否在人工智能領域落后時，Srouji表示：“我不認為我們是。”

Bajarin則更為懷疑。

他說：“在去年的芯片上是可行的，今年的芯片加上M3更有能力。”他在談到蘋果在人工智能方面的立場時表示：“但軟件必須跟上，以便開發人員充分利用并在蘋果Silicon上編寫未來的人工智能軟件。”

他預計會有改善，并且會很快發生。

Bajarin表示：“蘋果在第一天就有機會真正進入這個領域。但我認為每個人都期待著在未來一年內會有所突破。”