蘋果自主設計晶片的研發是如何起步的?

蘋果是一家十分了不起的公司,它的市值是排在它後面的Google的兩倍,它的利潤在全球排名第三。它所謂的“戰爭基金”——流動資產——目前已經超過2000 億,就算是全球最大的銀行和最大的石油公司都難以匹敵。也正是因為有了雄厚的現金儲備,蘋果公司才能夠有大量專利技術可用。當其他公司還在外包的時候,蘋果公司已經盡可能的進行內部自主開發。其中包括目前使用在iOS 設備中的晶片。

當三星、微軟和HTC 都在依賴高通和英特爾提供的晶片時,蘋果公司已經四處招攬人才,組建自己的工程師團隊,為iPhone 和iPad 自主設計晶片。

當然蘋果公司在這方面的開發和研究也並非都是一帆風順的。起初蘋果的這個團隊也沒有什麼非常顯著的成果,但是隨著每一代A晶片的更新和發布,這個晶片系列的威脅已經越來越大。蘋果公司的晶片開發工程師密切關注其他ARM 晶片架構的發展,緊隨英特爾的最新研究成功。

那麼蘋果的這些研究和開發當初是如何起步的呢?

2008 年四月份消息稱蘋果公司以2.78 億美元收購了一家小型無晶圓廠半導體(fabless semiconductor)公司PA Semi。這家公司成立於2003 年,創始人是Daniel Dobberpuhl。他是一名擁有著豐富工作經驗的工程師,早在1976 年就加盟美國DEC 公司(即美國數字設備公司)。他曾經參與開發80 年代這家公司最成功的產品之一MicroVAX。 1998 年他創立了SiByte 公司,主要開發MIPS 片上系統硬體,幾年之後他創立的這家公司就被博通公司收購了。

PA Semi 當時的研發重點是一款名為PWRficient 晶片的設計。顧名思義,這款信件基於IBM 的Power 架構,蘋果公司的電腦產品直到2005 年都在使用這種架構的晶片。他們設計這款晶片,最重要的設計目標就是保證效能與耗電比,同時可運行高性能應用。他們的第一款新款——PA6T-1682M,它的頻率是2GHz,在“標準”使用情況下消耗13 瓦特功率,當時同樣的英特爾晶片需要20-25 瓦特功率。

雖然PWRficient 的設計著眼於功效,但是這款晶片並不適合行動設備。當時適合行動設備的晶片數量並不多,第一款適合行動設備使用的晶片,它消耗的功率也是非常高的。和很多初創公司一樣,PA Semi 選擇走一步算一步。雖然他們的硬體可以用在筆記本等產品之中,但是他們並沒有任何設計計劃。

其實PA6T 晶片也許適合在Mac 設備上使用,特別是OS X 筆記本電腦。作為一款功率包絡低於200 瓦特的晶片,它的性能和功效足以和英特爾的產品一比高下。 2006 年的時候The Register 報導表示蘋果公司和PA Semi 已經形成了非常緊密的合作關係,甚至已經到了PA Semi 就指望著他們和蘋果的生意能夠達成的地步。但是最後蘋果公司還是選擇了英特爾,PA Semi 不得不尋求與其他高端特殊硬體設備的製造商合作,比如後來他們就和Mercury Computer Systems 合作了。

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當然蘋果公司並沒有忘記差點就與他們合作的PA Semi 公司,所以就出現了戲劇性的一幕——蘋果公司收購PA Semi,從而為旗下自主晶片研究工程打下基礎。當時行業分析師猜不透蘋果公司收購PA Semi 是何意圖,因為一家晶片設計公司真的有好多用處。當時已經有各種ARM 硬體任蘋果挑任蘋果選擇,英特爾又在加速Atom 的開發,想要利用它在手機市場以及便宜的PC 與對手競爭。很多行業評論員認為蘋果可能利用PA Semi 來開發專門的晶片組和控制器,以加速特定任務;或者蘋果想要利用這家公司的人才,來強化對其所收購的硬體的實施和應用。

如果起初沒有成功的話……

蘋果收購了PA Semi 之後,馬上就獲得了該公司的150 名天才工程師,解決了處理器設計的問題,不過這場收購也不是一點問題都沒有。在經過大約兩年的沉寂之後,2010 年3 月有消息曝光Dan Dobberpuhl 已經在2009 年晚些時候離開了蘋果公司。他並不是唯一一個對收購之後兩家公司的整合方式不滿的人,因為在蘋果收購了這家公司之後幾年,有數名重要的工程師先後都跳槽了。

據紐約時報當時的報導,部分PA Semi 不滿收購之後蘋果公司的股票獎勵方式。其他分析師則猜測這些離開的人只是不習慣蘋果公司比較嚴格的公司結構。不管原因是什麼,Dobberpuhl 和那些離開的工程師又一起創立了Agnilux,但是不到一年的時間這家公司就被Google收購。 Dobberpuhl 這次沒有隨收購項目一起進入Google公司工作,而還有一些成員則一直在Google工作,現在還參與Chrome OS 的開發。

使命未達,蘋果公司通過其他管道吸納人才,以便能夠在最短的時間裡提升旗下的行動硬體產品。這次蘋果公司看中的是Intrinsity,這是一家位於德州奧斯汀的晶片設計公司,成立於上世紀90 年代,當時名為Exponential Technology。蘋果公司和Intrinisty 也曾有過一段歷史糾葛。 90 年代中期,當時這家公司名為Exponential,他們就為蘋果Mac 開發新的處理器,試圖與英特爾一較高下。但是當時蘋果 Mac 卻虧損連連。賈伯斯回歸之後,他選擇了IBM PowerPC,雙方的合作也畫上了句號。

 

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被拋棄的Exponential 將公司名字更改為EVSX, Inc,後來才正式決定更名為Intrinisty。他們開發的晶片使用MIPS 指令集架構,但是一直未受關注,直到2009 年他們與三星合作開發1GHz Hummingbird 行動處理器之後才開始進入人們的視線。對於很多相關的人來說,這款晶片具有重要的里​​程碑意義。

Intrinisty 在這其中發揮的重要作用,就是他們使用了一種獨特的設計程序,讓Cortex A8 的頻率從通常的650MHz 增加到1GHz,這是一次巨大的飛躍。很多公司開發的行動硬體僅僅依賴於ARM 的設計,然後再在某些方面進行些許改變。

Hummingbird 完全兼容A8 和ARM 指令集,但是它的設計是全新的,所以性能非常強,只有高通的Snapdragon 才能與之匹敵。如果沒有Intrinisty,早期的三星手機可能也沒法在市場上站穩腳跟。

蘋果發現之後馬上就將這家公司收入囊中,但是媒體還是通過Intrinisty 員工的LinkedIn 資料變化才發現了這次收購。蘋果這次收購讓很多人感到意外,不過和以前收購PA Semi 不同,這次他們的目的很明確,就是A4 處理器——它出現的時間幾乎與收購的時間是同時的。與Hummingbird 一樣,它也基於ARM Cortex A8,但是頻率高於1GHz。這其中的聯繫任誰都能夠看得出來。

性能很快趕上英特爾

蘋果新吸納的這些人才很快就派上用場。 A4 之後於2012 年在iPhone 5 中出現的A6 基於ARM Cortex A9,是蘋果首款完全自主定制設計的晶片。蘋果內部稱其為Swift,A6 雖然仍然使用ARM 指令集,但是不再沿用現成的設計。

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Chipworks 對晶片的拆解發現,和很多競爭對手產品不一樣,它們一般是將處理器的佈局和軟體結合起來的,但A6 是完全手工設計的。雖然這會耗費更多人力資源,成本更高,但是手工設計通常能夠帶來更高的功效。軟體雖然實用但它不是創意性的。只有工程師才能夠發現不足,想出獨特的解決方案。

iPhone 5 的評測很快就證明了蘋果工程師的這些努力沒有白費。和上幾代相比,它的性能有大幅提升,在很多跑分測試中速度是iPhone 4S 的兩倍。 iPhone 5 的強勁性能甚至不弱於2014 年使用ARM Cortex A15 設計的主流Android 手機。

自那之後蘋果的性​​能優勢不斷增強,最新的A9 晶片在很多跑分中都碾壓對手。在Kraken 和SunSpider 網路跑分測試中,它幾乎等同與英特爾行動PC,比如微軟Surface Pro 3。 GeekBench 測試也證明iPhone 6s 的性能已經快要趕上英特爾晶片的MacBook。

這不是說iPhone 6s 即將超過英特爾,或者是蘋果已經無人能敵了。情況其實比這還要複雜。將iOS 設備和Windows 設備對比本來就不是易事,不僅因為他們操作系統不同,更因為PC 運行的程序對記憶體和處理能力有更高要求。

只要你用過iPhone 6s 或者iPad Air 2,那你就會知道蘋果的速度提升有多快。這些設備處理多應用時毫無問題,運行遊戲的性能至少比得上使用英特爾內建顯卡的PC。

我採訪了Patrick Moorhead,談談他對蘋果的成功的看法:

對於行業來說這是史無前例的,一個這樣的團隊能夠開發出這麼高質量的晶片。通常能夠為自己的產品開發出這樣的晶片的人不是“行業領先的”。說實話,最近已經沒有哪個公司能夠取得這樣的成就。
晶片設計並非蘋果的核心業務,但是他們卻努力打敗高通等對手。為旗下產品自主設計硬體的戰略——垂直整合——曾經被視為必然失敗之路。但是蘋果的工程師則重新定義了可能。

 

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生產問題

晶片設計困難重重,但是蘋果產品每次大規模上市,製造商如何供應足量晶片也是一個讓人頭疼的問題。雖然蘋果已經在晶片性能上取得進步,但是和三星或者英特爾相比,他們還有不同,他們沒有自己的製造設施。即使放在今天很多處理器設計公司也沒有這些設施。

AMD、英偉達和高通是為數不多的幾個需要由第三方合作夥伴來生產的大廠商。但是他們的銷售規模沒有蘋果這麼大,不會像出現生產難題。 iPhone 6s 就是這樣,因為它有的使用的是TSMC 的16 奈米製程的A​​9 晶片,有的是三星生產的14 奈米製程晶片。

這就和蘋果設計晶片一樣非常不尋常。因為使用兩家不同代工廠生產的晶片顯然就讓情況複雜化。雖然區別很小,是在一個能控制的範圍之內,但這顯然不是很理想。有些人甚至稱之為“晶片門”,不過好在它不像當年的iPhone 4“天線門”那樣引起軒然大波。

設計成本也是一個問題,因為你不可能只是改變幾個參數,就能將架構從一個生產製程移植到另外一個製程上。雖然三星和TSMC 生產的A9 晶片整體設計相同,但是製程不同,所以蘋果在某些方面的設計就需要有兩種不同的方案。

這個問題也不好解決。這不是建立或者收購晶片製造公司就能夠解決的。蘋果必須和三星以及TSMC 簽訂合同確保獲得足夠供應。即使蘋果收購了晶片製造公司,那他們也需要好幾年的時間才能夠發展到擁有同樣產能的規模。未來幾年晶片的設計將會受到生產的影響。

唯一的辦法就是不斷提升

接下來將進入大眾視線的蘋果晶片是iPad Pro 中的A9X 晶片。關於這款晶片目前一切都是未知,不過它的性能有望超過過去12 個月上市的攜帶型PC 中的80%。也就是說它的性能將超過目前在售的部分使用英特爾晶片的硬體。

有些人可能覺得這是在開玩笑吧,但是幾年前蘋果自己設計行動晶片的消息傳出時,有多少人不覺得這是一個玩笑呢。蘋果的晶片設計團隊也許經驗不足,但他們都是有才之士,而且蘋果有足夠現金支持他們的研發。

Patrick Moorhead 非常看好蘋果的未來:“從他們的發展勢頭來看,蘋果在行動還能有很長的發展之路。他們現在試圖將處理器食物鏈轉移到桌面處理器。如果A9X 性能確實如其所說,他們可能會讓晶片行業失去平衡,特別是蘋果和英特爾之間的關係。

A9 和A9X 晶片對於蘋果來說是巨大的成功,它們的重要性不僅影響到蘋果的盈虧。所有人都認為從零開始,用5 年時間來開發一流的晶片是無稽之談,所以沒有人想過要嘗試。但是隨著iPhone 和iPad 的性能優勢不斷擴大,一些口袋裡有錢的廠商可能也蠢蠢欲動,開始思考他們能不能也自己設計晶片。

出處:威鋒網

作者:水木之向

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