苹果芯片实验室内部：数十年来公司最‘深刻变革’的源头

苹果公司过去20年来股价的飙升源于其标志性的消费设备。从iPod和iMac开始，然后是iPhone和iPad，再到最近的Apple Watch和AirPods。

但这家市值最大的美国公司背后不仅仅是这些小玩意。在其硅谷总部的一间普通房间里，有数百台嗡嗡作响的机器和少数穿着实验服的工程师，他们正在设计用于推动其最受欢迎产品的定制芯片。

苹果于2010年首次在iPhone 4中推出自家设计的半导体芯片。截至今年，所有新的Mac电脑都由苹果自家的芯片驱动，结束了公司15年以上依赖英特尔的历史。

苹果硬件工程主管约翰·特努斯表示：“在过去20年里，苹果在产品方面发生的最深刻的变化之一，如果不是最深刻的，就是我们现在有很多技术都是我们自己做的。当然，排在首位的就是我们的芯片。”

这一变化也让苹果面临了一系列新的风险。其最先进的芯片主要由台积电制造。与此同时，智能手机市场正在从深度销售低谷中恢复，而微软等竞争对手在人工智能方面取得了巨大进展。

在11月，有媒体访问了位于加利福尼亚州库比蒂诺的苹果总部，这是首次允许记者进入公司芯片实验室。与苹果芯片主管约翰尼·斯鲁吉（Johny Srouji）讨论公司在复杂的定制半导体开发领域的推进，这也是亚马逊、谷歌、微软和特斯拉等公司正在追求的领域。

斯鲁吉表示：“我们拥有数千名工程师，但如果你看看我们的芯片组合，实际上非常精简，非常高效。”

与传统芯片制造商不同，苹果不会为其他公司制造芯片。

斯鲁吉说：“因为我们实际上不在外部销售芯片，所以我们专注于产品。这使我们有自由度进行优化，并且可扩展的架构使我们能够在不同产品之间重复使用部分组件。”

斯鲁吉于2008年加入苹果，领导一个由40到50名工程师组成的小团队，负责为iPhone设计定制芯片。加入一个月后，苹果以2.78亿美元的价格收购了一家名为P.A. Semiconductor的初创公司，该公司拥有150名员工。

创意策略公司首席分析师本·巴杰林表示：“当他们收购P.A. Semi时，人们立刻意识到他们将开始制造自己的芯片。由于其固有的设计焦点，苹果希望尽可能多地掌握整个技术栈。”

两年后，苹果推出了其第一款定制芯片A4，用于iPhone 4和原始iPad。

斯鲁吉表示：“我们建立了我们称之为可扩展跨产品的统一内存体系结构。我们构建了一个架构，你可以从iPhone开始，然后我们将其扩展到iPad，然后到手表，最终到Mac。”

苹果的芯片团队已经发展到在世界各地的实验室中有数千名工程师，包括以色列、德国、奥地利、英国和日本。在美国境内，该公司在硅谷、圣迭戈和德克萨斯州奥斯汀设有设施。

苹果正在开发的主要芯片类型被称为片上系统（SoC），它集成了中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）和其他组件。巴杰林解释说，对于苹果来说，还有一个神经处理单元（NPU），它“运行神经引擎”。

苹果的第一款SoC是A系列，从2010年的A4发展到今年9月宣布的A17 Pro。它是iPhone、一些iPad、Apple TV和HomePod的中央处理器。苹果的另一款重要的SoC是M系列，于2020年首次发布，现在驱动所有新的Mac电脑和更先进的iPad。该产品最新为M3系列。

2015年推出的S系列是一个较小的系统级封装（SiP），用于Apple Watch。H和W芯片用于AirPods。U芯片用于Apple设备之间的通信。而最新的芯片R1将于明年初在Apple的Vision Pro头戴设备中推出，专用于处理设备摄像头、传感器和麦克风的输入，并在12毫秒内将图像传输到显示器。

斯鲁吉说：“我们可以提前设计芯片。我们的员工与特努斯的团队一起工作，精确地为那些产品构建芯片，仅适用于那些产品。”

例如，第二代AirPods Pro中的H2芯片实现了更好的降噪效果。新的Series 9 Apple Watch中的S9芯片使其具有双击等独特功能。在2017年的iPhone中，A11 Bionic首次引入了苹果神经引擎，这是SoC的一个专用部分，用于在设备上完全执行AI任务。

今年9月宣布的最新的A17 Pro在iPhone 15 Pro和Pro Max中启用了计算摄影和高级渲染等功能的重大飞跃。

Kaiann Drance，iPhone市场营销主管表示：“这实际上是苹果芯片架构和Apple硅历史上最大的GPU架构重设计。我们首次实现了硬件加速的光线追踪。我们还具有网格着色加速功能，允许游戏开发人员创建一些真正令人惊叹的视觉效果。”

据苹果称，A17 Pro是首个以3纳米技术生产并大规模投放市场的芯片。

斯鲁吉说：“我们之所以使用3纳米技术，是因为它使我们能够在给定的尺寸内装入更多的晶体管。这对于产品非常重要，并且具有更好的功耗效率。即使我们不是一家芯片公司，但我们之所以是行业的领导者，是有原因的。”

苹果首款3纳米芯片A17 Pro助力iPhone 15 Pro和Pro Max实现光线追踪和先进图形渲染

取代英特尔在Mac中的位置

苹果的3纳米技术飞跃继续在10月宣布的M3芯片中。苹果表示，M3芯片实现了22小时的电池续航时间，类似于A17 Pro，还提升了图形性能。

特努斯表示：“现在还处于早期阶段。我们还有很多工作要做，但我认为现在几乎所有的Mac都能运行AAA级游戏，这与五年前是不同的。”

他说：“当我开始时，我们制造产品的方式是使用其他公司的技术，然后有效地围绕这些技术构建产品。”尽管注重美丽的设计，“它们受到了可用技术的限制。”

在半导体行业发生重大转变的情况下，苹果于2020年摆脱了使用英特尔PC处理器的做法，转而使用其自家的M1芯片，该芯片首次出现在MacBook Air和其他一些Mac电脑中。

特努斯表示：“这几乎就像物理规律发生了变化。突然之间，我们可以制造一台非常轻薄、没有风扇、电池续航时间18小时的MacBook Air，并且性能超过了我们刚刚推出的MacBook Pro。”

他表示，搭载苹果最先进芯片M3 Max的最新MacBook Pro“比我们两年前制造的最快的英特尔MacBook Pro快11倍。而那个时间距今仅两年。”

英特尔的处理器基于x86架构，是PC制造商的传统选择，有很多为其开发的软件。而苹果的处理器基于竞争对手Arm架构，以使用更少功耗，延长笔记本电脑电池寿命而闻名。

苹果M1在2020年对于高端计算机中的Arm架构处理器是一个验证点，其他大公司如高通，据报道还有AMD和Nvidia，也在开发基于Arm架构的PC处理器。今年9月，苹果通过至少2040年扩展了与Arm的协议。

苹果首款自家芯片推出时，已经是13年前，作为一家非芯片公司在竞争激烈、成本高昂的半导体市场中试水。自那以后，亚马逊、谷歌、微软和特斯拉等公司也尝试过定制芯片。

伯恩斯坦研究公司的首席董事兼高级分析师斯泰西·拉斯贡表示：“苹果在这方面是先行者。他们表明，如果你这样做，你可以尝试为你的产品增加差异化。”

苹果硬件验证高级总监Godfrey D'Souza在加利福尼亚州库比蒂诺的苹果芯片实验室展示M3 SoC

“调制解调器很难”

苹果目前尚未在其设备中生产所有硅片。例如，调制解调器（Modems）是公司尚未完全掌握的一个关键组件。

Rasgon表示：“处理器表现得相当出色。他们在调制解调器领域，尤其是手机的无线电方面遇到了困难。调制解调器的制造相当复杂。”

虽然苹果依赖高通提供其调制解调器，但在2019年，两家公司解决了为期两年的知识产权法律纠纷。随后，苹果以10亿美元的价格收购了英特尔大部分的5G调制解调器业务，可能是为了自主研发其移动通信调制解调器。尽管目前尚未实现，但在2026年之前，苹果已与高通签署协议，继续供应其调制解调器。

Bajarin表示：“高通仍然是世界上最好的调制解调器制造商。在苹果能够达到同样水平之前，我很难看到他们完全摆脱对高通的依赖。”

苹果的Srouji表示，他无法评论“未来的技术和产品”，但表示“我们关心蜂窝技术，并有团队致力于此。”

据报道，苹果还在研发自己的Wi-Fi和蓝牙芯片。目前，苹果与Broadcom签署了一份数十亿美元的新交易，用于购买无线组件。苹果还依赖三星和美光等公司提供存储器。

Srouji在被问及苹果是否会尝试设计芯片的每个部分时表示：“我们的愿望是产品。我们想要构建地球上最好的产品。作为技术团队，包括在这种情况下的芯片，我们希望构建能够实现这一愿景的最佳技术。”

为了实现这一目标，苹果将“采用现成的”解决方案，以便团队可以专注于“真正重要的事情”，Srouji说。

不论最终苹果设计了多少硅片，它仍然需要外部制造芯片。这需要由像TSMC这样的晶圆厂公司拥有的大规模制造工厂。

全球90%以上的先进芯片由位于台湾的TSMC制造，这使得苹果和其他行业对中国威胁的入侵感到脆弱。

Bajarin表示：“显然，围绕着，如果发生了什么，计划B是什么的紧张情绪很大。没有其他好的选择。你希望三星也具有竞争力，英特尔也希望能够达到那个水平。但是，目前我们不是。真的全部都依赖TSMC。”

至少，苹果正在考虑将一些制造业务带回美国。它承诺成为TSMC在亚利桑那州新建工厂的最大客户。此外，苹果宣布将成为在亚利桑那州皮奥里亚市新建的价值20亿美元的Amkor制造和包装设施的第一家也是最大的客户。Amkor将对由TSMC在亚利桑那州工厂生产的苹果硅芯片进行封装。

Srouji表示：“我们始终希望拥有多元化的供应链：亚洲、欧洲和美国，这就是为什么我认为TSMC在亚利桑那州建厂是一件好事。”

寻找人才

另一个问题是美国在高级芯片劳动力方面的短缺，高级晶圆厂几十年来一直未有建设。TSMC表示，由于缺乏熟练工人，其亚利桑那州工厂的开工时间推迟至2025年。

无论是否与人才短缺有关，苹果在新芯片发布方面已经放缓。

Srouji表示：“因为制造芯片变得越来越困难，所以新一代芯片的推出时间较长。在10年前，提升性能并实现能效也与以往不同。”

Srouji重申了他的观点，即苹果在这方面有优势，因为“我不需要担心将芯片发送到哪里，如何面向更大的客户群体？”

尽管如此，苹果的行动也突显了市场的竞争激烈。2019年，苹果芯片架构师Gerard Williams离职，成立了一家名为Nuvia的数据中心芯片初创公司，并带走了一些苹果工程师。苹果以涉及知识产权的原因起诉了Williams，但今年撤回了诉讼。高通于2021年收购了Nuvia，以竞争基于Arm架构的个人电脑处理器，类似于苹果的芯片。

Srouji表示：“我无法讨论法律事务，但我们确实关注知识产权保护。当某些人因特定原因离开时，那是他们的选择。”

由于智能手机销售刚刚从多年来的最低水平中恢复过来，苹果的核心业务还面临一些宏观挑战。

然而，对人工智能（AI）工作负载的需求导致硅片订单激增，尤其是由Nvidia等公司制造的GPU，其股价今年已飙升超过200%，与ChatGPT和其他生成式AI服务的普及有关。

自2016年以来，谷歌一直在为AI设计张量处理单元。亚马逊网络服务（AWS）自2018年以来一直拥有自己的数据中心AI芯片。微软于11月发布了其新的AI芯片。

Srouji表示，苹果的团队一直在研发其机器学习引擎，即Apple Neural Engine，早在2017年A11 Bionic芯片中推出之前就开始了。他还指出，其CPU中嵌入了机器学习加速器和“高度优化的用于机器学习的GPU”。

苹果的神经引擎驱动其所称的“设备上的机器学习功能”，如Face ID和Animojis。

今年7月，彭博社报道称，苹果建立了自己的大型语言模型Ajax和一个名为Apple GPT的聊天机器人。一位发言人拒绝确认或否认该报道的准确性。

自2015年以来，苹果还收购了两打以上的人工智能公司。

在被问及苹果是否在人工智能领域落后时，Srouji表示：“我不认为我们是。”

Bajarin则更为怀疑。

他说：“在去年的芯片上是可行的，今年的芯片加上M3更有能力。”他在谈到苹果在人工智能方面的立场时表示：“但软件必须跟上，以便开发人员充分利用并在苹果Silicon上编写未来的人工智能软件。”

他预计会有改善，并且会很快发生。

Bajarin表示：“苹果在第一天就有机会真正进入这个领域。但我认为每个人都期待着在未来一年内会有所突破。”