苹果是如何走向自研芯片的

发表时间：2017-04-24

　2005 年的 WWDC 上，乔布斯（Steve Jobs）发布了一项重要的计划：将 Mac 从 IBM 的 PowerPC，转移到 Intel 的 x86 架构。但是在其时，苹果也在暗里进行两件大事：开发平板电脑，以及其时仍以 iPod 规划为根底、但参加了通讯功用的原型手机。
　　苹果移动设备之初：为何是 ARM？
　　苹果开发触控式平板电脑的时刻点本来比手机还早。乔布斯坦言，他是由于参加微软高端工程师的婚礼，才打听到微软正在规划以触控笔来操作的平板电脑（注 1）。其时苹果对手机的主意还没有彻底脱离 iPod 的转盘，直到 Jony Ive 向乔布斯独自简报能用手指卷动页面的多点触控原型，Jobs 才决议把原本放在平板电脑的多点触控，改到手机。
　　



▲ 苹果 2004 年推出的多点触控专利图。


　　虽然为了管控风险，iPod 风格的转盘版 iPhone 依然继续开发，但新的多点触控原型除了同步进行，也履行了从档案系统底层就大改写的移动版 Mac OS X，并去除鼠标游标，改用手指。为了结合 OS X 以及新的多点触控到尺度小得多的手机，一同保存相似 Mac 的 UI 作用，苹果发现自个需求一组高效省电的 CPU 与 GPU 架构，又必须省空间把它们结合到一枚 SoC。
　　苹果本来现已有过有关经验的协作供应商。其时还占公司 40% 营收的iPod，用的是 PortalPlayer 出产规划的 ARM 架构处理器，直到 2006 年由于出货短缺，才转单给三星。其时，三星简直是仅有能结合 PowerVR，以及 ARM 架构的 SoC 规划厂，一同还能每年安稳出货数百万枚。一向到 iPhone 3GS，苹果都还在运用三星的 ARM 架构运用处理器。
　　但是实际上，苹果与 ARM 的关系还比想像中更早。在 1997 年乔布斯回归苹果前，苹果曾在 1994 年推出一台称作“Newton”的掌上型电脑，并为此与 Acorn 参加了 ARM 的创办，来开发 Newton 的处理器底层，直到乔布斯重回苹果停产 Newton 并处分对 ARM 的持股（注 2）。后续，ARM 亦跟着 Nokia 的成功，成了简直是行为领域仅有的运用处理器架构。
　　Intel Atom、ARM，以及 XScale
　　在开端开发行为设备时，SoC 规划除了 ARM 与三星，苹果还思考过另一个挑选，那就是 Intel。
　　2005 年，苹果刚把 Mac 从 PowerPC 转移到 Intel x86，为了节约开发资源，乔布斯本来首要思考在 iPad 运用 Intel 的 Atom 处理器。虽然 Atom 其时仍在研制，但每季会与 Intel 开会一次的乔布斯却颇信赖 Intel CEO Otellinii 的才能──放眼全球，也没有别的厂商能做出效能比 Intel 十分好的商品。乔布斯乃至为此在 2005 年，裁掉苹果早年为了 Mac 筹设的芯片规划部分。
　



▲ 左二为 Tony Fadell 。（Source：Flickr/Fabio BiniCC BY 2.0）


　　不过 Tony Fadell 却大力对立运用 Atom。Fadell 由于一手结合了 iPod 的软硬规划，变成苹果的二号人物。在他的坚持下，乔布斯同意改用规划更简略、一同也更省电的 ARM 架构（注 3）。乔布斯后来回想：
　　Intel 的确有全世界最好的处理器，但条件是不在乎能耗与报价。此外，他们的芯片也只要处理器，所以还需求别的类型的芯片来配合……但多年来，咱们一向通知 Intel，他们的绘图芯片做得很差。起先，咱们协作得极好，Intel 也期望和咱们一同研制 iPhone 芯片，但他们动作太慢，应变力也不行，咱们无法一向等他们；此外，咱们也不打算什么事都教给 Intel，然后让他们把东西卖给竞赛者。
　　虽然 Intel 前 CEO Otellinii 后来表明，两边没有协作行为设备芯片，因素仅仅 Intel 不满意苹果的报价，一同也判断苹果行为设备最多百来万台出货量，根本不能让 Intel 获利，但无论如何，Intel 的决议终究让苹果转向三星规划的 ARM 架构运用处理器。
　　风趣的是，Intel 本来也有过自个的 ARM 架构团队，是一间收买得来、称作“XScale”的公司。其时 Intel 对 iPod 以及苹果正在隐秘研制的新款行为设备仍保有爱好，一同期望透过 XScale 打入 PC 以外的商场，不过跟着苹果在 2006 年将 iPod 转单给三星 ARM 架构处理器，Intel 也在 2006 年卖掉 XScale，转攻 X86 架构的 Atom。
　　三星与初代 iPhone
　　2007 年，苹果发布革命性的第一代 iPhone，运用三星规划的 ARM 架构 SoC，GPU 则是透过 Imagination Technology 的 PowerVR。不过，iPhone 一发布，乔布斯就深知它的隐忧：没有前镜头，只支撑 AT&T 的 2G，续航力也很弱。更大的缺点是：iPhone 虽然规划领先，但仅仅结合各方资源创造的商品。它运用的芯片（没有特别命名），初始规划乃至是用在三星的 DVD 播放器。
　　不过三星这款 SoC 的确很不错。其时在 ARM 架构上履行的行为操作系统，像是 Nokia 的 Symbian，微软的 Windows CE，以及黑莓，乃至初版的 Android，都是功用相对简略的轻量系统，不过三星的 SoC 却能协助苹果，在 ARM 架构履行改写自 Mac OS X 的 Unix 系统，一同还有着完好的 UI 作用。苹果的成功，让这些厂商从头调整了开发计划，其间就包含苹果日后的对手 Google Android。
　　乔布斯注意到潜在的竞赛对手。为了加快开发功率，一同保持 iOS 的独特性与先发优势，苹果需求一款能 100% 自控的芯片，来作为 iPhone 的底层。但是，2005 年才裁掉芯片研制团队的苹果，不只没有足够才能的工程师来与三星交涉想要的 SoC，第一代 iPhone 运用的 SoC 虽然不错，也不是苹果彻底认同的规划。
　　所以在初代 iPhone 发布后不到一年，苹果便隐秘与 Imagination Technology、三星，签署了 GPU 以及 SoC 开发的协议，一同也开端招募职工，重建自个的芯片团队。
　　A4：苹果第一款自行规划的 SoC
　　2008 年，苹果从 IBM 挖角了 Johny Srouji。他后来一向是苹果芯片部分的副总裁，主管每一代苹果 SoC 的规划。Srouji 参加不久，苹果在 2008 年 4 月又以 2.78 亿美元，隐秘收买了硅谷新创公司 P.A Semi。这间公司的专利与团队，也变成苹果日后规划 SoC 的中心，一同让苹果的芯片团队从 40 人添加到 150 人。到了乔布斯离世的 2011 年，苹果的芯片工程师更超越了 1,000 人。这成了乔布斯晚年对苹果影响最深远的决议计划。
　　2009 年乔布斯承受《年代杂志》专访时，还早年简略谈到一年前买下 P.A Semi 的理由：
　　P.A Semi 将会专门为 iPhone 与 iPod 规划 SoC。
　　不过其时乔布斯还少谈了两件事。首要，苹果买下 P.A Semi 不只仅为 iPhone 与 iPod 规划 SoC。它独立规划的第一款 SoC，本来开端是用在苹果 2010 年的新商品 iPad，而不是 iPhone 与 iPod。此外，其时苹果也现已与 Imagination Technology、三星签定协作 SoC 的协议，因而，苹果开端并不彻底是独立开发自个的芯片。
　　



▲ 初代 iPad。（Source：Flickr / Lisa GilesCC BY 2.0）

　　2010 年跟着第一代 iPad 露脸，乔布斯简报了苹果规划的首枚 SoC“A4”。A4 运用 ARM 的 Cortex-A8 为 CPU 中心，以及 Imagination Technology 的 PowerVR SGX 535 当作 GPU。虽然用的是 ARM 的 Cortex-A8，但苹果经由与三星、AMP连接器以及一间美国公司 Intrinsity 的协作最好化了 CPU 架构，让 A4 的 Cortex-A8 时脉能高过别的相同选用 Cortex-A8 的处理器，但又能彻底相容 ARM 架构。

　　苹果与三星的协作也首次付出代价。不清楚是经由与 Intrinsity 的协作关系，仍是与苹果之间的三方协议，三星后来把这个改版的 Cortex-A8 CPU 中心称作 Hummingbird，并用在自家的 SoC“S5PC110”。后续三星又在 2011 年把 S5PC110 改称为 Exynos 3，成了三星最早以“Exynos”命名的自家 SoC，并搭载在第一代 Galaxy S、Galaxy Tab，以及 Google 的二代 Nexus S。而早在 iPad 发布前，三星就现已把 Hummingbird，用在自家两款手机的 SoC。
　　所以，或许是为了防范与三星间的竞赛，苹果在第一代 iPad 发布后 3 个月，便紧迫收买了 Intrinsity。
　　而事实上，Exynos 3 的规划也简直与 A4 相同，仅仅两者的电路规划稍有差异。这起事件或许也标明了库克（Tim Cook）接手苹果 CEO 后，与三星的一系列侵权诉讼的前奏。实际上，运用 Exynos 3 的 Galaxy S，后来也被苹果指控抄袭 iPhone 3GS。
　　A5 到 A10：更进一步
　　以后的几年间，苹果逐步加大芯片研制的力度。2011 年今后，苹果每年的研制经费投入都在添加，2014 年起，更是以每年 20 亿美元的起伏生长，终究在 2016 年突破 100 亿美元。其间，芯片、电动车，以及穿戴设备，被认为是苹果研制投入的三项重心；苹果的 CFO Luca Maestri 也曾表明，这些投入多数都会集在芯片。
　　A5
　　苹果的第二代 SoC 是“A5”。与前代 A4 相同，开端是用在新的 iPad 2，随后又很快地配给 iPhone 4s。A5 是苹果的第一款双中心 CPU、GPU 的 SoC，这项战略一向连续至今日的 iPhone 7。A5 的体积比 A4 大了一些，也首次结合了新的 ISP 来优化白平衡。在日后很长一段时刻里，成像的白平衡一向是 iPhone 相机的强项。
　　为了因应 Siri，A5 也增设了一个称作“earSmart”的区域，可能是专门用来履行语音辨识的演算法，这致使没有 earSmart 的 A4 商品，像是 iPhone 4，就没办法运用 Siri。苹果也声称 A5 的 GPU 效能是 A4 的 9 倍，并且在以后将 A5 的 GPU 架构晋级到 4 中心，并改称 A5X，搭载于首款支撑 Retina Display 的 iPad 3。但是 iPad 3 由于效能不振，上市仅 7 个月就停产，变成最短寿的 iPad。
　



▲ A10 Fusion 本来是苹果的第一款 4 中心 SoC。不过它的规划是两大核 + 两小核，运作起来仍是很相似双中心。（Source：苹果）
　　A6
　　第三代 SoC“A6”对苹果来说则是一个新开端。从 A6 起，苹果不再运用 ARM 的公版规划计划，例如早年 A4、A5 选用的 Cotex-A 系列，而是改与 ARM 签定指令集授权，以 ARMv7-A为根底开发一个自个的 CPU 架构“Swift”──和苹果后来的程序语言刚好同名。这个行为，让苹果变成高通以外，第二个以 ARM 指令集为根底开发 SoC 的公司。
　　A6 也早年一代 A5 的 512MB 的 LPDDR2-800 存储器倍增到 1GB LPDDR2-1066，一同在比较 A5 小了 22% 的体积下，完结快上两倍的 CPU、GPU 功能，还能比 A5 省电。这让后续的 iPhone 5、iPhone 5c 比较 iPhone 4s，在晋级 iOS 时有更多优势。
　　A7
　　2013 年搭载在 iPhone 5s 的 A7 可能是苹果对移动工业影响最深远的一枚 SoC。苹果其时以近乎突袭的方法，将移动业界干流的 32 位架构晋级到 64 位，变成现代智能手机与平板电脑中，第一款 64 位 CPU 的 SoC，逼得高通宣告抛弃所有 32 位商品的研制投入，全部跟进苹果。它搭载的 GPU 架构 PowerVR G6430，也让 A7 变成绘图功能挨近 Xbox 360 以及 PS3 的商品。
　　A7 的别的一个特色是以 ARM 的 TrustZone计划为根底，创造一块称作“Secure Enclave”的区域，来专门贮存 Touch ID 指纹资讯。至今，这个计划仍未从硬件上被破解，为日后的 Apple Pay 打下根底。此外，为了处理晋级 64 位发生的能耗，A7 也把加快度感应器、电子罗盘和陀螺仪移除，结合到一个新的协同处理器“M7”。M7 后来也一路晋级到 M10。
　　这以后的 A8 到 A10，苹果则透过不断更新，将自家 SoC 提升到 ARM 架构下，业界效能最顶级的芯片。从 A8 开端，台积电也开端取代三星，变成代工苹果 SoC 的厂商。虽然在一些关键技术，苹果仍是不如三星，例如在 CPU 塞入调节器，但这项技术看来已在 A10 Fusion 得到一定处理。
　　无论如何，苹果从 2006 年起对三星、ARM，乃至 Intel 的依靠，到开端自立规划架构，变成高通等级的 IC 规划公司，如今看来已走进下一个期间。苹果乃至准备好自个研制 GPU，一同传出不再选用戴乐格半导体的省电芯片。
　　日后：GPU 自个做？
　　2017 年 4 月，早从 2007、2008 年，就与苹果签定 GPU 授权协议的 Imagination Technology，在官网发声明，证明苹果将在 15 个月至 2 年内，停止与 Imagination Tech 的协议，转而自行研制 GPU。在 2008 年时，苹果还早年与 Intel 打开几轮持股竞赛，终究让苹果持有 Imagination Tech 约 10% 股份，是第四大股东，并具有 30% 营收分配。苹果的订单，也占了 Imagination Tech 超越 50% 营收。
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　　从第一代 iPhone 起就一向专心运用 Imagination Tech 的 PowerVR，是苹果的一项战略，由于这能够减轻开发者的困惑，从而在底层专心对于 iOS 优化的 API，例如 iOS 8 的 Metal API 就是个比方。这种软硬结合也让 iOS 变成手游运作较流畅的渠道。
　　比较之下，三星 SoC 的 GPU 挑选就比较紊乱，经常在 ARM 的 Mali、PowerVR 之间游走，早年乃至还用过 VideoCore 的 GPU。高通虽然一向运用自家 Adreno，但由于操作系统在 Google 与各厂手上，比较没有才能创造一致性够强的系统。
　　本来苹果想换掉 PowerVR 改用自个架构的 GPU 现已不是新闻。从 iPhone 6 运用的 A8 SoC 开端，苹果就已运用自个的技术来客制一部分 GPU 的中心构成，比方 GPU 的“心脏”着色器内核。苹果也订制了 CPU 上的 Compiler，以及 GPU 的图画驱动程序，来进一步优化 iOS 10 上首次大改的 Metal API。
　　虽然 Imagination Tech 扬言要用诉讼来阻挠苹果，致使苹果收买 Imagination Tech 的传言又再度开端，乃至传出这纸声明仅仅苹果压低 PowerVR 报价的手段，但无论如何，在技术上，苹果的确现已开端累积克己 GPU 的才能。这将会让苹果变成高通后，第二间具有自个 GPU 架构的公司。
　　风趣的是，苹果预告会停止 PowerVR 协议的一同，刚好也是苹果与戴乐格半导体的能耗办理芯片的契约到期日。对于想让行为设备具有 AR 才能、一同推展 Apple Watch 等穿戴设备的苹果，“省电”与“GPU”都是关键技术，这可能会让苹果测验在“自控芯片”的道路上走得更远，虽然在那之前，用户可能会先见到 iPhone 10。
　　注 1：Bill Gates 也有参加那场婚礼，并对大嘴巴职工十分不满。事实上，那名向乔布斯爆料的职工，恰是过 High 的新郎自己。 注 2：乔布斯处分对 ARM 的持股，是为了变现。据他所述，苹果其时现已快破产。 注 3：Tony Fadell 为了压服乔布斯抛弃 Intel Atom，还不吝扬言要辞去职务。多年以后他也因 内部奋斗离任，并且在 2010 年创办 Nest，Nest 后来又为 Google 所并购。