蘋果晶片實驗室首次對外公開：精簡又高效，卻為何搞不定基帶晶片

劃重點

1、2008年，蘋果收購了初創公司P.A. Semiconductor，從此開始自己研發晶片。

2、2010年，蘋果首次在iPhone 4上搭載自研晶片A4，并逐漸将其擴充到iPad、智能手表以及Mac上。

3、蘋果晶片團隊有數千名工程師，分散在美國、以色列、德國、奧地利、英國和日本等地。

4、蘋果晶片被稱為片上系統（SoC），目前擁有A、M、S、H、W、U以及R等多個系列用于不同裝置。

5、在基帶晶片以及無線晶片開發方面仍面臨挑戰，需要依賴高通。

6、除了蘋果之外，谷歌、亞馬遜、微軟以及特斯拉等巨頭也都在自研晶片。

騰訊科技訊 據外媒報道，過去20年間，在多款旗艦級消費電子裝置推動下，蘋果股價始終在不斷飙升。這些裝置從最初的iPod和iMac到後來的iPhone和iPad，直到最近的Apple Watch智能手表和AirPods耳機。

但作為美國市值最高的科技巨頭，蘋果的業務不僅僅限于消費電子産品，它還有很多其他東西。在蘋果位于矽谷總部一個不起眼的房間裡，有幾百台嗡嗡作響的機器和幾個穿着實驗室白大褂的工程師，他們正在設計為蘋果最受歡迎産品提供動力的自研晶片。

圖：蘋果晶片主管約翰尼·斯魯吉（右）帶領記者參觀晶片實驗室

早在2010年，蘋果就首次在iPhone 4上搭載了自研晶片。到今年為止，所有新款Mac電腦都采用蘋果自己的晶片，結束了該公司對英特爾長達15年的依賴。

蘋果硬體工程負責人約翰·特努斯（John Ternus）說：“在過去20年裡，蘋果最深刻的變化之一就是在内部開發更多技術，首當其沖的當然是晶片。”

這種變化也給蘋果帶來了一系列新的風險。其最先進的晶片主要由台積電制造。與此同時，智能手機正在從銷量急劇下滑中複蘇，而微軟等競争對手則在人工智能方面取得了巨大的飛躍。

今年11月份，美國科技媒體CNBC記者參觀了蘋果位于加州庫比蒂諾的園區，他們是首批獲準進入該公司晶片實驗室拍攝的記者。借助這次難得的機會，他們與蘋果晶片業務主管約翰尼·斯魯吉（Johny Srouji）讨論了該公司進軍定制晶片這一複雜領域的情況。目前，亞馬遜、谷歌、微軟以及特斯拉等巨頭，也都在自研晶片。

斯魯吉表示：“我們有數千名工程師。但如果你看看我們的晶片産品組合，會發現實際上我們的産品非常精簡，效率也更高。”

與傳統晶片制造商不同，蘋果不為其他公司生産晶片。斯魯吉解釋說：“因為我們并不真的向外出售晶片，為此我們可以更專注于産品本身。這給了我們可以無限優化的自由，可擴充的架構讓我們可以在不同的産品之間重複使用元件。”

01 iPhone自2010年以來用自研晶片

斯魯吉于2008年加入蘋果，負責上司由四五十名工程師組成的小團隊為iPhone設計定制晶片。在他加盟短短1個月後，蘋果斥資2.78億美元收購了擁有150名員工的初創公司P.A. Semiconductor。

咨詢公司Creative Strategies首席執行官兼首席分析師本·巴加林（Ben Bajarin）表示：“蘋果将開始生産自己的晶片，這是他們收購P.A. Semiconductor後獲得的立竿見影的好處。憑借其固有的設計重點，蘋果希望盡可能多地控制堆棧。”

收購兩年後，蘋果在iPhone 4和初代iPad上使用了首款自研晶片A4。斯魯吉說：“我們建立了所謂的統一記憶體架構，它可以跨産品擴充。我們建立了一個從iPhone開始的架構，然後将其擴充到iPad、智能手表以及Mac上。”

蘋果的晶片團隊已經發展到有數千名工程師的規模，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。在美國本土，蘋果在矽谷、聖地亞哥和得克薩斯州奧斯汀都有實驗設施。

蘋果正在開發的主要晶片類型被稱為片上系統（SoC）。巴加林解釋說，它将中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）和其他元件結合起來。對于蘋果來說，還有個名為“運作神經引擎”的特殊神經處理單元（NPU）。

蘋果的首款SoC産品是A系列，它從2010年的A4更新到今年9月釋出的A17 Pro。這款晶片是iPhone、部分iPad、蘋果機頂盒Apple TV以及智能音箱HomePod的中央處理器。蘋果的另一款主要SoC産品是M系列，于2020年首次釋出，現在支援所有新款Mac電腦和更先進的iPad，該産品已經更新到M3系列。

蘋果于2015年推出了S系列晶片，它是蘋果智能手表搭載的較小晶片封裝系統。此外，蘋果在AirPods中使用了H和W系列晶片。U系列晶片支援蘋果裝置之間進行通信。最新的R1晶片将于明年初搭載在蘋果混合頭顯Vision Pro上。蘋果表示，它将在12毫秒内處理來自裝置攝像頭、傳感器和麥克風的輸入，将圖像流式傳輸到顯示屏上。

斯魯吉表示：“我們可以提前設計晶片。” 他補充說，他的員工與硬體主管特努斯上司的團隊合作，“精确而準确地制造出針對這些産品的晶片，而且隻針對這些産品”。

例如，第二代AirPods Pro内置的H2晶片可以更好地消除噪音。在新款Series 9 Apple Watch内部，S9支援輕按兩下手勢等新功能。在iPhone中，2017年款A11 Bionic是蘋果的第一個神經引擎，這是SoC的專用部分，專門用于在裝置上執行人工智能任務。

今年9月釋出的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max搭載了最新的A17 Pro，使計算攝影和遊戲進階渲染等功能實作了重大飛躍。

負責iPhone營銷的凱安·德蘭斯（Kaiann Drance）說：“這實際上是GPU架構和蘋果晶片曆史上最大的一次重新設計。我們首次實作了硬體加速光線追蹤。我們還有網格着色加速，這允許遊戲開發者創造一些真正令人驚歎的視覺效果。”

這促使育碧的《刺客信條：幻影》（Assassin’s Creed Mirage）、《全境封鎖：複興》（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将是首款實作量産的3納米晶片。斯魯吉說：“我們使用3納米制程工藝的原因是，它使我們能夠在給定的尺寸中封裝更多的半導體。這對産品來說很重要，而且能提高能效。盡管我們不是一家晶片公司，但我們在這個行業處于領先地位自有其道理。”

圖：蘋果首款3納米晶片A17 Pro支援光線追蹤和其他進階圖形渲染，可以改善iPhone 15 Pro和Pro Max的遊戲效果

02 在Mac電腦上替換英特爾處理器

蘋果在10月份宣布為Mac電腦提供M3晶片，繼續向3納米的方向邁進。該公司表示，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年的硬體主管特努斯說：“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都能夠運作AAA級遊戲，這與五年前的情況截然不同。”

特努斯說，最開始的時候，“我們制造産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建構産品。盡管更注重美觀的設計，但我們受到現有條件的很大制約。”

2020年，蘋果放棄使用英特爾的個人電腦處理器，轉而在MacBook Air和其他Mac電腦中使用自研的M1晶片，這是半導體行業的一個重大轉變。

特努斯解釋稱：“這幾乎就像實體定律發生了變化。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，性能超過了我們剛剛推出的MacBook Pro。”

他補充說：“搭載蘋果最先進晶片M3 Max的最新MacBook Pro，比我們當時生産的、搭載英特爾最快處理器的MacBook Pro快11倍。而就在兩年前，我們還在大量發貨英特爾電腦。”

英特爾處理器基于x86架構，這是PC制造商的傳統選擇，并為此開發了許多軟體。而蘋果的處理器采用了英特爾競争對手Arm的架構，後者以幫助筆記本電腦耗電量更少、續航時間更長而聞名。

蘋果在2020年推出的M1系列晶片是基于Arm架構處理器在高端電腦上采用的一個轉折點，與高通、AMD以及英偉達等其他大牌公司競争，這些公司也在開發基于Arm架構的PC處理器。今年9月，蘋果将與Arm的協定延長至2040年。

13年前，當蘋果推出首款定制晶片時，作為一家試圖在競争激烈、成本高昂的半導體市場上立足的非晶片公司，蘋果顯得十分與衆不同。此後，亞馬遜、谷歌、微軟和特斯拉都開始嘗試定制晶片。

伯恩斯坦研究公司（Bernstein Research）董事總經理兼進階分析師斯泰西·拉斯貢（Stacy Rasgon）說：“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産品變得與衆不同。”

圖：蘋果硬體驗證進階總監戈弗雷·德索紮在加州庫比蒂諾的蘋果晶片實驗室展示了M3 SoC

03 “基帶晶片研發困難”

當然，蘋果還沒有制造其裝置需要的所有晶片。例如，基帶晶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，但他們在自研基帶晶片方面遇到了困難。基帶晶片很難研發。”

蘋果依賴高通的基帶晶片，盡管在2019年，兩家公司才就長達兩年的知識産權法律達成和解。不久之後，蘋果以10億美元的價格收購了英特爾基帶晶片業務的大部分，這可能是為了開發自己的基帶晶片。然而，蘋果還沒有成功。今年9月，蘋果與高通簽署協定，後者将在2026年前供應其基帶晶片。

分析師巴加林說：“高通仍然在生産世界上最好的基帶晶片。除非蘋果能做得同樣出色，否則我很難看到他們完全實作自研目标。”

蘋果晶片業務主管斯魯吉說，他不能對“未來的技術和産品”發表評論，但他說：“我們關心手機，我們有團隊能夠實作這個目标。”

據報道，蘋果也在研發自己的Wi-Fi和藍牙晶片。目前，該公司與博通就無線元件達成了一項價值數十億美元的新協定。蘋果依靠三星和美光等第三方提供記憶體晶片。

當被問及蘋果是否會嘗試設計其晶片的每個部分時，斯魯吉表示：“我們的願景是打造最好的産品。作為一個包括晶片在内的技術團隊，我們希望打造最好的技術來實作這一願景。為了實作這一目标，蘋果更願意購買現成的産品，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晶片，它仍然需要在外部制造晶片。這需要像台積電這樣的代工企業擁有大規模的制造工廠。世界上90%以上的先進晶片都由台積電在台灣制造的，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計劃是什麼？沒有其他好的選擇。你會希望三星更有競争力，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，一切都要靠台積電。”

蘋果至少希望将部分晶片制造業務轉移到美國，為此不惜承諾将成為台積電即将在亞利桑那州建廠的最大客戶。不久前，蘋果還宣布，它将成為Amkor在亞利桑那州皮奧裡亞建立20億美元制造和包裝工廠的第一個（也是最大）客戶。Amkor将負責封裝台積電亞利桑那州工廠生産的蘋果晶片。

斯魯吉說：“我們始終希望打造多元化的供應鍊，囊括亞洲、歐洲和美國，這就是為什麼我認為台積電在亞利桑那州建廠是件好事的原因。”

04 招賢納士，本土晶片制造缺熟練勞工

蘋果的另一個擔憂是美國缺少熟練的晶片勞工，美國幾十年來都沒有建造先進的晶圓廠了。台積電表示，由于缺乏熟練勞工，其亞利桑那州工廠現在被推遲到2025年凱耶。

不管這是否與人才短缺有關，蘋果在釋出新晶片方面速度已經放緩。斯魯吉說：“晶片疊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，能裝晶片内封裝的東西更多，能效也在提高。”

斯魯吉重申了他的觀點，即蘋果在這方面存在優勢，因為“我不需要擔心自己的晶片要被送到哪裡，如何瞄準更大的客戶群?”

盡管如此，蘋果的行動還是凸顯了它在市場上的競争力。2019年，蘋果晶片架構師傑拉德·威廉姆斯（Gerard Williams）離職，建立了名為Nuvia的資料中心晶片初創公司，并帶走了一些蘋果工程師。蘋果因知識産權問題起訴威廉姆斯，今年撤訴。高通于2021年收購了Nuvia，此舉旨在與蘋果等基于Arm架構的個人電腦處理器競争。

斯魯吉表示：“我不能讨論法律方面的問題，但我們确實關心知識産權保護。當某些人因為某些原因離開時，這是他們的選擇。”

蘋果的核心業務面臨着更多的宏觀挑戰，因為智能手機銷量剛剛從多年來的最低水準複蘇。然而，對人工智能工作負載的需求正在導緻晶片訂單激增，尤其是英偉達等公司生産的GPU。由于ChatGPT和其他生成式人工智能服務的普及，該公司的股價今年上漲了200%以上。

自2016年以來，谷歌為人工智能設計了張量處理單元（TPU）。自2018年以來，亞馬遜旗下雲計算部門AWS就為資料中心提供了自己的人工智能晶片。微軟去年11月釋出了新的人工智能晶片。

斯魯吉表示，早在2017年A11仿生晶片推出機器學習引擎Apple Neural Engine之前，他在蘋果的團隊就一直在研究機器學習引擎。蘋果的神經引擎支援其所謂的“裝置上的機器學習功能”，如面部識别等。

今年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。蘋果發言人拒絕就此置評。自2015年以來，蘋果還收購了20多家人工智能公司。

當被問及蘋果是否在人工智能領域落後時，斯魯吉說：“我不認為我們落後了。”但巴加林對此持懷疑态度。在談到蘋果在人工智能領域的地位時，他表示：“去年，蘋果在晶片領域取得了不錯的成就，今年的M3晶片性能更強大。但蘋果的軟體必須迎頭趕上，這樣開發者才能利用其硬體優勢，在蘋果晶片上編寫未來的人工智能軟體。”

巴加林預計，這種情況很快就會有所改善。他說：“蘋果從成立第一天起就有機會真正做到這一點。但在我看來，每個人都相信其将于明年在人工智能方面大放異彩。”（編譯/金鹿）