苹果造芯:从屡战屡败到神挡杀神、佛挡杀佛

2023-02-03
ee
北京移动互联网
面向女生的新一代场景社交
最近融资:|2016-01-06
我要联系
这是一个关于商业的故事,但更是一个关于计算机这门“科学”的故事。

编者按:本文来自微信公众号 远川研究所 (ID:caijingyanjiu),作者:戴老板、何律衡,编辑:李墨天,创业邦经授权转载。

2010年1月,癌症晚期的乔布斯在第一代iPad发布会上,首次向世人展示了苹果自研的A4芯片。

这枚45nm制程的芯片由三星代工,内置ARM的Cortex-A8内核,拥有1GHz的运行频率,性能突出。尽管它的历史意义重大,但在长达一个多小时的iPad发布会上,乔布斯对于A4芯片只用了寥寥数语带过,花的时间加起来还不到20秒。

这是一种刻意的低调,苹果在发布会前对自研芯片三缄其口,这跟苹果造芯的历史有关:作为微型计算机最重要的普及者之一,苹果跟集成电路技术几乎同时起步,在成立后的30多年里数次向芯片发起冲锋,结果却是屡战屡败。

果不其然,敏感的媒体嗅到了线索,并大都对苹果自研芯片这件事持嘲讽态度,普遍认为“A4芯片参考了三星设计,苹果厚着脸皮把自己牌子贴了上去”。

科技媒体Ars Technica则认为A4设计平庸,“没什么值得大书特书的”。

理性去看,苹果自研手机芯片的确困难重重。2010年的移动芯片市场早已巨头林立:高通的Snapdragon横扫千军,三星的Exynos蓄势待发,Nvidia的Tegra雄心勃勃,甚至连Intel的Atom也觉得自己能行,试图分一杯羹。

但人们低估了苹果想撬开铁板的决心:一年之后,苹果在iPhone4S发布会上展示了第二代芯片A5,CPU性能是A4的两倍,GPU性能是A4的9倍,性能提升巨大,这让业界意识到一个事实:苹果已经的确拿到了那张通往半导体制高点的昂贵门票。

遗憾的是,布局者乔布斯却没能目睹接下来的故事。在病床上看完A5亮相的直播后不久,他就撒手人寰。

十年后,苹果已经构建了一个包括A系列(手机&平板)、M系列(桌面PC)、H系列(耳机)、S系列(手表)等多个产品线的半导体帝国,尤其是当库克在2020年底向人们展示替代Intel的M1芯片时,人们感受到难以言表的震撼。

苹果M1芯片 图片来自:iFixit

2000年之后,两个芯片行业新入局者的故事最曲折,一个是华为海思,一个就是Apple Silicon,前者呈现的是张巡守睢阳式的悲壮,后者则更像是一部描写奥德修斯返乡的荷马史诗,两者都或多或少改变了中美科技战的节奏。

苹果造芯是一部连续的历史,以A4为界,before和after的故事都玩味:A4之前,苹果是竹篮打水、屡战屡败;A4之后,苹果是神挡杀神、佛挡杀佛,三星、高通、Intel这些全球芯片顶级玩家,或被苹果击败,或被苹果抛弃。

这是一个关于商业的故事,但更是一个关于计算机这门“科学”的故事。

150美元的蝴蝶翅膀

许多年之后,面对M1芯片,史蒂夫·沃兹尼亚克(Steve Wozniak)可能会想起第一次见到Intel 8080的那个遥远的晚上。

作为苹果的联合创始人,沃兹尼亚克在1975年——苹果成立前的一年——的“家酿计算机俱乐部”聚会上看到了那个出现在《大众电子》1月刊封面、号称第一台个人计算机的Altair 8800,以及驱动这台电脑的Intel 8080芯片。

印有Altair 8800的杂志封面

人类自1950年代末进入晶体管和集成电路时代之后,电子计算机的尺寸就在每年以肉眼可见的速度变小。这个进程由年轻的硅谷推动,无数新兴的公司在这片热土上竞赛。到了1970年代,计算机离走入寻常百姓家,只差几层窗户纸了。

Altair 8800被公认为点燃了微型计算机革命的火种,它启发了比尔·盖茨和保罗·艾伦推出了微软历史上的第一款产品——BASIC编程语言,也让沃兹尼亚克萌生了自己组装一台计算机的想法,唯一的问题在于:Intel 8080太贵了。

一台组装好的Altair 8800售价621美元,但8080散装片就要170美元,沃兹尼亚克形容“比我一个月的房租还贵”,于是他就开始寻找替代品:先是找到了摩托罗拉6800,通过熟人买只要40美元/枚,后来又找到了6800的大牌平替——MOS Technologies公司制造的MOS 6502,20美元就能上车。

当沃兹尼亚克把组装好的微型计算机展示给乔布斯的时候,后者大吃一惊,并意识到这可能是一次伟大的商业机会。对于沃兹尼亚克放弃Intel芯片,乔布斯也很满意,他认为“技术只是手段,最终是为了改善消费体验。”

这台由20美元廉价芯片驱动的微型计算机,便是苹果第一代产品Apple I。就这样,苹果的故事开始了。

这一年,乔布斯20岁,沃兹尼亚克25岁,计算机世界仍由IBM大型机主宰,Altair仍是极客们的玩具,英特尔还在硅周期的首次衰退中艰难生存。两个史蒂夫无法意识到:在芯片上省下的150美元,未来要花千万倍的代价补回来。

1977年,苹果推出第一款成熟产品Apple II,销量疯涨。它以漂亮的外观和内置键盘示人,沃兹尼亚克的编程技术和乔布斯的设计审美被体现地淋漓尽致。但这些长板掩盖了一个问题:Apple II 仍然在使用廉价的MOS 6502处理器。

而1981年底苹果的Apple III,CPU仍然是这款老旧的6502,而竞争对手IBM已经用上了Intel的8088芯片,性能是当年沃兹尼亚克舍弃的8080的10倍左右。简单对比:MOS 6502晶体管数量只有3000多,而Intel 8088却高达29000。

廉价但“够用”的芯片能够让苹果保持极高毛利率,但大前提是硬件不会成为短板,至少不能拖软件的后腿。显然,诞生在1975年的6502芯片难以支持1980年代的计算机,频繁失灵的电路板和缓慢的运行速度最终让Apple III销量惨淡。

来自竞争对手的压力也越来越大。1981年,IBM一改平时笨重的身段,推出了使用微软MS-DOS和Intel 8088的兼容个人计算机(又称 IBM PC),获得巨大成功,并把除苹果之外的几乎所有个人计算机厂商都拉进了“微软+Intel”阵营。

而那会的Intel还没有转型做牙膏,同期发布芯片性能沿着摩尔定律一日千里,1974年推出8080,1978年推出8086,1982年推出80186和80286,此后便是80386、80486以及划时代的Pentium——其中文名更是成为一整代人的回忆:奔腾。

但在早期错过后,以乔布斯的性格很难再重投Intel的怀抱,尤其是Intel已经是敌对阵营的核心骨干。

好在那会儿硅谷能跟Intel掰手腕的公司有不少,摩托罗拉就是其中之一。1976年Intel内部正在开发16位的8086,摩托罗拉得知后决定直接干一票儿大的——你既然搞16位,那我就直接上32位。经过4年的研发,1980年摩托罗拉推出了性能强悍的Motorola 68000芯片。

Motorola 68000芯片 图片来自:wikipedia

68000芯片又称“68k”,意思是芯片内部有68000个晶体管,它的性能大概是Intel 8086的两倍左右(价格也更贵),因此被广泛用在惠普、Sun、DEC的高端机以及对性能要求高的游戏机上。对于急欲寻求新芯片、又不想委身Intel的乔布斯来说,更是久旱逢甘霖。

因此决定苹果命运的新产品Macintosh(也就是第一代的Mac)决定使用68000芯片,项目经理Jef Raskin本来想用性能低但便宜的摩托罗拉6809,但被吃过亏的乔布斯一口否决,并亲自出马把68k的批发价从125美元/枚砍到了35美元/枚。

1984年1月24日,一代经典Macintosh正式发布。由《银翼杀手》导演执导的广告“1984”将苹果包装成反IBM奥威尔式统治的反叛者,惊艳了所有人,乔布斯也泪撒发布会现场。Mac的问世,给80年代的PC革命浪潮烙下了最深的印迹。

发布第一代Macintosh的乔布斯,1984年 图片来自:wikipedia

68000芯片的确不负众望,其强劲的性能有力支撑了炫丽的图形界面和方便的鼠标操作。但第一代Mac却在其他方面掉了链子,比如内存只有128K,后来升级到512k也仍然不够用(至少需要1000K)。经过发售前期的热销后,曾被赞誉“将计算机技术与艺术完美结合”的Mac就因为其缓慢的运行速度,销量大幅下滑。

1985年春,试图罢免CEO斯卡利的乔布斯被后者反将一军,联合董事会赶出了公司。

乔布斯走了,但他当时选定的68000芯片却被继续委以重任。从1985年到1994年,Mac的后续版本全部都采用680x0家族芯片,从68000一直到68060。摩托罗拉的680x0家族,也是当时不多地能跟Intel 80x86家族分庭抗礼的势力。

没有拜入Intel x86架构的阵营,让苹果避免了沦为给“Intel Inside”打工的角色——这类角色最后被惠普、Dell和联想所扮演。但这一选择也给苹果带来了潜在的隐患:当Intel沿着摩尔定律狂飙的时候,摩托罗拉这条细狗能行吗?

事实上,尽管680x0家族芯片在某些性能上不输Intel 80x86家族,但Intel在出货量方面碾压摩托罗拉,而当时的芯片产业基本都是IDM垂直整合模式,设计制造封测一把抓,这种模式存在一个规则:重资产导致的规模经济效应。

举一个例子:假如A和B两家芯片公司都生产某类型,A是行业老大B是老二,A生产了100万枚,B生产了30万枚,B的盈利会是A的30%吗?答案是否定的。不但到不了30%,可能连3%都到不了,更有可能的情况是A赚钱,B亏钱。

一颗CPU售价可能只有30美元,但固定成本(研发投入和生产线)可能要几亿美金,造的芯片越多,每一枚芯片上分摊的成本才能越低。而Intel x86架构芯片和摩托罗拉680x0家族芯片销量的差距,远比100万枚和30万枚的差距大。

这让摩托罗拉越来越难以跟上步伐,新款芯片的开发经常延期,比如原本计划要在1989年发布的68040,前后拖了整整一年,差点儿让苹果的新产品翻车。但苹果又毫无办法,还得小心伺候着摩托罗拉,享尽了受制于人的苦恼。

幸运或者不幸,乔布斯已经没机会站在第一线去解决这些难题了。接下来的十年,他将以一个旁观者的身份目睹了苹果陷入了一个疲于应对“Intel+微软”阵营、尝试造芯却又屡战屡败、最终市场份额被步步蚕食的恶性循环。

没人知道如果当年沃兹选择Intel会发生什么,但毫无疑问,那省下的150美元,一定是改变了某些历史进程的蝴蝶翅膀。

令人绝望的90年代

在两个Steve都还在苹果的1981年,同在加州的两个名叫David的人则做了一项影响深远的工作。

1981年,加州大学伯克利教授David Patterson和博士生David Ditzel发表了“The Case for a Reduced Instruction Set Computer”这篇论文,其中Reduced Instruction Set Computer中文译名为“精简指令计算机”,取其首字母作为缩略词,便是日后大名鼎鼎的——RISC。

David Patterson(左)和Carlo Séquin,1981年 图片来自:berkeley.edu

有“精简指令计算机”,便有“复杂指令计算机”,即CISC。两者的区别可以简单理解为在采用RISC设计理念的处理器里,指令更短,长度统一,速度更快;而采用CISC设计理念的处理器里的指令大都冗长复杂,运行效率较低。

在微处理器刚问世的那个年代(世界上第一款商用微处理器是Intel的4004,于1971年推出),设计者通常都需要绞尽脑汁来平衡成本和性能,指令集设计的缺陷也就顾不上了,因此早期主流的微处理器包括Intel 8080和摩托罗拉 68k,都可以被归类为CISC架构。

这就是这篇论文出台的背景。两位作者它们重新定义了一种新的CPU设计方法——RISC,并将任何不满足RISC理念的处理器都归类为CISC。这让Intel十分沮丧,毕竟谁也不想人在家中坐,一顶“复杂”的帽子却从天上来砸了过来。

在Intel不爽的同时,一直在试图寻找破局点的苹果却彷佛抓住了救命稻草。

在80年代后期,IBM兼容机阵营(IBM、惠普、Dell等)也用上了微软的图形化操作系统——Windows,逐渐把苹果挤到了角落。尽管在桌面出版等几个高端领域仍然强势,但苹果必须不断提高硬件性能来守住最后的一亩三分地,芯片显然是一个好的突破口。

而在RISC理念提出后,硅谷积极响应,斯坦福的MIPS、Sun公司的SPARC、DEC的Alpha等项目都取得了一定程度上的成功。这让苹果觉得“我上我也行”,加上摩托罗拉的芯片供应经常翻车,于是苹果管理层大手一挥:自己搞芯片。

稳妥起见,苹果选择跟运营商AT&T合作,陆续启动了两个RISC项目:水瓶座(Aquarius)项目和霍比特人(Hobbit)项目,前者想用来替换摩托罗拉68000,作为Mac的主力芯片;后者则想用在正在研发的Newton掌上电脑上面。

可惜,苹果毕竟在芯片设计领域毫无经验,而AT&T也早已不是那个凭借贝尔实验室号令天下的AT&T了,两个臭皮匠合在一起凑不出半个诸葛亮,“水瓶座”和“霍比特人”先后铩羽而归,几千万美元的研发经费都打了水漂。

在此期间Intel x86架构却继续高歌猛进,甚至虚心学习RISC理念。在水瓶座项目被搁置的1989年,英特尔推出32位的80486,在x86系列芯片中首次使用RISC技术;1993年,英特尔推出奔腾处理器,开始了对CPU市场的长期垄断。

苹果将“水瓶座”和“霍比特人”的失败归结于搭档的无能,因此在1990年,苹果选择了更强大的盟友一起造芯——老冤家IBM和老朋友摩托罗拉,三者组成了当年PC产业界最受人关注的“AIM联盟”(Apple、IBM、Motorola)。

IBM和摩托罗拉各有各的心思:IBM搞了几年兼容PC机后,发现自己根本卷不过Dell和康柏这种后起之秀,有点后悔自己把PC芯片外包给了Intel;摩托罗拉的诉求则更简单:自己独自对抗Intel,约等于骑着雅迪去追奥迪,实在是扛不住了。

新联盟信心十足。IBM很早就开始了RISC技术储备(甚至早于David Patterson提出RISC),80年代更是成功研发了基于RISC的POWER架构高端芯片,在服务器和工作站领域独霸一方。这次合作的计划,就是把POWER架构“下沉”到PC机上。

而摩托罗拉虽然不太靠谱,但好歹拥有消费级芯片开发经验,加上苹果当时每年还能卖130万多台(1990年)终端电脑,确保新芯片的采购量能够突破盈亏平衡的规模线。因此AIM联盟决战Intel,可谓是八十万对六十万,优势在我。

就这样,AIM联盟于1990年启动,新的芯片被命名为:PowerPC——在IBM原先的POWER一词后加上了“PC”两个字母。第一款芯片PowerPC 601的开发于1991年10月正式开始启动,历经21个月完成,并于1993年7月开始量产。

值得一提的是,“换芯”是一项极其复杂的工程,大概要完成三件事:一是重写操作系统的底层代码,工程量浩大;二是搞定代码转化器,确保新芯片能兼容之前的软件;三是为软件开发商提供新的开发工具,并说服他们用起来。

在PowerPC 601尚在研发的时候,苹果的工程师就已经在紧锣密鼓地准备,并在芯片量产前成功地完成绝大部分工作。攒下这些“心脏移植”的经验对苹果来说非常重要,因为这虽然是它第一次“换芯”,但绝对不是最后一次。

1994年3月,第一代搭载PowerPC芯片的Mac在曼哈顿发布,苹果终于换芯成功,这也意味着摩托罗拉68000系列的谢幕。

媒体对此不吝赞美。MacWorld评价:“苹果夺回了8年前失去的性能领先地位”。

消费者反馈也非常积极,光是在预售阶段就卖出15万台;1995 年1月,销量突破100万台;而到了1995年年中,Power Mac几乎取代了之前所有搭载摩托罗拉680x0家族芯片的型号。

换芯后,苹果频繁拿同期Intel的芯片来做对比:1997年,苹果宣称PowerPC G3性能是同期奔腾II的两倍;1999年,苹果宣称PowerPC G4是同期奔腾III的2.94倍;2003年,苹果宣称PowerPC G5更是吊打奔腾4——这种“遥遥领先”的口气,连余承东老师都直呼内行。

Wintel阵营被吓傻了吗?没有。相反,他们的应对策略是:你打你的,我打我的。这种自信来自于哪儿?

自信来自产业规律。上一章提到,重资产的IDM模式导致了芯片的规模效应,跟当年鏖战680x0家族时一样,x86芯片在成本方面始终压对方一头,甚至优势还在不断扩大——Intel市占率在1985年是50%,到了1995年则已经超过80%。

没有规模,就没有利润;没有利润,就不可能有用来改善产品缺陷的足够资金。PowerPC由于是来自IBM服务器和工作站芯片的“下沉”,不可避免地带有功耗大,发热高的问题,但资金捉襟见肘的AIM联盟始终无法解决。

比如号称性能吊打奔腾4的PowerPC G5,功耗极高,发热巨大,苹果不得不重新设计机箱结构才能容纳下巨大的散热器,高配版甚至需要安装一套水冷系统,这让人很多业界人士疯狂嘲讽:这货也好意思称自己是RISC?

PowerPC G5芯片所占的巨大体积 图片来自:Wikipedia

要说产品缺陷,x86架构的问题一点儿都不少,比如指令复杂,寄存器少,功耗也很高。但Intel凭借强大的资金实力,一手改善架构缺陷,一手狂砸制程工艺,不仅把RISC阵营挡在PC主流之外,还把服务器和HPC(高性能计算机)领域的份额给蚕食殆尽。

Intel在PC、数据中心、HPC的市场占有率

软件生态更是一道难以逾越的鸿沟。一个故事是:影像软件巨头Adobe靠苹果发家,第一代Photoshop就是只发在Mac系统。1993年Adobe重点转向Windows,乔布斯回归后请求Adobe多给Mac开发一些软件,比如Premiere,结果因为用户太少被当面拒绝,乔布斯至死都没原谅Adobe。

90年代的WinTel联盟已经进入到了自我加强的良性循环:出货量大→摊薄CapEx→众多厂商采购→软件生态繁荣→消费者认可→出货量继续大增。PowerPC在凭借IBM的技术家底和RISC的先进性取得一定成果后,还是无法打破这个循环,也无法构建自己的循环。

评价一款CPU是否成功主要看三点:架构、制程、软件生态。架构靠先天遗传,制程靠后天努力,软件生态则靠合纵连横。RISC架构的确给了PowerPC一些先天优势,但后面两个的短板实在差距太大,AIM联盟忙活半天,发现自己骑的还是雅迪。

难道真的没有破局点了吗?其实是有的。历史告诉我们,再牢固的商业壁垒和护城河,都无法做到千秋万载一统江湖。只不过苹果寻找的破局点,并不在自己身上,而是在于两个当时名气还不大的名字:一个叫台积电,一个叫ARM。

而后者,恰恰就是苹果在绝望的90年代埋下的一颗种子。

打不过要不就投降?

硅谷早已天下闻名,但众所不周知的是,英国有个低配版的硅谷——硅沼(Silicon Fen)。

硅沼指的是英国剑桥郡周边的一片区域,因为地处不列颠岛一片沼泽地(Fenlands)的南端,所以起了一个古怪的名字。这里大约等于上海的张江或者深圳的粤海街道,聚集了大批高科技公司,其中最有名的就是成立于1990年的Arm。

Arm的诞生跟RISC浪潮也息息相关。早在1983年,Arm公司的前身Acorn Computer受伯克利Patterson教授的RISC论文启发,想设计一款基于RISC理念的芯片,于是便启动了一个名叫Acorn RISC Machine项目,其首字母缩写便是ARM。

Acorn公司没有制造能力,便委托美国公司VLSI Technology代工,并在1985年成功出芯。后来苹果的工程师寻找摩托68000的替代品,有一次使用ARM2芯片在模拟68000环境运行Mac软件,发现居然跑得比68000更快,便将ARM列为备选。

到80年代末,苹果跟AT&T合作的Hobbit(霍比特人)项目搁浅,于是ARM芯片便成了天坑项目“Newton掌上电脑”的主芯片。苹果想干脆备胎转正吧,于是向Acorn提议成立合资公司,条件是Acorn必须向新公司转让ARM所有知识产权和12名核心员工。

Acorn公司店小利薄,自然一口应允,而给ARM芯片代工的VLSI表示也想上车。于是1990年,三家成立合资公司,苹果投资300万美元占股30%(后来上升到43%),新公司叫做Advanced RISC Machine(改了一个单词),缩写还是ARM。

跟逐渐陷入困境的苹果相比,ARM公司反而越做越顺,凭借低功耗芯片技术和特殊的商业模式(向其他公司授权芯片架构),ARM公司在1993年便实现了盈利,在1998年完成了上市,股价更是趁着90年代末的科技股泡沫大涨。

因此,乔布斯在1997年回归苹果后,惊喜地发现斯卡利居然给他留了这么一份厚礼。

乔布斯在被驱逐出苹果的12年(1985-1997)里经历曲折,本文不再赘述。1997年,他创办的NeXT公司被苹果收购,乔布斯以特别顾问的身份回归,此时苹果的PC市场份额已由16%跌至4%。到了1996年,苹果亏损10亿美金,账面现金一度只够维持3个月的运营。

而乔布斯也变化巨大。从1985年开始,他见证了苹果的衰落、英特尔的制霸、AIM联盟的挣扎,见证了昔日名气远不如他的盖茨成为世界首富;他经历了父亲的逝世,也拥有了美满的家庭生活,尽管仍然桀骜不驯,但他务实了很多。

比如在重新担任CEO后,乔布斯第一时间就给盖茨打电话,恳求微软给苹果投资1.5亿美金,并继续开发Mac版的Word和Excel。在谈判中乔布斯放低身段,好话说尽,甚至承诺把微软的IE浏览器当作Mac的默认浏览器——任何一个用过IE的人,都明白这有多么屈辱。

然后乔布斯大刀阔斧地砍掉了苹果绝大多数的产品线,把型号从几百款压缩到10款以内,并裁掉3000多人。在砍掉的项目里,就包括投入无数资金、但销量极差的“Newton”掌上电脑,也是当时苹果唯一使用ARM芯片的项目。

而对于风头正劲的ARM,乔布斯的决定务实到有一些残酷:抛售股票,给苹果救命。

并非乔布斯看不到ARM的价值,而是砍掉Newton之后,苹果在ARM擅长的低功耗场景里已经没有任何产品了,而此时苹果最重要的任务是续命,而非继续挑战Intel。最终,苹果通过减持拿到了数亿美元,为自己的研发输血。

1998年,苹果发布了突破性的iMac,大获成功,并带动苹果当年成功扭亏,盈利3.09亿美金;2001年,苹果发布了iPod,这款能装1000首歌曲的播放器立即风靡了全世界,到2007年,iPod已经卖出了超过1亿台。苹果彻底新生。

处理完生存问题之后,乔布斯才能腾出精力来思考:如何解决Mac越来越严重的芯片问题?

如上一章所述,PowerPC芯片在经历了刚诞生时的惊艳之后,便越来越难以招架Intel的x86家族。乔布斯回归之后,跟负责制造PowerPC的摩托罗拉CEO高尔文大吵了一架,在电话里,他终于忍不住骂道:摩托罗拉的芯片烂透了。

从那时开始,乔布斯就暗自策划AIM联盟。但苹果屡战屡败的造芯经历让他知道,在条件不成熟的情况下再去搞芯片无异于自杀。于是他向董事会提出了一个非常务实,但让人大吃一惊的建议:要不然咱买Intel的芯片算了。

苹果的董事会讨论了18个月,最终一致同意。毕竟要论换芯,苹果如果说自己第二,谁敢说第一?

而为了卖产品,乔布斯还不得不继续厚着脸皮在公开场合尬吹PowerPC的芯片,比如在2003年他评价即将发布的PowerPC G5时说道:“PowerPC G5让我们拥有了全球最快的桌面计算机……这是我们(跟IBM和摩托罗拉)长期、高效合作的开端。”

但芯片问题已经没法再拖下去了。2001年初苹果发布搭载PowerPC G4芯片的PowerBook,之后5年都没能升级过芯片(Intel阵营每年都升级),销量一年比一年差,原因就是后续的PowerPC G5芯片因为散热问题,死活装不进去。

从2004开始,苹果开始自己历史上的第二次换芯。Intel的CEO欧德宁(Paul Otellini)举双脚赞成。毕竟长期作为反Wintel阵营的旗手级人物,乔布斯宣布采用Intel芯片,约等于董明珠某天宣布格力要从美的方洪波那里买空调压缩机。

Intel派出一支精干团队与苹果合作,在6个月的期限内成功完成了所有底层操作系统的代码修改工作。而苹果的工程师也开发了一款名叫Rosetta的翻译器,确保PowerPC上的软件能够在基于Intel x86芯片的Mac上平滑运行。

2005年,乔布斯公开宣布Mac将转投Intel阵营,部分追随多年的果粉十分愤怒;而等到2006年1月乔布斯终于发布了基于Intel新品的iMac和Macbook Pro时,当看到Macbook Pro相比之前的PowerBook性能提升5倍、续航提升2小时的时候,发布会瞬间又变成大型真香现场。

苹果第二次换芯成功了,十年后有媒体评价:乔布斯转向Intel,是苹果最成功的冒险之一。

命运多舛的AIM联盟终于解散了,在2004年就听到风声的摩托罗拉干脆退出了芯片业务,把资产打包剥离出来成立了Freescale(飞思卡尔),专注于汽车和嵌入式市场。而IBM也把PowerPC的部分资产卖掉,保留了给游戏机用的芯片产品线——那是另外一个故事了。

解决了芯片“卡脖子”问题的苹果,在桌面计算机市场(台式机+笔记本)的占有率不断回升,2007年已经超过了10%,而后面的故事就耳熟能详了:乔布斯在2007年发布了iPhone,苹果彻底走上神坛,一步步成为全球市值最大公司。

在初代iPhone研发时,乔布斯曾想趁热打铁,劝说Intel为苹果开发移动芯片——那会的Intel还没来得及向世界展示他们在移动领域的惊人无能。但因为价格没谈拢,欧德宁事后回忆:谁能想到他搞的这款手机销量会是(预计的)100倍?

于是苹果转向三星。第一代iPhone使用的是三星的S5L8900芯片——严格上讲这不是一款芯片,而是一个SoC片上系统(System on Chip),由一个ARM架构芯片和一个PowerVR芯片组成,采用90nm工艺,勉强够用。*为了读者通俗理解,我们后面仍然用芯片来指代SoC。

三星的半导体业务发轫于90年代,由二代李健熙亲自布局,通过“反周期定律”一步步变成全球存储芯片的老大。2006年三星进入芯片代工领域,在技术上迅速追上台积电,并通过自研的S5L8900芯片成为iPhone芯片的唯一供应商。

但吃过单一供应商大亏的乔布斯,心中有一个挥之不去的隐忧,那就是:万一三星变成第二个摩托罗拉和IBM怎么办?而在2007年的iPhone发布会上,乔布斯就引用了Alan Kay的一句话:真正在意软件的人,应该自己造硬件。

图片来自:苹果发布会

Alan Kay是谁?他是图灵奖获得者,是面向对象编程的发明者,他在施乐PARC领导开发了历史上第一个用户图形界面,直接启发了乔布斯的Macintosh和盖茨的Windows。援引Alan Kay的话,是不是意味着乔布斯又悟出了新的启发?

也许,是时候彻底解决芯片问题了。但问题是:苹果经历了如此漫长的芯酸往事,这次会不一样吗?

英雄集齐不问出处

在巨头几乎垄断的背景下,一个新的芯片体系要想造得出、卖得好、用得爽,需要一个前提+三个条件。

一个前提就是:IDM模式造成的高门槛,必须被某种方式所降低甚至瓦解。如前文所属,摩托罗拉680x0家族和PowerPC最后都是败给了“重资产的规模效应”这条产业规律,如果这堵高墙仍然横亘在新玩家的面前,新的芯片体系很难成功。

打破这堵高墙的,就是晶圆代工(Foundry)模式,尤其是进入到2000年之后,台积电和三星等公司成功缩小了跟Intel之间的差距,让之前认可度一般的晶圆代工模式不断壮大,IDM一统江湖的现状被打破,产业链出现了分工,大幅度降低了新进入者的门槛。

还是用第一章的例子:假如A和B都生产同一类芯片,A生产100万枚B生产30万枚,如果两者都是IDM模式,那么B的成本永远都比A高的多。但如果B找C去代工,C可以让B跟同一制程的客户比如D、E、F等一起分摊固定成本,那么B的成本就可能跟A接近甚至打平。

而ARM的崛起又进一步拉低了新进入者的成本。相比制造而言,芯片的设计环节虽然花钱少一些,但如果从头开始设计一套新的CPU架构耗资巨大且成功率很低。而ARM的授权模式和良心收费,帮助想拥有自己芯片的企业大幅降低了设计成本,进一步拉低门槛。

简单总结:就是IDM模式=设计+制造+封测,被拆解分工后,ARM帮你拉低设计成本,台积电帮你拉低制造成本,封测又转移到大陆成本降到低无可低,这样即使苹果芯片的量只有Intel的5%,单个芯片的成本也不会比Intel高太多,甚至有可能打平。

于是,当台积电和ARM在2000年后成功重构了产业链后,大量新兴的Fabless(无晶圆厂)芯片公司崛起,高通借助ARM的授权开始进入芯片领域,英伟达依靠台积电的代工做出了第一代GeForce显卡,甚至连AMD最后都卖掉工厂,全靠代工才跟Intel拼到现在。

苹果重返造芯的一个前提有了,三个条件是什么?一是资金,二是客户,三是团队。

第一是资金。产业链重构之后,造芯所需的资金其实丰俭由人,你搞一款90nm的嵌入式芯片,几百万就能上车;但如果你要搞复杂的处理器芯片(也是苹果想做的),没有10亿美金基本别想动工。当然对发布iPhone后的苹果来说,门槛两个字怎么写他们已经忘了。

第二是客户。芯片造出来是第一步,卖出去是第二步,在用的过程中发现问题反馈迭代是第三步,后两者都需要愿意舍命陪你跳坑的客户。这样的客户比熊猫还稀缺,尤其是消费电子市场,芯片的一个翻车可能就万劫不复。苹果和华为,在这方面都有天然优势。

第三是团队。芯片越往上设计,就越离计算机、半导体、数学这几门科学越近,要做出处理器级别的芯片,不光需要顶级的工程师,更需要顶级的科学家。而在计算机和半导体的发源地硅谷,这些人才虽然不能说遍地都是,但绝对比全世界任何一个地方都多。

苹果在决定造芯之后,立马就开始了顶级人才——或者说是顶级大神的搜罗工作。

首先加入团队的是人称“大D哥”的Daniel Dobberpuhl。他曾在DEC先后领导过两个著名RISC项目——Alpha和StronARM。Alpha芯片曾在工作站和服务器领域光芒四射,虽然最终还是不敌Intel,但它影响深远,你甚至能在神威太湖之光上看到它的些许影子。

StrongARM最后也是差不多同样结局,最后被DEC连同大D哥本人一起卖给了Intel。Dobberpuh在Intel没待几天就离职创办了SiByte,主攻MIPS架构芯片,发展迅猛,几年后这家只有120个人的公司就被Broadcom以20亿美元的天价收购,大D哥彻底财务自由。

2003年,Dobberpuh又双叒离职,创办了PA Semi,转而搞PowerPC架构的芯片。到了2008年,已经在筹划造芯的苹果收购了PA Semi。此时苹果芯片团队只有40人,PA Semi一下子就带来了150多人,大大加强了团队板凳深度。

早在收购PA Semi之前,苹果就已经把这家公司里的另一位大神Jim Keller给挖了过来。Dobberpuh擅长连续创业,Jim Keller的传统艺能则是疯狂跳槽,DEC、苹果、AMD、Intel、特斯拉都待过,但每个地方他都留下了传奇作品——比如重振AMD雄风的Zen处理器。

最后一位大神,是苹果从IBM挖来的Johny Srouji。阿拉伯裔的Johny Srouji出生于以色列,父亲是一名木匠,他从小学习成绩优异,考入了被誉为“中东MIT”的以色列理工学院,精通希伯来语、阿拉伯语、法语和英语。毕业后他加入IBM在以色列的研发中心。

库克和Johny Srouji(左二) 图片来自:Apple

在IBM暂露头角后,Johny Srouji被Intel挖走,工作八年后又被IBM反挖回去,负责高性能计算芯片POWER7的研发。几个来回之后,他成为半导体届一颗冉冉升起的新星。苹果硬件负责人Bob Mansfield向乔布斯极力推荐Johny Srouji,乔布斯果断雇佣了他。

还是那句话:一个人的命运当然要靠自我奋斗,但是也要考虑历史进程。苹果芯片团队中大多数人的职业生涯都奉献给了命运多舛的RISC,但在向Intel x86帝国冲塔的过程中,基本上是败多胜少。这些人跟苹果一样,终于等到了产业生态出现剧烈变化这一刻。

诸多大神归位,Johny Srouji被任命为整个芯片团队的头。他后来回忆乔布斯对他讲的一段话:“如果要让苹果真正脱颖而出给用户提供真正独特和伟大的产品,唯一的方法就是拥有自己的芯片——你必须控制并拥有它。”

一款新的处理器从设计到量产,至少需要几年的时间。因此初代iPhone的后续型号——包括2008年的iPhone 3G和2009年的iPhone3GS仍然使用三星的芯片。同时,苹果的收购仍然继续,计划中的最后一块拼图,是一家位于德克萨斯州的名叫Intrinsity的公司。

这家公司擅长一种名叫Fast14的技术,能够将ARM提供的通用内核从650MHz加速到1GHz。三星在2009年宣布跟Intrinsity合作,用他们的技术打造出了“蜂鸟”内核和S5PC110芯片——这款芯片搭载到了三星第一代Galaxy S手机上,全球大卖,成为iPhone最早的挑战者。

在意识到Intrinsity的价值之后,苹果抢先三星一步把Intrinsity收入囊中,这导致三星以后再也不能使用Intrinsity的技术了。而2010年也是三星和苹果分道扬镳的开始——三星自诩安卓阵营老大,已经跟iPhone全面开战,而苹果在屏幕、闪存和芯片方面却仍然要依靠三星,只能咬着牙忍气吞声。

在两家貌合神离、合作暗流涌动的背景下,苹果第一代自研芯片A4在2010年1月发布了,这便有了本文开头的场景。

苹果自家的团队在A4上的贡献其实并不大,A4大部分设计工作由三星和Intrinsity完成,跟三星的S5PC110芯片其实是同卵双胞胎。因此,当一些拆解机构对A4的裸片进行显微拍照和红外成像后,发现苹果号称的自研跟S5PC110内核相同时,嘲讽铺天盖地袭来。

A4 和S5PC110对比,ARM内核几乎一致

但Johny Srouji和团队几乎没有受到任何影响,而Intrinsity公司100多人团队的加入又让苹果如虎添翼。几只不同背景的队伍汇聚在一起,他们把重点放在了A5之上,并为了能让A5搭上计划在2011年发布的iPhone4S而争分夺秒。

而在另一厢,乔布斯让库克派出了手下大将、运营副总裁Jeff Williams秘密前往台湾接洽台积电,张忠谋亲自在家里接待,双方喝着红酒达成协议:苹果未来将把芯片代工的订单转移给台积电,台积电则保证准备90亿美元建厂资金和6000个工人,以确保产能。

很快,全世界都将目睹苹果芯片团队神挡杀神、佛挡杀佛的震撼过程。

神挡杀神,佛挡杀佛

从繁华的以色列特拉维夫驾车向北,穿过咸湿的海风,不出30公里就能抵达沐浴在地中海阳光里的Herzliya市。

这里远离加沙和约旦河西岸,你几乎不会在天空上看到“铁穹”拦截哈马斯火箭时划过的白烟。人们享受着白色的沙滩、密集的咖啡馆和葱郁的林荫大道,生活方式不像中东而更像加州,在这座安静的小城里,有超过1000名员工正在为苹果研发芯片。

苹果位于Herzliya的研发中心 图片来自:apple.fandom.com

苹果在以色列部署一支庞大的军团,一方面跟Johny Srouji是以色列人有关,一方面也是因为以色列本身就是半导体人才的富矿。苹果从2011年开始便通过招募和收购的方式,在这个离硅谷1.2万公里的地方建立起了海外第二大研发中心,几乎都是芯片相关。

人们很难在叙利亚内战和ISIS崛起这些黎凡特地区新闻里找到苹果造芯的蛛丝马迹,而苹果的缄默也让Johny Srouji的团队变得神神秘秘,他本人更是极少接受采访。后来彭博在2016年终于拿到专访机会,标题就很直接[10]:那个你从来都没听说过,但又最重要的苹果高管。

其实这种刻意除了增加流言和猜测外,并没有起到“低调”的效果——因为A系列芯片的强悍性能,已经砸到所有人脸上了。

2010年的A4贬褒不一,但2011年的A5和2012年的A6这两款双核芯片,就已经在性能上对齐同期安卓机皇的四核芯片。2013年,苹果率先推出全球首款64位处理器A7,将仍处在32位时代的高通、三星远远抛在身后,移动SoC自此进入64位时代。

要想看懂苹果芯片,需要先了解一些事实:ARM这家公司其实卖两种东西,一类叫“架构许可”,客户可以根据指令集架构设计自己的内核;一种叫“公版内核”,就是ARM帮你设计好的内核,客户买回家整合到自己芯片里就行。

用一个未必恰当的类比:“架构许可”好比卖食材,ARM帮你洗好剥净,你不用搞个菜园自己种了(拉低芯片设计成本),但最后菜好不好吃还得看你煎炸烹煮的水平;而后者则是用上述食材做好的预制菜,回家放点儿葱花简单烹饪一下,很快就能凑出一桌酒席。

当然,“预制菜”听起来简单,但全世界能做好的也不多,敢于尝试自己下厨开发私版内核的人更少,比如ARMv8的“架构许可”全球仅有15家客户。苹果的A4和A5上都是买公版内核,等于吃了两年的“预制菜”,而从iPhone5搭载的A6芯片开始,苹果就想自己下厨了。

Johny Srouji的团队先是推出了基于ARMv7架构的Swift内核,让A6备受好评;ARM在2011年底又发布了新的ARMv8架构,苹果全力冲刺在12个月之内就搞出了基于新架构的Cyclone(旋风)内核,搭载新内核的A7成为全球首款64位处理器,拉下高通和三星一大截。

之后的故事便耳熟能详,从A7到去年发布的A16,苹果A系列芯片基本都对安卓阵营的同级芯片形成碾压。

由A系列锤炼出来的芯片设计能力,不出意外地“溢出”到苹果其他的硬件创新上。2014年,苹果发布第一代Apple Watch,搭载的就是苹果自研的S系列芯片;2016年,苹果发布第一代Airpods,搭载的是自研的W系列芯片(后被H系列取代)。

Airpods是芯片推动硬件创新的典范。在Airpods出现之前,市面上大多数产品都需要用实线连接两只耳机,而苹果通过W1芯片实现了蓝牙信号监听,消灭了累赘的传输线,并大幅提升了延迟、降噪、续航等方面的体验,基本上重新定义了“无线蓝牙耳机”这个产品。

到了2018年,内功突飞猛进的苹果终于做了一个惊天动地的决定:把枪口重新对准Intel。

这恐怕是半导体产业诞生以来最难啃的硬骨头。如前文所述,Intel在诞生的半个世纪里纵横捭阖,脚下全是挑战者的尸骨。x86帝国不仅在PC机上接近垄断,在服务器和高性能计算机(HPC)领域也把RISC阵营挤出市场。

苹果既然敢在此时挑战Intel,就肯定不会打无准备之仗。事实上,经过多年的闷声大发展,Johny Srouji团队的人数已经超过4000人,战斗力爆表,更重要的是,A系列的很多技术都能跟M系列(苹果桌面级芯片的代号)通用。

比如苹果基于ARMv8架构设计了Firestorm(火风暴)和Icestorm(冰风暴)两个名字炫酷的内核,前者性能高,后者能耗小,2020年9月发布的A14芯片就用上了这两款内核(2+4),而2020年11月发布的M1芯片也同样用上了(4+4)。

当然,设计桌面级芯片复杂度要比手机芯片大得多,翻车的概率也很大。因此当苹果把换芯的决定告知了Intel,后者大感惊愕之余提示风险,苹果表示“我们不是第一次(换芯片)了”,并频繁地对外抱怨Intel挤牙膏式的产品升级,像极了在演一部电影:分手的决心。

不满Intel挤牙膏的不光苹果,很多Wintel阵营的用户也暗自希望Intel能有点儿压力;那些见识过苹果A系列芯片辗压级战斗力的果粉,自然无比期待;对于半导体行业的观察者来说,此事更是意义重大——晋西北好久没打成一锅粥了,你李云龙闹得越大越好。

2020年11月,库克发布了搭载M1芯片的Macbook Pro。在展示M1性能的那一刻,所有芯片玩家都屏住了呼吸。

M1总共有160亿晶体管,它把8核CPU(4大4小)、8核GPU、图像处理单元(ISP)、神经网络单元等都集成在一个硅基SoC上,通过统一内存技术大幅提升内部通信带宽,单核和多核的性能可以简单理解为介于Intel的i7和i9之间。

M1的强悍性能到了让Intel看了沉默、AMD看了流泪的地步,甚至苹果内部高管也被M1的性能所惊讶。发布会结束之后,苹果软件负责人Craig Federighi和硬件负责人John Ternus接受采访直言[11]:苹果自己都没能预料M1芯片会带来如此大的进步。

苹果高管或许还有王婆卖瓜的嫌疑,但Macbook的销量不会骗人:2021年,笔记本销量因为疫情大涨,但Macbook增长最快,市场占有率超过10%,份额扩大了24%;2022年疫情退潮,在全球笔记本销量下滑的背景下,Macbook继续增长,份额已经达到了14%。

M1之后,Johny Srouji的团队继续攻城拔寨,陆续推出了M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra和M2芯片,逐步将其他苹果桌面设备的Intel芯片换掉。Johny Srouji也开始走向前台,频繁现身苹果发布会,甚至一度有传言说他会去接任Intel的CEO。

尽管苹果不会对外出售M系芯片跟Intel直接开战,但两家公司纠缠30年的角力,终于画上了句号。

不光是Intel,苹果跟几乎所有半导体巨擘都发生过交集:它抛弃了IBM和摩托罗拉,直接导致两者退出了芯片领域;它割席了三星,并扶持了它的对手台积电;它压制了高通,让所有安卓机皇都不敢妄言跟A系列芯片比肩……

一部苹果造芯记,半本硅谷崛起史。回头来看,苹果造芯的这场逆袭是如此地漫长,以至于这个故事差不多囊括了大部分硅谷的风云人物和事件——从集成电路的起源到个人计算机的革命、从Wintel联盟的制霸到RISC阵营的反击、从ARM的诞生到台积电的崛起……

一场奥德修斯式的返乡故事,能够带给我们什么启示呢?

启示录

如果单纯只问苹果造芯的故事有什么参考意义,那么答案也很简单:几乎没有任何参考意义。

苹果是一家跟硅谷同频起飞的公司,它的历史本身就是硅谷的一部分。土生土长的硅谷本地人乔布斯跟很多教科书里的芯片大神私交甚笃,比如仙童和Intel的创始人罗伯特·诺伊斯甚至对妻子这样开玩笑:如果乔布斯再这么晚给我打电话,我会杀了他。

前文所述造芯的“一个前提和三个条件”,除了“前提”外,单拎出来资金(利润率和资金储备)、团队(人才密度和号召力)和客户(市占率和用户粘性),再加上创始人的特质,你就会发现苹果的成功不但中国公司复制不了,美国也没有第二个公司能复制。

如果说这部爽文能有什么启发的话,那笔者提一个没那么宏大澎湃的角度:计算机和芯片是“产业”,但更是“科学”。

苹果造芯这个故事的“明线”,是一家消费电子公司如何隐忍如何爆发最后了解恩怨;而“暗线”则是CISC和RISC两种不同的芯片设计理念三十年的相互缠斗——这种缠斗本质上是计算机体系结构(Computer Architecture)这门“科学”的发展在“产业”上的延伸。

什么能表征产业?产值、利税、市占率、就业人口。什么能表征科学?理论、定律、思想、底层突破。计算机和芯片当然是产业,但更是两门诞生不到100年、还在演化和突破的科学,而苹果故事里的要素提醒了我们一个事实:美国是这两门科学发源的地方。

组成计算机和芯片这两门科学的大厦的,是晶体管、集成电路、Unix、编译器、以太网、GUI(用户图形界面)、RISC、数据库、TCP/IP、面向对象编程、激光打印、人工智能、浮点计算、神经网络、机器学习……它们几乎都出现在美国。

产业容易转移,但科学却不容易转移,或者说科学无法转移,只能通过悉心培育科学精神,才能在自己的土地上开花结果。美国虽然很多产业被转移出去,但仍然把控着计算机和芯片科学的创新,而至今70多位ACM图灵奖的获得者,也几乎全部都是美国人。

理解这个,就容易解答很多人的疑问:为何我国产业规模如此大了,还这么容易被卡脖子?

当然,考虑到起点,能先把产业做起来已属不易。1984年洛杉矶奥运会,西方的记者都用上了IBM的PC机,中国记者却只有纸和笔,法新社写道:“在全世界报道奥运会的7000名记者中,只有中国人用手写他们的报道。”

在经济突飞猛进的四十多年里,无论是大型企业的掌门人,还是十八线城市的科长,都习惯了用“产业”的思维来考虑问题。就像2014年杨元庆对话马斯克,前者问后者:2013年联想一共售出了1.15亿台设备,特斯拉卖了几辆车?

产值、规模、市占率这些参数,的确有很重要的意义,但不应该被它们遮蔽掉最应该去关注的问题。在过去,太多企业热衷搞规模,热衷堆人头,热衷价格战,在取得一定成绩之后,却又不敢沿着链条向上攀登,反而仍沉浸在低质量的零和博弈里。

产业思维重要吗?当然重要,对发展中国家来说意义再怎么强调也不为过。但对于一个正在向上攀援的“吃劲”国家,科学的思维绝对不能缺失。而最近这些年,往往有一个普遍现象:硬骨头很少有人啃,看起来容易的事情却一堆人来卷。

站稳脚跟的中国科技公司,全社会都应该鼓励他们把精力投入到前沿科学的突破中去,而不是催促他们去植树和捐款。而它们自己,也不应该被那些规模指标所迷惑——富可敌国如苹果,都在花三十年磨一剑,更何况利润率往往只有个位数的诸位呢?

中国这些年出现了越来越多靠“科技”来赚钱的公司,在全球产业链上建立了话语权,但在卡脖子的当下,人们不免发出这样的感叹:要是像xxx这样的企业再多一些就好了。穿透一些令人沸腾的数据,我们往往发现很多产业的差距仍然巨大。

知己知彼,重要的知己。套用范志毅在国足输给泰国后讲的一句话:“务实一点,把这个足球的理念先搞懂。”对于中国的很多产业来说,要搞懂的东西的确太多太多了,所有的产业参与者,都需要耐心、耐心、再耐心。

参考资料

[1] 乔布斯传,2011年

[2] ARM to A4: How Apple changed the climate in mobile silicon,2019

[3] The most important Apple executive You’ve never heard of, Bloomberg, 2016

[4] The Independent Interviews Federighi, Joz, and Ternus on M1 Macs, 2020

[5] 历史潮头上的台积电:两堵高墙,一柄尖刀,2021

[6] ARM to A4: How Apple changed the climate in mobile silicon,2019

[7] The most important Apple executive You’ve never heard of, Bloomberg, 2016

[8] The Independent Interviews Federighi, Joz, and Ternus on M1 Macs, 2020

本文(含图片)为合作媒体授权创业邦转载,不代表创业邦立场,转载请联系原作者。如有任何疑问,请联系editor@cyzone.cn。

反馈
联系我们
推荐订阅