始于ARM 与三星：苹果自行设计的SoC 是怎么走到今天？

2017-04-21 09:41:00 来源: 互联网

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2005 年的WWDC 上，乔布斯（Steve Jobs）公布了一项重要的计划：将Mac 从IBM 的PowerPC，转移到Intel 的x86 架构。然而在当时，苹果也在私下进行两件大事：开发平板电脑，以及当时仍以iPod 设计为基础、但加入了通讯功能的原型手机。

苹果移动设备之初：为什么是ARM？

苹果开发触控式平板电脑的时间点其实比手机还早。乔布斯坦言，他是因为参加微软高阶工程师的婚礼，才打听到微软正在设计以触控笔来操作的平板电脑（注1）。当时苹果对手机的想法还没有完全脱离iPod的转盘，直到Jony Ive向乔布斯单独简报能用手指卷动页面的多点触控原型，Jobs才拍板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。

尽管为了管控风险，iPod风格的转盘版iPhone仍然继续开发，但新的多点触控原型除了同步进行，也执行了从档案系统底层就大改写的行动版Mac OS X，并去除滑鼠游标，改用手指。为了整合OS X以及新的多点触控到尺寸小得多的手机，同时保留类似Mac的UI效果，苹果发现自己需要一组高效省电的CPU与GPU架构，又必须省空间把它们整合到一枚SoC。

苹果其实已经有过相关经验的合作供应商。当时还占公司40%营收的iPod，用的是PortalPlayer生产设计的ARM架构处理器，直到2006年因为出货短缺，才转单给三星。当时，三星几乎是唯一能整合PowerVR，以及ARM架构的SoC设计厂，同时还能每年稳定出货数百万枚。一直到iPhone 3GS，苹果都还在使用三星的ARM架构应用处理器。

然而实际上，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 参与了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 亦随着Nokia 的成功，成了几乎是行动领域唯一的应用处理器架构。

Intel Atom、ARM，以及 XScale

在开始开发移动设备时，SoC 设计除了ARM 与三星，苹果还考虑过另一个选择，那就是Intel。

2005年，苹果刚把Mac从PowerPC转移到Intel x86，为了节省开发资源，乔布斯其实首先考虑在iPad使用Intel的Atom处理器。虽然Atom当时仍在研发，但每季会与Intel开会一次的乔布斯却颇信赖Intel CEO Otellinii的能力──放眼全球，也没有其他厂商能做出效能比Intel更好的产品。乔布斯甚至为此在2005年，裁掉苹果早年为了Mac筹设的芯片设计部门。

左二为Tony Fadell

不过 Tony Fadell 却大力反对使用Atom。Fadell 因为一手整合了iPod 的软硬设计，成为苹果的二号人物。在他的坚持下，乔布斯同意改用设计更简单、同时也更省电的ARM 架构（注3）。乔布斯后来回忆：

Intel的确有全世界最好的处理器，但前提是不在乎能耗与价格。此外，他们的芯片也只有处理器，所以还需要其他类型的芯片来配合……但多年来，我们一直告诉Intel，他们的绘图芯片做得很差。起初，我们合作得很好，Intel也希望和我们一起研发iPhone芯片，但他们动作太慢，应变力也不够，我们无法一直等他们；此外，我们也不打算什么事都教给Intel，然后让他们把东西卖给竞争者。

尽管Intel 前CEO Otellinii 后来表示，双方没有合作移动设备芯片，原因只是Intel 不满意苹果的报价，同时也判断苹果移动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 的决定最终让苹果转向三星设计的ARM 架构应用处理器。

有趣的是，Intel 其实也有过自己的ARM 架构团队，是一间收购得来、称作「XScale」的公司。当时Intel 对iPod 以及苹果正在秘密研发的新款移动设备仍保有兴趣，同时希望透过XScale 打入PC 以外的市场，不过随着苹果在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，苹果发表革命性的第一代iPhone，使用三星设计的ARM 架构SoC，GPU 则是透过Imagination Technology 的PowerVR。不过，iPhone 一发表，乔布斯就深知它的隐忧：没有前镜头，只支援AT&T 的2G，续航力也很弱。更大的缺陷是：iPhone 虽然设计先进，但只是整合各方资源打造的产品。它使用的芯片（没有特地命名），原始设计甚至是用在三星的DVD 播放器。

不过三星这款SoC确实很不错。当时在ARM架构上执行的行动作业系统，像是Nokia的Symbian，微软的Windows CE，以及黑莓，甚至初版的Android，都是功能相对简单的轻量系统，不过三星的SoC却能帮助苹果，在ARM架构执行改写自Mac OS X的Unix系统，同时还有着完整的UI效果。苹果的成功，让这些厂商重新调整了开发计划，其中就包括苹果日后的对手Google Android。

乔布斯注意到潜在的竞争对手。为了加速开发效率，同时维持iOS 的独特性与先发优势，苹果需要一款能100% 自控的芯片，来作为iPhone 的底层。然而，2005 年才裁掉芯片研发团队的苹果，不仅没有足够能力的工程师来与三星交涉想要的SoC，第一代iPhone 使用的SoC 尽管不错，也不是苹果完全认同的设计。

于是在初代iPhone 发表后不到一年，苹果便秘密与Imagination Technology、三星，签署了GPU 以及SoC 开发的协定，同时也开始招募员工，重建自己的芯片团队。

A4：苹果第一款自行设计的SoC

2008 年，苹果从IBM 挖角了 Johny Srouji。他后来一直是苹果芯片部门的副总裁，主管每一代苹果SoC 的设计。Srouji 加入不久，苹果在2008 年4 月又以2.78 亿美元，秘密收购了硅谷新创公司PA Semi。这间公司的专利与团队，也成为苹果日后设计SoC 的核心，同时让苹果的芯片团队从40 人增加到150 人。到了乔布斯离世的2011 年，苹果的芯片工程师更超过了1,000 人。这成了乔布斯晚年对苹果影响最深远的决策。

2009 年乔布斯接受《时代杂志》专访时，还曾经简短谈到一年前买下PA Semi 的理由：

PA Semi 将会专门为iPhone 与iPod 设计SoC。

不过当时乔布斯还少谈了两件事。首先，苹果买下PA Semi不只是为iPhone与iPod设计SoC。它独立设计的第一款SoC，其实最初是用在苹果2010年的新产品iPad，而不是iPhone与iPod。此外，当时苹果也已经与Imagination Technology、三星签订合作SoC的协定，因此，苹果最初并不完全是独立开发自己的芯片。

初代iPad

2010年随着第一代iPad亮相，乔布斯简报了苹果设计的首枚SoC「A4」。A4使用ARM的Cortex-A8为CPU核心，以及Imagination Technology的PowerVR SGX 535当作GPU。尽管用的是ARM的Cortex-A8，但苹果经由与三星、以及一间美国公司Intrinsity的合作最佳化了CPU架构，让A4的Cortex-A8时脉能高过其他同样采用Cortex-A8的处理器，但又能完全相容ARM架构。

苹果与三星的合作也首次付出代价。不清楚是经由与Intrinsity的合作关系，还是与苹果之间的三方协定，三星后来把这个改版的Cortex-A8 CPU核心称作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发表前，三星就已经把Hummingbird，用在自家两款手机的SoC。

于是，或许是为了提防与三星间的竞争，苹果在第一代iPad 发表后3 个月，便紧急收购了 Intrinsity。

而事实上，Exynos 3 的设计也几乎与A4 相同，只是两者的电路设计稍有区别。这起事件或许也标示了库克（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，使用 Exynos 3 的Galaxy S，后来也被苹果控告抄袭iPhone 3GS。

A5到A10：更进一步

之后的几年间，苹果逐步加大芯片研发的力度。2011 年以后，苹果每年的研发经费投入都在增加，2014 年起，更是以每年20 亿美元的幅度成长，最终在2016 年突破100 亿美元。其中，芯片、电动车，以及穿戴装置，被认为是苹果研发投入的三项重心；苹果的 CFO Luca Maestri 也曾表示，这些投入多数都集中在芯片。

苹果的第二代SoC 是「A5」。与前代A4 一样，最初是用在新的iPad 2，随后又很快地配给iPhone 4s。A5 是苹果的第一款双核心CPU、GPU 的SoC，这项策略一直延续至今日的iPhone 7。A5 的体积比A4 大了一些，也首次整合了新的ISP 来优化白平衡。在日后很长一段时间里，成像的白平衡一直是iPhone 相机的强项。

为了因应Siri，A5 也增设了一个称作「earSmart」的区域，可能是专门用来执行语音辨识的演算法，这导致没有 earSmart 的A4 产品，像是iPhone 4，就没办法使用Siri。苹果也宣称A5 的GPU 效能是A4 的9 倍，并且在之后将A5 的GPU 架构升级到4 核心，并改称A5X，搭载于首款支援Retina Display 的iPad 3。然而iPad 3 因为效能不振，上市仅7 个月就停产，成为最短命的iPad。

A10 Fusion 其实是苹果的第一款4 核心SoC。不过它的设计是两大核+ 两小核，运作起来还是很类似双核心。

第三代SoC「A6」对苹果来说则是一个新开始。从A6起，苹果不再使用ARM的公版设计方案，例如先前A4、A5采用的Cotex-A系列，而是改与ARM签订指令集授权，以 ARMv7-A 为基础开发一个自己的CPU架构「 Swift」──和苹果后来的程式语言刚好同名。这个举动，让苹果成为高通以外，第二个以ARM指令集为基础开发SoC的公司。

A6 也从前一代A5 的512MB 的LPDDR2-800 记忆体倍增到1GB LPDDR2-1066，同时在相比A5 小了22% 的体积下，完成快上两倍的CPU、GPU 性能，还能比A5 省电。这让后续的iPhone 5、iPhone 5c 相比iPhone 4s，在升级iOS 时有更多优势。

2013年搭载在iPhone 5s的A7可能是苹果对行动产业影响最深远的一枚SoC。苹果当时以近乎突袭的方式，将行动业界主流的32位元架构升级到64位元，成为现代智慧型手机与平板电脑中，第一款64位元CPU的SoC，逼得高通宣布放弃所有32位元产品的研发投入，全面跟进苹果。它搭载的GPU架构 PowerVR G6430，也让A7成为绘图性能接近Xbox 360以及PS3的产品。

A7的另外一个特点是以ARM的 TrustZone 方案为基础，打造一块称作「Secure Enclave」的区域，来专门储存Touch ID指纹资讯。至今，这个方案仍未从硬体上被破解，为日后的Apple Pay打下基础。此外，为了处理升级64位元产生的能耗，A7也把加速度感应器、电子罗盘和陀螺仪移除，整合到一个新的协同处理器「M7」。M7后来也一路升级到M10。

这之后的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开始，台积电也开始取代三星，成为代工苹果SoC的厂商。尽管在一些关键技术，苹果还是不如三星，例如在CPU塞入调节器，但这项技术看来已在A10 Fusion得到一定解决。

无论如何，苹果从2006 年起对三星、ARM，甚至Intel 的依赖，到开始自主设计架构，成为高通等级的IC 设计公司，如今看来已走进下一个阶段。苹果甚至准备好自己研发GPU，同时传出不再采用戴乐格半导体的省电芯片。

日后：GPU 自己做？

2017年4月，早从2007、2008年，就与苹果签订GPU授权协定的Imagination Technology，在官网发声明，证实苹果将在15个月至2年内，终止与Imagination Tech的协定，转而自行研发GPU。在2008年时，苹果还曾经与Intel展开几轮持股竞争，最终让苹果持有Imagination Tech约10%股份，是第四大股东，并拥有30%营收分配。苹果的订单，也占了Imagination Tech超过50%营收。

从第一代iPhone 起就一直专注使用Imagination Tech 的PowerVR，是苹果的一项策略，因为这可以减轻开发者的困扰，从而在底层专注针对iOS 优化的API，例如iOS 8 的Metal API 就是个例子。这种软硬整合也让iOS 成为手游运作较流畅的平台。

相比之下，三星SoC 的GPU 选择就比较混乱，经常在ARM 的Mali、PowerVR 之间游走，早年甚至还用过VideoCore 的GPU。高通尽管一直使用自家Adreno，但由于作业系统在Google 与各厂手上，比较没有能力打造一致性够强的体系。

其实苹果想换掉PowerVR改用自己架构的GPU已经不是新闻。从iPhone 6使用的A8 SoC开始，苹果就已使用自己的技术来客制一部分GPU的核心组成，比如GPU的「心脏」着色器内核。苹果也订制了CPU上的Compiler，以及GPU的图像驱动程式，来进一步优化iOS 10上首次大改的Metal API。

尽管Imagination Tech 扬言要用诉讼来阻止苹果，导致苹果收购Imagination Tech 的传言又再度开始，甚至传出这纸声明只是苹果压低PowerVR 报价的手段，但无论如何，在技术上，苹果确实已经开始累积自制GPU 的能力。这将会让苹果成为高通后，第二间拥有自己GPU 架构的公司。

有趣的是，苹果预告会终止PowerVR 协定的同时，刚好也是苹果与戴乐格半导体的能耗管理芯片的契约到期日。对于想让移动设备拥有AR 能力、同时推展Apple Watch 等穿戴装置的苹果，「省电」与「GPU」都是关键技术，这可能会让苹果尝试在「自控芯片」的道路上走得更远，尽管在那之前，用户可能会先见到iPhone 10。

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