苹果自研芯片的优势与劣势
2020-07-11
14:00:08
来源: 半导体行业观察
不知不觉，注定多不胜数的重大事件将塞满历史课本的2020年，也走过一半了，距离预定年内发表的首款搭载「Apple Silicon」的Mac，也为时不远。
我们有充分的理由相信，毕竟Apple这间树大招风的公司永远不缺热门话题，传闻多年的自制研发个人计算机芯片总算成为现实，更有「加温」的效果。听说连某位Intel前任首席工程师声称「Apple抛弃Intel的原因在于Intel处理器从Skylake世代就出现质量不佳的问题」的好笑理由都跑出来了。
但Apple要自行打造台式机(Mac)、笔电(Macbook)甚至工作站(Mac Pro)等级的自家处理器，也并不是直接将iPhone、iPad用的东西塞进去、跑分看起来不错就大功告成(偏偏不少人还真的会信这套)，有更多的「鸿沟」有待填补，像需要更多的核心去迎合多工需求、更高的时脉去激增单执行绪效率、更有效率的快取存储器与更高容量的系统主存储器、以及讲的更远一点：要如何长期维持这些产品的研发工作等，都是摆在Apple眼前的挑战。
总之，我们先来看看Apple手上握有的优势有哪些。
天字第一号大概不外乎「老子是软硬件都自己垂直整合的封闭系统，无须考量他人，想做什么就做什么」。以存储器和外部I/O系统来讲好了，Apple就不必像Intel、AMD和一堆处理器厂商动辄得顾及客户的兼容性需求而绑手绑脚，而不能胡乱更动。像IBM Power9可以出现3种存储器配置和不同的I/O组态，原因不外乎「关起门来自己玩」。昔日规模封闭的高阶服务器，可以享受到的种种好处，Apple当然也都雨露均沾，这将是Apple最能快速展现与众不同之处的地方。
再来就是Apple在过去Ax系列处理器自行定义独特功能，像Neural Engine之类等等，也是Apple拥有的王牌，上头累积的雄厚「软件资产」更是使用Intel AMD处理器的系统厂商无福消受的恩泽。更罔论这2家厂商至今在消费型产品，对此的布局仍付之阙如，近期看来顶多就是多个AVX-512指令集的「人工智能延伸」，剩下的只能看天吃饭，痴痴的等待「生态系统成熟」的那一天。
别的不提，就算x86处理器的硬件规格也比照办理好了，像VIA的子公司Centaur那颗「首度内建人工智能推论辅助处理器(NCore)的服务器系统单芯片」的CHA，究竟能够吸引多少软件厂商和软件开发者共襄盛举？怎么看都是一个大大的问号，大到没有任何人可以扛的起来。
至于现有Mac用户最关心的「现有应用程序透过Rosetta 2转译在换心手术后的Mac上执行」的效能问题，既然处理器的设计都操之在己，Apple Silicon是否会具备「辅助转换」的硬件加速技术，就很值得观察了。
像当年Transmeta的代码转换(Code Morphing)，并非表面上的「纯软件手段」，背后也有不少硬件功能加持。Apple会不会英雄所见略同，在Apple Silicon上比照办理，相当令人玩味。或许Apple已申请的专利权早就透露不少蛛丝马迹，只是笔者不知、诸位不晓。
每次回顾起「RISC指令集更容易打造更高效能又更省电的处理器微架构」这些被尘封的跳票论述，再看着动不动就经常出现在近代媒体报导的「借由Arm架构设计特性更可让装置耗电更低」，不学无术的笔者就会大脑当机，傻傻看不懂这些大恩大德讲的「架构」到底是在讲什么东西，你们能够指出这些「特性」是属于哪个环节吗？
这也是为何笔者宁愿多浪费点字数，要特别多写「XX指令集兼容处理器」的理由，名词的选择可以显示出对于某个议题的了解究竟有多深。
理论归理论，做不到或着不去做，就是不会「梦想成真」。为何2005年Apple会放弃IBM PowerPC，投向Intel的怀抱？难道不就是Steve Jobs对IBM迟迟无法推出笔电可用的PowerPC指令集兼容处理器吗？不是说RISC的PowerPC相较于CISC的x86享有多少说不完的好处？笔者还记得在1990年代，还不缺替PowerPC歌功颂德的专书呢。
IBM就是没有像Intel从1990年代末期，尝试研发像Pentium M此类为笔电而量身订做的「微架构」，和作为计算机最基本语言的「指令集架构」，一点关系也没有(好吧，uOp Fusion勉强算是跟x86指令集的特性有点关联的地方)。少了这些源自于笔电需求的资产，也让后来的IBM Power处理器，在服务器市场对上Intel Xeon和AMD Opteron/EPYC，在「效能功耗比(能耗比)」上也占不到任何便宜。
总之，物理限制就是摆在那边，只要处理器微架构的复杂度冲到某个程度，管你指令集架构怎样怎样，功耗和温度自然就「天下乌鸦一般黑」，不提IBM的Power家族，各位科科可以猜猜看，代号「Rock」的Sun UltraSPARC RK，是一个塞满16个4同时执行绪(SMT)超纯量核心的怪物，时脉2.3GHz，请问耗电量多少？
不多也不少：250W，然后就被并购Sun的Oracle腰斩整个计划了。想拿Fujitsu A64FX替Apple护航的死忠果粉也别急，后面会有更精彩的命案现场。
虽然Apple自研的ARM指令集兼容处理器的确很厉害，但天底下没有新鲜事，任何从同时代技术产生出来的产品也都面临类似的技术限制。说穿了，Apple的自研处理器之所以能压倒同期的其他ARM指令集兼容处理器，在于高度软硬件垂直整合的Apple，可断然放弃ARMv8之前的32位元指令集兼容性，将晶体管全部砸在可提升64位元运算效能的刀口上。
如果让Intel和AMD也可以选择，他们一定超想干掉386以前的「遗迹」，甚至巴不得所有现存指令都比照「AVX-128」办理，用VEX指令编码格式重新创造一次。
尽管如此，即使Apple最新的A13号称「单核心效能总算可以看到当代x86指令集兼容处理器的车尾灯」，耗电量也是随之激增，逃不掉的。
假如Apple Silicon要足以取代第三代Mac Pro内那颗28核、2.5GHz、快取存储器总容量66.5MB的Intel Xeon W-3275M，加上吸收Rosetta 2转译损耗的余裕，那这颗Ax处理器的规模将变得多大？高可用性的相关机能要多复杂？这里还不提假若Apple想不开，宁愿「长痛不如短痛」，连AMD的绘图芯片都要踢到一边，那画面真的太美，光用想的都会让想象力开始哀号。
这里也会有人跳出来喊：耗电量高又如何，「效能功耗比」才是重点啊，但手机平板和桌机工作站是同样的环境吗？那么，笔者就列出2颗针对高效能运算开发的处理器，猜猜那一颗「借由Arm架构设计特性更可让装置耗电更低」。
第一颗是Intel Xeon Phi 7290 (包含16GB MCDRAM，类似HBM，不计入外部DDR4)，第二颗是Fujitsu A64FX(而且还要水冷)，先不管AVX-512和SVE两种SIMD指令集之间的差异性，各位觉得这两边的「效能功耗比」有差很多吗？「我体内的怪物已经长这么大了」大概就是这样一回事。
糟糕，再讲下去笔者就要被贴上「果黑」标签了，就此猛踩煞车。
其实笔者非常期待Apple能靠着iPhone和iPad的基本盘，与同时掌握软硬件的双重优势，完成过去那票「RISC诸神」无从实现的悲愿，也相信Apple一定有绝对的把握，才胆敢发动「第四次冲击」。也许笔者的乌鸦嘴和外界的质疑，最后都将被证明是多余，这转型期将远比前一次还顺利，但搞不好Apple为此付出的额外成本，将足以「填补」降低芯片生产单价而省下的金额还有余也说不定。
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