苹果自主设计芯片的游戏是怎么玩起来的？

苹果是一家十分了不起的公司，它的市值是排在它后面的谷歌的两倍，它的利润在全球排名第三。它所谓的“战争基金”――流动资产――目前已经超过 2000 亿，就算是全球最大的银行和最大的石油公司都难以匹敌。

也正是因为有了雄厚的现金储备，苹果公司才能够有大量专利技术可用。当其他公司还在外包的时候，苹果公司已经尽可能的进行内部自主开发。其中包括目前使用在 iOS 设备中的芯片。当三星、微软和 HTC 都在依赖高通和英特尔提供的芯片时，苹果公司已经四处招揽人才，组件自己的工程师团队，为 iPhone 和 iPad 自主设计芯片。

当然苹果公司在这方面的开发和研究也并非都是一帆风顺的。起初苹果的这个团队也没有什么非常显著的成果，但是随着每一代A芯片的更新和发布，这个芯片系列的威胁已经越来越大。苹果公司的芯片开发工程师密切关注其他 ARM 芯片架构的发展，紧随英特尔的最新研究成功。

那么苹果的这些研究和开发当初是如何起步的呢？

2008 年四月份消息称苹果公司以 2.78 亿美元收购了一家小型无晶圆厂半导体（fabless semiconductor）公司 P.A. Semi。这家公司成立于 2003 年，创始人是 Daniel Dobberpuhl。他是一名拥有着丰富工作经验的工程师，早在 1976 年就加盟美国 DEC 公司（即美国数字设备公司）。他曾经参与开发 80 年代这家公司最成功的产品之一 MicroVAX。1998 年他创立了 SiByte 公司，主要开发 MIPS 片上系统硬件，几年之后他创立的这家公司就被博通公司收购了。

P.A. Semi 当时的研发重点是一款名为 PWRFicient 芯片的设计。顾名思义，这款信件基于 IBM 的 Power 架构，苹果公司的电脑产品直到 2005 年都在使用这种架构的芯片。他们设计这款芯片，最重要的设计目标就是保证效能与耗电比，同时可运行高性能应用。他们的第一款新款――PA6T-1682M，它的频率是2GHz，在“标准”使用情况下消耗 13 瓦特功率，当时同样的英特尔芯片需要 20-25 瓦特功率。

虽然 PWRficient 的设计着眼于功效，但是这款芯片并不适合移动设备。当时适合移动设备的芯片数量并不多，第一款适合移动设备使用的芯片，它消耗的功率也是非常高的。和很多初创公司一样，P.A. Semi 选择走一步算一步。虽然他们的硬件可以用在笔记本等产品之中，但是他们并没有任何设计计划。

其实 PA6T 芯片也许适合在 Mac 设备上使用，特别是 OS X 笔记本电脑。作为一款功率包络低于 200 瓦特的芯片，它的性能和功效足以和英特尔的产品一比高下。2006 年的时候 The Register 报道表示苹果公司和 P.A. Semi 已经形成了非常紧密的合作关系，甚至已经到了 P.A. Semi 就指望着他们和苹果的生意能够达成的地步。但是最后苹果公司还是选择了英特尔，P.A. Semi 不得不寻求与其他高端特殊硬件设备的制造商合作，比如后来他们就和 Mercury Computer Systems 合作了。

当然苹果公司并没有忘记差点就与他们合作的 P.A. Semi 公司，所以就出现了戏剧性的一幕――苹果公司收购 P.A. Semi，从而为旗下自主芯片研究工程打下基础。当时行业分析师猜不透苹果公司收购 P.A. Semi 是何意图，因为一家芯片设计公司真的有好多用处。当时已经有各种 ARM 硬件任苹果挑任苹果选择，英特尔又在加速 Atom 的开发，想要利用它在手机市场以及便宜的 PC 与对手竞争。很多行业评论员认为苹果可能利用 P.A. Semi 来开发专门的芯片组和控制器，以加速特定任务；或者苹果想要利用这家公司的人才，来强化对其所收购的硬件的实施和应用。

如果起初没有成功的话……

苹果收购了 P.A. Semi 之后，马上就获得了该公司的 150 名天才工程师，解决了处理器设计的问题，不过这场收购也不是一点问题都没有。在经过大约两年的沉寂之后，2010 年 3 月有消息曝光 Dan Dobberpuhl 已经在 2009 年晚些时候离开了苹果公司。他并不是唯一一个对收购之后两家公司的整合方式不满的人，因为在苹果收购了这家公司之后几年，有数名重要的工程师先后都跳槽了。

据纽约时报当时的报道，部分 P.A. Semi 不满收购之后苹果公司的股票奖励方式。其他分析师则猜测这些离开的人只是不习惯苹果公司比较严格的公司结构。不管原因是什么，Dobberpuhl 和那些离开的工程师又一起创立了 Agnilux，但是不到一年的时间这家公司就被谷歌收购。Dobberpuhl 这次没有随收购项目一起进入谷歌公司工作，而还有一些成员则一直在谷歌工作，现在还参与 Chrome OS 的开发。

使命未达，苹果公司通过其他渠道吸纳人才，以便能够在最短的时间里提升旗下的移动硬件产品。这次苹果公司看中的是 Intrinsity，这是一家位于德州奥斯汀的芯片设计公司，成立于上世纪 90 年代，当时名为 Exponential Technology。苹果公司和 Intrinisty 也曾有过一段历史纠葛。90 年代中期，当时这家公司名为 Exponential，他们就为苹果 Mac 开发新的处理器，试图与英特尔一较高下。但是当时苹果 Mac 却亏损连连。乔布斯回归之后，他选择了 IBMPowerPC，双方的合作也画上了句号。

被抛弃的 Exponential 将公司名字更改为 EVSX, Inc，后来才正式决定更名为 Intrinisty。他们开发的芯片使用 MIPS 指令集架构，但是一直未受关注，直到 2009 年他们与三星合作开发 1GHz Hummingbird 移动处理器之后才开始进入人们的视线。对于很多相关的人来说，这款芯片具有重要的里程碑意义。

Intrinisty 在这其中发挥的重要作用，就是他们使用了一种独特的设计程序，让 Cortex A8 的频率从通常的 650MHz 增加到 1GHz，这是一次巨大的飞跃。很多公司开发的移动硬件仅仅依赖于 ARM 的设计，然后再在某些方面进行些许改变。

Hummingbird 完全兼容 A8 和 ARM 指令集，但是它的设计是全新的，所以性能非常强，只有高通的 Snapdragon 才能与之匹敌。如果没有 Intrinisty，早期的三星手机可能也没法在市场上站稳脚跟。

苹果发现之后马上就将这家公司收入囊中，但是媒体还是通过 Intrinisty 员工的 LinkedIn 资料变化才发现了这次收购。苹果这次收购让很多人感到意外，不过和以前收购 P.A. Semi 不同，这次他们的目的很明确，就是 A4 处理器――它出现的时间几乎与收购的时间是同时的。与 Hummingbird 一样，它也基于 ARM Cortex A8，但是频率高于 1GHz。这其中的联系任谁都能够看得出来。

性能很快赶上英特尔

苹果新吸纳的这些人才很快就派上用场。A4 之后于 2012 年在 iPhone 5 中出现的 A6 基于 ARM Cortex A9，是苹果首款完全自主定制设计的芯片。苹果内部称其为 Swift，A6 虽然仍然使用 ARM 指令集，但是不再沿用现成的设计。

Chipworks 对芯片的拆解发现，和很多竞争对手产品不一样，它们一般是将处理器的布局和软件结合起来的，但 A6 是完全手工设计的。虽然这会耗费更多人力资源，成本更高，但是手工设计通常能够带来更高的功效。软件虽然实用但它不是创意性的。只有工程师才能够发现不足，想出独特的解决方案。

iPhone 5 的评测很快就证明了苹果工程师的这些努力没有白费。和上几代相比，它的性能有大幅提升，在很多跑分测试中速度是 iPhone 4S 的两倍。iPhone 5 的强劲性能甚至不弱于 2014 年使用 ARM Cortex A15 设计的主流 Android 手机。

自那之后苹果的性能优势不断增强，最新的 A9 芯片在很多跑分中都碾压对手。在 Kraken 和 SunSpider 网络跑分测试中，它几乎等同与英特尔移动 PC，比如微软 Surface Pro 3。GeekBench 测试也证明 iPhone 6s 的性能已经快要赶上英特尔芯 MacBook。

这不是说 iPhone 6s 即将超过英特尔，或者是苹果已经无人能敌了。情况其实比这还要复杂。将 iOS 设备和 Windows 设备对比本来就不是易事，不仅因为他们操作系统不同，更因为 PC 运行的程序对内存和处理能力有更高要求。

只要你用过 iPhone 6s 或者 iPad Air 2，那你就会知道苹果的速度提升有多快。这些设备处理多应用时毫无问题，运行游戏的性能至少比得上使用英特尔集成显卡的 PC。

我采访了 Patrick Moorhead，谈谈他对苹果的成功的看法：

对于行业来说这是史无前例的，一个这样的团队能够开发出这么高质量的芯片。通常能够为自己的产品开发出这样的芯片的人不是“行业领先的”。说实话，最近已经没有哪个公司能够取得这样的成就。

芯片设计并非苹果的核心业务，但是他们却努力打败高通等对手。为旗下产品自主设计硬件的战略――垂直整合――曾经被视为必然失败之路。但是苹果的工程师则重新定义了可能。

生产问题

芯片设计困难重重，但是苹果产品每次大规模上市，制造商如何供应足量芯片也是一个让人头疼的问题。虽然苹果已经在芯片性能上取得进步，但是和三星或者英特尔相比，他们还有不同，他们没有自己的制造设施。即使放在今天很多处理器设计公司也没有这些设施。

AMD、英伟达和高通是为数不多的几个需要由第三方合作伙伴来生产的大厂商。但是他们的销售规模没有苹果这么大，不会像出现生产难题。iPhone 6s 就是这样，因为它有的使用的是 TSMC 的 16 纳米制程的 A9 芯片，有的是三星生产的 14 纳米制程芯片。

这就和苹果设计芯片一样非常不寻常。因为使用两家不同代工厂生产的芯片显然就让情况复杂化。虽然区别很小，是在一个能控制的范围之内，但这显然不是很理想。有些人甚至称之为“芯片门”，不过好在它不像当年的 iPhone 4“天线门”那样引起轩然大波。

设计成本也是一个问题，因为你不可能只是改变几个参数，就能将架构从一个生产制程移植到另外一个制程上。虽然三星和 TSMC 生产的 A9 芯片整体设计相同，但是制程不同，所以苹果在某些方面的设计就需要有两种不同的方案。

这个问题也不好解决。这不是建立或者收购芯片制造公司就能够解决的。苹果必须和三星以及 TSMC 签订合同确保获得足够供应。即使苹果收购了芯片制造公司，那他们也需要好几年的时间才能够发展到拥有同样产能的规模。未来几年芯片的设计将会受到生产的影响。

唯一的办法就是不断提升

接下来将进入大众视线的苹果芯片是 iPad Pro 中的 A9X 芯片。关于这款芯片目前一切都是未知，不过它的性能有望超过过去 12 个月上市的便携 PC 中的 80%。也就是说它的性能将超过目前在售的部分使用英特尔芯片的硬件。

有些人可能觉得这是在开玩笑吧，但是几年前苹果自己设计移动芯片的消息传出时，有多少人不觉得这是一个玩笑呢。苹果的芯片设计团队也许经验不足，但他们都是有才之士，而且苹果有足够现金支持他们的研发。

Patrick Moorhead 非常看好苹果的未来：“从他们的发展势头来看，苹果在移动还能有很长的发展之路。他们现在试图将处理器食物链转移到桌面处理器。如果 A9X 性能确实如其所说，他们可能会让芯片行业失去平衡，特别是苹果和英特尔之间的关系。

A9 和 A9X 芯片对于苹果来说是巨大的成功，它们的重要性不仅影响到苹果的盈亏。所有人都认为从零开始，用 5 年时间来开发一流的芯片是无稽之谈，所以没有人想过要尝试。但是随着 iPhone 和 iPad 的性能优势不断扩大，一些口袋里有钱的厂商可能也蠢蠢欲动，开始思考他们能不能也自己设计芯片。