蘋果3nm芯片計劃背后

　　近日，The Information報道了蘋果最新的芯片路線圖，其中最引人矚目的是預(yù)計用于Mac系列的定制CPU。隨著用于MacBook的第一代自研M1芯片大獲成功，M系列芯片后續(xù)的發(fā)展也成了眾人關(guān)注的焦點。而在該報道中指出，蘋果預(yù)期在2023年發(fā)布的基于3nm的第三代M系列芯片，該系列芯片的代號為‘Ibiza’, ‘Lobos’和‘Palma’。同時，在第三代M系列芯片中，高端版本計劃有高達40個處理器核心，并且將使用多晶片封裝技術(shù)，40個處理器核心將分布在四片晶片上。2023年量產(chǎn)3nm處理器的計劃也與之前臺積電發(fā)布的3nm時間表相吻合，而是用3nm工藝節(jié)點可望給第三代M系列芯片帶來較大的綜合性能提升。

　　該報道同時也涉及了第二代M系列芯片的計劃，根據(jù)報道，2022年蘋果將發(fā)布第二代M系列芯片，該芯片計劃使用臺積電增強版5nm工藝制造，因此半導(dǎo)體工藝角度帶來的提升較小，但是第二代M系列芯片至少會有一個高端版本會使用雙晶片的封裝形式。

　　在該報道中，我們可以看到蘋果M系列芯片的演進思路，即使用最先進的工藝(包括半導(dǎo)體工藝和封裝工藝)，并且進一步走高性能路線。

　　第三代M系列芯片的主要工藝亮點

　　臺積電3nm將成為蘋果第三代M系列芯片的主要亮點。根據(jù)臺積電今年夏天公布的3nm工藝特性，3nm最大的提升來自于邏輯門密度，預(yù)計可達5nm節(jié)點的1.7倍;同時功耗相比5nm也有高達30%的改善，同時晶體管速度方面也有10-15%的提升。

　　臺積電3nm工藝的提升中，邏輯門密度是最大的，同時晶體管速度的提升卻較小，這也能解釋蘋果在第三代M系列芯片中，采取多核心設(shè)計的原因：蘋果計劃使用更多的晶體管來取得整體處理器性能的提升，而非依靠更快的時鐘頻率。由于3nm擁有更高的邏輯門密度，我們預(yù)計也會在第三代M系列芯片中看到更復(fù)雜的IP設(shè)計，甚至有可能會集成一些M1以及傳統(tǒng)CPU中沒有的專用加速單元來實現(xiàn)整體性能的提升。同時，3nm工藝帶來的功耗改善預(yù)計也將繼續(xù)幫助第三代M系列處理器保持非常好的能效比，畢竟“省電”是M1芯片的重要亮點之一。

　　在使用3nm工藝的同時，第三代M系列芯片的另一個工藝亮點是使用多晶片集成(multi-die)，計劃使用高達4個晶片集成在一個封裝中。這樣的做法將會使第三代M系列芯片的設(shè)計更加接近AMD使用Chiplet的Zen系列架構(gòu)。在M1芯片中，蘋果并沒有使用這樣的多晶片設(shè)計，而是使用了類似手機芯片SoC的設(shè)計。由于M1是蘋果的第一代自研Mac芯片，使用接近蘋果擅長的A系列SoC設(shè)計是風(fēng)險最小的技術(shù)路徑，同時也帶來了很好的能效比。而到了第三代M系列芯片時，使用多晶片集成將使得蘋果能更容易地實現(xiàn)高性能計算所需要的多核架構(gòu)，這也預(yù)計成為蘋果進一步上攻高性能計算的技術(shù)支柱。

　　蘋果M系列芯片的新思路

　　蘋果M系列芯片給處理器行業(yè)帶來了許多新的思路。

　　首先，由于蘋果對于Mac生態(tài)和軟件擁有很強的控制力，因此使用了類似SoC的芯片設(shè)計。在傳統(tǒng)的處理器設(shè)計中，由于芯片廠商對于處理器上運行的軟件沒有太大的話語權(quán)，無法預(yù)計在處理器上會跑什么樣的應(yīng)用，因此傳統(tǒng)的思路是加強通用計算的處理能力。而蘋果由于對于軟件生態(tài)有很強的話語權(quán)，因此能夠有針對性地在M系列處理器上集成對應(yīng)的專用處理模塊IP(例如AI，圖像編解碼等)。由于專用處理模塊的效率比起通用處理器要高很多(無論是絕對性能還是功耗)，因此我們看到了M1系列芯片在跑常見應(yīng)用時有非常高的性能和很低的功耗，而這也是處理器SoC化思路帶來的優(yōu)勢，當(dāng)然其前提是需要能對于軟件生態(tài)有很強的把握能力。

　　而到了第三代M系列芯片中，我們進一步看到了蘋果在將其“處理器SoC化”的思路進一步與當(dāng)前高性能處理器芯片中的多晶片/chiplet方法做了整合。如前所述，多晶片設(shè)計在處理器領(lǐng)域的主要優(yōu)勢是能夠支持多核心設(shè)計。通過將多個核心分布在不同的晶片上，首先可以增加良率，因為芯片的良率和晶片的尺寸有直接關(guān)系，晶片尺寸越大，則良率越低，而多晶片/chiplet設(shè)計相當(dāng)于是等效減小了晶片尺寸，從而改善了良率，并降低了成本。這對于成本高昂的最先進半導(dǎo)體節(jié)點有重要意義。此外，使用多晶片設(shè)計可以較為簡單地實現(xiàn)多個不同核心數(shù)量版本的處理器設(shè)計。如果使用傳統(tǒng)的單晶片設(shè)計，那么如果需要實現(xiàn)擁有不同核心數(shù)版本的多個處理器時，需要同時設(shè)計和生產(chǎn)多個芯片掩模;而如果使用多晶片設(shè)計，那么只需要設(shè)計一個版本的晶片，而在封裝時集成不同數(shù)量的晶片即可實現(xiàn)不同核心數(shù)量的處理器版本。這樣可以非常簡單地實現(xiàn)多核心數(shù)的處理器設(shè)計(例如根據(jù)報道第三代M系列芯片可擁有高達40個處理器核心)。

　　在第三代M系列芯片的設(shè)計中，我們看到蘋果的思路是結(jié)合原有的SoC式設(shè)計來確保高能效比，同時采用多晶片設(shè)計來賦能針對高性能計算市場的多核心設(shè)計。這樣做的目的，我們認為是能幫助蘋果的M系列芯片繼續(xù)覆蓋高性能端，并且通過SoC式的設(shè)計思路帶來的高能效比來實現(xiàn)差異化競爭(例如電池續(xù)航強同時又有強計算能力的筆記本電腦)。

　　多核心與蘋果的野心

　　如果說蘋果使用3nm作為第三代M系列芯片的工藝時意料之中的常規(guī)操作，那么采用極具野心的四十核處理器設(shè)計背后的長期目的則給了我們不少想象空間。

　　首先，蘋果MacBook系列的定位本來就是高端市場。隨著M1芯片的發(fā)布，如前面所分析，M1芯片SoC化設(shè)計帶來的能效比提升使得蘋果在注重能效比(電池續(xù)航)的輕薄筆記本市場獲得了相對于使用Intel芯片的絕對優(yōu)勢。然而，在需要高性能計算的桌面電腦市場，相對于Intel和AMD來說蘋果尚未通過M1建立絕對優(yōu)勢。因此，通過走多核心路線，蘋果可以進一步上攻長期為Intel和AMD占領(lǐng)的高性能處理器市場。

　　而除了消費電子市場之外，多核心M系列芯片的另一種可能賦能方向是蘋果的服務(wù)市場。隨著蘋果進一步強化游戲、視頻、以及AR/VR等市場，在云端的一些相關(guān)服務(wù)加速(例如視頻編解碼，游戲乃至ARVR等)使用自研芯片也將是非常自然地選擇：畢竟目前有大量云端數(shù)據(jù)中心任務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)廠商，包括谷歌、亞馬遜、字節(jié)跳動、騰訊等都在自研芯片，隨著蘋果在云端運行任務(wù)需要的計算量上升，第三代M系列芯片的SoC(專用化加速)+ 多晶片多核架構(gòu)(強通用計算能力)將會為這類應(yīng)用的自研芯片打下堅實基礎(chǔ)。未來的具體發(fā)展，讓我們拭目以待。