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)展也成了眾人關注的焦點。而在該報道中指出，蘋果預期在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，40個處理器核心將分布在四片晶片上。2023年量產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，我們預計也會在第三代M系列芯片中看到更復雜的IP設計，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系列芯片的設計更加接近AMD使用Chiplet的Zen系列架構。在M1芯片中，蘋果并沒有使用這樣的多晶片設計，而是使用了類似手機芯片SoC的設計。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設計是風險最小的技術路徑，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，這也預計成為蘋果進一步上攻高性能計算的技術支柱。

　　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的芯片設計。在傳統(tǒng)的處理器設計中，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，無法預計在處理器上會跑什么樣的應用，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，因此能夠有針對性地在M系列處理器上集成對應的專用處理模塊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，多晶片設計在處理器領域的主要優(yōu)勢是能夠支持多核心設計。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系，晶片尺寸越大，則良率越低，而多晶片/chiplet設計相當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體節(jié)點有重要意義。此外，使用多晶片設計可以較為簡單地實現(xiàn)多個不同核心數(shù)量版本的處理器設計。如果使用傳統(tǒng)的單晶片設計，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，需要同時設計和生產多個芯片掩模;而如果使用多晶片設計，那么只需要設計一個版本的晶片，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系列芯片的設計中，我們看到蘋果的思路是結合原有的SoC式設計來確保高能效比，同時采用多晶片設計來賦能針對高性能計算市場的多核心設計。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，在云端的一些相關服務加速(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(強通用計算能力)將會為這類應用的自研芯片打下堅實基礎。未來的具體發(fā)展，讓我們拭目以待。