剖開(kāi)蘋(píng)果M2芯片 內(nèi)部設(shè)計(jì)曝光

　　2022 年 6 月，蘋(píng)果發(fā)布了采用新處理器“Apple M2”的“MacBook Pro”和“MacBook Air”。第一個(gè)發(fā)布的是 MacBook Pro 13 英寸版本。

　　圖1為MacBook Pro 13英寸版的包裝盒、上下部件外觀(guān)、拆下下蓋的外觀(guān)。無(wú)論是“iPhone”、“iPad”還是“MacBook”，蘋(píng)果產(chǎn)品無(wú)論是“iPhone”、“iPad”還是“MacBook”，無(wú)論是外形還是結(jié)構(gòu)，都與過(guò)去的產(chǎn)品幾乎相同。

　　圖 1 2022 年 6 月發(fā)布的“MacBook Pro”外觀(guān) 來(lái)源：Techanarie Report

　　新款 2022 款 MacBook Pro 的結(jié)構(gòu)與之前相同，只需卸下大約 10 顆螺絲即可輕松卸下底蓋。(1)圖1右上角是3CELL電池，(2)是立體聲喇叭，(3)是熱管和風(fēng)冷風(fēng)扇，(4)是主處理器板，處理器板下方是鍵盤(pán)，(5))表示W(wǎng)i-Fi天線(xiàn)，(6)表示具有TAPTIC功能的觸摸板。電池幾乎占了一半，最大板尺寸為202mm x 83mm。

　　表 1對(duì)比了 2020 年 11 月發(fā)布的 MacBook Pro，首次配備了“Apple M1”，以及 2022 年 6 月發(fā)布的 MacBook Pro，首次配備了 M2。

　　表 1 2022 年 6 月發(fā)布的“MacBook Pro”外觀(guān) 來(lái)源：Tekanariye 報(bào)告

　　拆下底蓋，對(duì)比一下板子的正反面，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們幾乎是一樣的。每一個(gè)的內(nèi)部排列、大小和形狀幾乎相同，布線(xiàn)路線(xiàn)也相同。類(lèi)似地，基板具有幾乎相同的尺寸、形狀和芯片布局。大街上都說(shuō)“處理器剛從M1換成M2”，其實(shí)也確實(shí)如此。您不能僅通過(guò)卸下底蓋來(lái)判斷。

　　但是，如果仔細(xì)看，電容的位置和數(shù)量是不同的，所以很明顯這兩個(gè)板是不同的。兩者價(jià)格都在 20 萬(wàn)日元以下，但 2022 年款比 2020 年款高出 20% 左右。有處理器成本增加(同時(shí)功能增加)和內(nèi)存性能提高等成本增加因素，但很可能也包括由于世界形勢(shì)的變化而導(dǎo)致的成本增加。

　　圖 2顯示了如何拆卸基板。許多電線(xiàn)從電路板進(jìn)出到觸摸板、鍵盤(pán)、顯示器、揚(yáng)聲器、電池、外部端子等。卸下它們并擰下將它們連接到框架的螺釘，您就可以取出電路板。

　　圖 2.“M2”處理器的 MacBook Pro 拆解板 來(lái)源：Tekanariye 報(bào)告

　　在基板上添加加強(qiáng)金屬、散熱用熱管(散熱器)、散熱片、金屬框架等。散熱器采用覆蓋整個(gè)處理器部分的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)熱管與風(fēng)冷風(fēng)扇連接以釋放熱量。風(fēng)冷風(fēng)扇體積小，直徑46mm。它有許多葉片，而且很薄，因此可以非常順利地排出熱量。

　　移除熱管后，與 DRAM 集成的封裝中的 M2 處理器幾乎出現(xiàn)在電路板的中央。處理器右側(cè)和頂部有一塊黑色散熱片。此外，NAND閃存安裝在處理器的左上方。圖 2 的左下方顯示了移除散熱片的電路板。散熱片一共三塊，其中兩塊配有電源IC，優(yōu)化處理器的供電。散熱片的第三部分(板子右側(cè))是一個(gè)接口IC。

　　M1/M2 的處理器和外圍芯片對(duì)比

　　表 2顯示了 2020 M1 MacBook Pro 和 2022 M2 MacBook Pro 的處理器和外圍芯片的比較結(jié)果。

　　表 2 MacBook Pro with M1 和 MacBook Pro with M2 主要芯片對(duì)比

　　來(lái)源：Techanarie Report

　　處理器類(lèi)型名稱(chēng)已從“APL1102”更改為“APL1109”并且有所不同。與處理器結(jié)合的兩顆電源IC也有不同的型號(hào)名稱(chēng)(拆開(kāi)芯片后對(duì)比過(guò)內(nèi)部)。

　　最大的區(qū)別是與處理器配對(duì)的 DRAM。M1采用LPDDR4X，M2采用高速LPDDR5。表 2 中未列出的其他一些芯片也已被替換。閃存仍然是日本鎧俠公司制造，但容量有所增加，是一個(gè)單獨(dú)的芯片。部分接口芯片和功率半導(dǎo)體也已更換。板子的外觀(guān)和尺寸，板上的芯片排列等幾乎一樣，但是處理器和外圍芯片都是100%更換的。

　　另一方面，觸摸板、音頻編解碼器、NFC(近場(chǎng)通信)控制器、運(yùn)動(dòng)傳感器、電池充電器IC等在2020和2022版本中完全相同。由于端子位置和尺寸相同，看來(lái)只更換 2020 款 MacBook Pro 主板和 2022 款 MacBook Pro 主板就可以升級(jí)到 M2 版本。

　　比較 M1 和 M2

　　圖3是處理器M1和M2的比較。我們已經(jīng)完成了M2的芯片開(kāi)孔，但是硅片開(kāi)孔照片省略了。

　　圖 3 M1 與 M2 對(duì)比 來(lái)源：Tekanariye Report

　　M1 基于臺(tái)積電的第一代 5nm 工藝制做，而 M2 則基于改進(jìn)的第二代 5nm 工藝制造。安裝的晶體管數(shù)量也增加了 25%，從 160 億增加到 200 億。至于實(shí)際的硅尺寸，如圖 3 所示，M2 比 M1 大了一個(gè)尺寸。兩個(gè)CPU核心都是8個(gè)核心(4個(gè)高速核心+4個(gè)高效核心)。

　　M2 相比 M1 增加了 2 個(gè) GPU 核心，并且有 10 個(gè)(10 個(gè)核心)。此外，Neural Engine 的性能也從 11TOPS 提升到了 15.8TOPS。內(nèi)存接口在很多方面都進(jìn)行了放大，比如從LPDDR4X加速到LPDDR5，讓它成為了名副其實(shí)的M2處理器。未來(lái)，將在此M2的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步演進(jìn)。

　　英特爾的Thunderbolt芯片終于消失

　　圖 4顯示了安裝在 M2 MacBook Pro 的顯示控制板上的顯示時(shí)序控制器 TCON。

　　注： M2 MacBook Pro 上的 TCON(顯示時(shí)序控制器)。使用與 24 英寸 iMac 相同的 TCON 來(lái)源：Techanarie 報(bào)告

　　所有大型顯示設(shè)備肯定會(huì)使用 TCON(智能手機(jī)和智能手表除外)。

　　Apple 的許多產(chǎn)品都使用 Parade Technologies(以下簡(jiǎn)稱(chēng) Parade)的 TCON(iPad 也是如此)。

　　2021 年發(fā)布的“24 英寸 iMac”和 2022 年發(fā)布的 MacBook Pro 的 TCON 使用的是 Parade 的“DP855A”。雖然顯示器大小不同，但使用的是同一個(gè)TCON，很明顯蘋(píng)果產(chǎn)品的零件是通用的。順便說(shuō)一句，2011 年發(fā)布的 MacBook 的 TCON 是 Parade 的“DP615”。近 10 年來(lái)，Parade 芯片一直在被蘋(píng)果使用。此外，雖然圖 4 中未顯示，但 2011 年發(fā)布的 MacBook 觸摸板 IC 是 Broadcom 的“BCM5976”。同樣的 BCM5976 也用于 2022 款 MacBook。還有其他用了10 年的供應(yīng)商。

　　表 3是過(guò)去 11 年 MacBook 型號(hào)的處理器和 Thunderbolt 接口芯片的相當(dāng)簡(jiǎn)短的列表(盡管我們幾乎每年都有該型號(hào)的數(shù)據(jù))。

　　MacBook 外觀(guān)及主要處理器和 Thunderbolt 接口芯片列表 來(lái)源：Techanarie 報(bào)告

　　Thunderbolt 芯片是從 2011 型號(hào)安裝的。從那以后，所有的 Mac 產(chǎn)品都使用了英特爾的 Thunderbolt 芯片。直到 2020 年 5 月發(fā)布的 MacBook Pro，該處理器也還是由英特爾制造的。

　　自 2020 年 11 月發(fā)布的 MacBook 采用 Apple M1 以來(lái)，英特爾處理器就已停止使用，但許多蘋(píng)果產(chǎn)品繼續(xù)使用英特爾的 Thunderbolt 芯片(2022 年 3 月發(fā)布的“Mac Studio”也是英特爾制造的)。

　　不過(guò)，在 2022 年 6 月發(fā)布的 MacBook Pro 中，已經(jīng)換成了非 Intel 的接口芯片。英特爾終于隨著 M2 版 MacBook Pro 消失了。

　　M2”處理器看起來(lái)一樣，但內(nèi)部卻“不同”

　　圖 5顯示了 MacBook Pro 主板和主處理器 M2。

　　圖5：2022年6月發(fā)布的MacBook Pro主板和M2處理器 來(lái)源：Tekanariye Report

　　M2處理器將DRAM整合到一個(gè)單獨(dú)的封裝中，并進(jìn)行了模塊化，使其成為繼“A12X”、“A12Z”和“M1”之后的第四款具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的蘋(píng)果芯片。右側(cè)有兩個(gè)DRAM，左側(cè)處理器側(cè)覆蓋有金屬LID用于散熱。金屬 LID 用粘合劑固定在處理器和封裝上，需要一些專(zhuān)業(yè)知識(shí)才能將其取下。電源IC安裝在板上處理器的上方和右側(cè)，進(jìn)行電源關(guān)閉和電壓波動(dòng)等處理。處理器和電源 IC 是芯片組的支柱，因此它們?cè)谌魏畏?Apple 系統(tǒng)中都非�？拷�。

　　圖 6顯示了從板上拆下的 M2 處理器封裝的背面。與板子相連的端子(信號(hào)和電源)排列密集。終端數(shù)量超過(guò)2500個(gè)。

　　圖6 M2封裝背面 來(lái)源：Techanarie Report

　　近年來(lái)，處理器和內(nèi)存的并行化程度提高，由于電壓降低，電源必須加強(qiáng)，因此需要大量的 GND 引腳。因此，許多封裝有超過(guò) 2000 個(gè)引腳。有些封裝有超過(guò) 7000 個(gè)引腳。

　　M2有超過(guò)2500個(gè)球，球尺寸為0.28mm，間距為0.5mm。球形排列有四個(gè)孔，在這些部分中嵌入了帶有左下角端子的硅電容器。雖然有嵌入陶瓷電容器的案例(例如高通和聯(lián)發(fā)科)，但許多蘋(píng)果處理器都嵌入了硅電容器。這四個(gè)電容器直接位于處理器的 DDR 接口上方，用于提高 DRAM 和處理器之間的效率。

　　圖 7顯示了 M2 封裝中所有的芯片。圖 6所示的另外兩種類(lèi)型的硅電容器也包含在內(nèi)。右邊的 DRAM 堆疊了 4 片或 8 片(用戶(hù)可以根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格選擇 8GB 到 24GB 的 DRAM 容量)，即使是最小的配置也有 8 片 DRAM 硅片。由于總共有 1 個(gè)處理器、8 個(gè) DRAM 硅和 11 個(gè)硅電容器，因此 M2 封裝中總共有 20 個(gè)die。

　　圖7 M2芯片剖開(kāi) 來(lái)源：Tekanariye Report

　　順便說(shuō)一句，目前在一個(gè)封裝中擁有最多硅的是蘋(píng)果 2022 年 3 月發(fā)布的“Mac Studio”中安裝的“M1 Ultra”。一個(gè)封裝內(nèi)嵌入了多達(dá) 135 塊硅片!!

　　隨著半導(dǎo)體小型化的推進(jìn)，管腳的數(shù)量趨于增加(并行化和電源增強(qiáng))。因此，2D(尺寸)、2.5D、3D等封裝技術(shù)的演進(jìn)是必不可少的，但如何在功能性硅層壓的同時(shí)加入部件(電容器等)以保證特性和質(zhì)量?

　　未來(lái)，將制造諸如在硅中介層(用于布線(xiàn)的硅)中嵌入電容器等器件。甚至對(duì) M1 Ultra 和最新的 AMD 2.5D“Ryzen 7 5800X3D”的橫截面分析也表明，它不僅僅是功能上的進(jìn)化。為實(shí)現(xiàn)功能與特性并重，未來(lái)“多晶硅封裝”將繼續(xù)推進(jìn)。

　　圖 8是 2020 年以后蘋(píng)果產(chǎn)品(MacBook Pro、iPad Pro、iMac 24 英寸等)使用的 M1 和 M2 芯片開(kāi)口(剝線(xiàn)層)的照片對(duì)比。實(shí)際上，所有功能在照片中都清晰可見(jiàn)。

　　圖 8 比較 M1 和 M2 硅 來(lái)源：Tecanariye 報(bào)告

　　Apple 借助內(nèi)部 IP 向前邁進(jìn)

　　蘋(píng)果已經(jīng)披露了 M1 和 M2 的制造工藝和晶體管數(shù)量。M1有160億個(gè)晶體管，M2有200億個(gè)晶體管，電路規(guī)模增長(zhǎng)25%。實(shí)際硅面積增長(zhǎng)率為23.8%，略低于電路規(guī)模。集成密度增加約1%。GPU從8核增加到10核，增加了被蘋(píng)果新命名為“媒體引擎”的8K處理功能，運(yùn)算單元數(shù)量增加。

　　算術(shù)單元由標(biāo)準(zhǔn)單元和最小單元 SRAM 組合而成，因此即使在硅中也具有最高的集成密度。在從M1到M2的演進(jìn)中，運(yùn)算單元中核心數(shù)量的增加和功能的增加占了大部分，因此整個(gè)硅片的集成密度趨于增加。M1 Pro和M1 Max也有更多的運(yùn)算單元(GPU等核心數(shù)量)，所以集成密度略高于M1。與M1相比，M2在電路規(guī)模和集成密度上都得到了升級(jí)，當(dāng)然也在升級(jí)。

　　表 4顯示了 2020 年發(fā)布的“iPhone 12”中使用的“A14”、2020 年發(fā)布的 MacBook 中開(kāi)始采用的 M1、2021 年發(fā)布的“iPhone 13”中的“A15”以及 2022 年的 M2。是拆開(kāi)所有芯片封裝，剝?nèi)ゲ季�(xiàn)層，擴(kuò)大高性能CPU的一個(gè)核心的照片對(duì)比。

　　表4：蘋(píng)果處理器 A14/M1/A15/M2 對(duì)比 來(lái)源：Techanarie 報(bào)告

　　CPU內(nèi)部圖中可以看到的網(wǎng)狀部分是SRAM。黑色區(qū)域是排列邏輯單元的位置。SRAM由指令和數(shù)據(jù)組成。邏輯部分是純黑色的，但由于排列著數(shù)百萬(wàn)個(gè)邏輯單元，在照片的分辨率下看起來(lái)只是黑色。

　　A14 和 M1 具有相同的 CPU(形狀和大小)，A15 和 M2 具有相同的 CPU。A14使用2個(gè)CPU，M1使用4個(gè)CPU，A15使用2個(gè)CPU，M2使用4個(gè)CPU。這張照片清楚地表明，Apple 正在理想地開(kāi)發(fā)一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)(內(nèi)部 IP)，該生態(tài)系統(tǒng)使用在同一家公司內(nèi)花費(fèi)時(shí)間和精力設(shè)計(jì)的資產(chǎn)。筆者也曾在一家半導(dǎo)體廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)過(guò)CPU等多個(gè)IP，但即使在同一家公司內(nèi)，也有很多不同部門(mén)分開(kāi)開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)部IP的徹底轉(zhuǎn)換也在進(jìn)行中。由此可見(jiàn)，蘋(píng)果高度統(tǒng)一。

　　Apple 產(chǎn)品內(nèi)部生產(chǎn)芯片的歷史

　　表 5簡(jiǎn)要總結(jié)了 Apple 產(chǎn)品的“內(nèi)部生產(chǎn)歷史”。雖然沒(méi)有在表中顯示，但蘋(píng)果也在內(nèi)部生產(chǎn)用于耳機(jī)和智能手表的 Wi-Fi 芯片、藍(lán)牙音頻芯片、UWB(超寬帶)通信芯片等。

　　表 5. Apple 產(chǎn)品內(nèi)部生產(chǎn)芯片的歷史 來(lái)源：Techanarie 報(bào)告

　　2010 年，“iPhone 4”的“A4”處理器是內(nèi)部制造的，2020 年，Mac 的 M1 也是內(nèi)部制造的。2022 年，Thunderbolt 也將在內(nèi)部制造。內(nèi)部芯片組肯定在進(jìn)步。

　　作者在日語(yǔ)中將芯片組解釋為“同心圓”。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)擴(kuò)大圍繞處理器的圓圈來(lái)擴(kuò)大覆蓋范圍很重要。從處理器、電源 IC 甚至高速接口開(kāi)始，Apple 無(wú)疑正在擴(kuò)大其同心圓(芯片組)。