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苹果造芯：失败、蛰伏、蓄力，然后打赢所有人

远川研究所2023-02-05

2010年1月，癌症晚期的乔布斯在第一代iPad发布会上，首次向世人展示了苹果自研的A4芯片。这枚45nm制程的芯片由三星代工，内置ARM的Cortex-A8内核，拥有1GHz的运行频率，性能突出。尽管它的历史意义重大，但在长达一个多小时的iPad发布会上，乔布斯对于A4芯片只用了寥寥数语带过，花的时间加起来还不到20秒。这是一种刻意的低调，苹果在发布会前对自研芯片三缄其口，这跟苹果造芯的历史有关...

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Silicon，前者呈现的是张巡守睢阳式的悲壮，后者则更像是一部描写奥德修斯返乡的荷马史诗，两者都或多或少改变了中美科技战的节奏。苹果造芯是一部连续的历史，以A4为界，before和after的故事都玩味：A4之前，苹果是竹篮打水、屡战屡败；A4之后，苹果是神挡杀神、佛挡杀佛，三星、高通、Intel这些全球芯片顶级玩家，或被苹果击败，或被苹果抛弃。这是一个关于商业的故事，但更是一个关于计算机这门“科学”的故事。150美元的蝴蝶翅膀许多年之后，面对M1芯片，史蒂夫·沃兹尼亚克（Steve Wozniak）可能会想起第一次见到Intel 8080的那个遥远的晚上。作为苹果的联合创始人，沃兹尼亚克在1975年——苹果成立前的一年——的“家酿计算机俱乐部”聚会上看到了那个出现在《大众电子》1月刊封面、号称第一台个人计算机的Altair 8800，以及驱动这台电脑的Intel 8080芯片。印有Altair 8800的杂志封面人类自1950年代末进入晶体管和集成电路时代之后，电子计算机的尺寸就在每年以肉眼可见的速度变小。这个进程由年轻的硅谷推动，无数新兴的公司在这片热土上竞赛。到了1970年代，计算机离走入寻常百姓家，只差几层窗户纸了。Altair 8800被公认为点燃了微型计算机革命的火种，它启发了比尔·盖茨和保罗·艾伦推出了微软历史上的第一款产品——BASIC编程语言，也让沃兹尼亚克萌生了自己组装一台计算机的想法，唯一的问题在于：Intel 8080太贵了。一台组装好的Altair 8800售价621美元，但8080散装片就要170美元，沃兹尼亚克形容“比我一个月的房租还贵”，于是他就开始寻找替代品：先是找到了摩托罗拉6800，通过熟人买只要40美元/枚，后来又找到了6800的大牌平替——MOS Technologies公司制造的MOS 6502，20美元就能上车。当沃兹尼亚克把组装好的微型计算机展示给乔布斯的时候，后者大吃一惊，并意识到这可能是一次伟大的商业机会。对于沃兹尼亚克放弃Intel芯片，乔布斯也很满意，他认为“技术只是手段，最终是为了改善消费体验。”这台由20美元廉价芯片驱动的微型计算机，便是苹果第一代产品Apple I。就这样，苹果的故事开始了。这一年，乔布斯20岁，沃兹尼亚克25岁，计算机世界仍由IBM大型机主宰，Altair仍是极客们的玩具，英特尔还在硅周期的首次衰退中艰难生存。两个史蒂夫无法意识到：在芯片上省下的150美元，未来要花千万倍的代价补回来。1977年，苹果推出第一款成熟产品Apple II，销量疯涨。它以漂亮的外观和内置键盘示人，沃兹尼亚克的编程技术和乔布斯的设计审美被体现地淋漓尽致。但这些长板掩盖了一个问题：Apple II 仍然在使用廉价的MOS 6502处理器。而1981年底苹果的Apple III，CPU仍然是这款老旧的6502，而竞争对手IBM已经用上了Intel的8088芯片，性能是当年沃兹尼亚克舍弃的8080的10倍左右。简单对比：MOS 6502晶体管数量只有3000多，而Intel 8088却高达29000。廉价但“够用”的芯片能够让苹果保持极高毛利率，但大前提是硬件不会成为短板，至少不能拖软件的后腿。显然，诞生在1975年的6502芯片难以支持1980年代的计算机，频繁失灵的电路板和缓慢的运行速度最终让Apple III销量惨淡。来自竞争对手的压力也越来越大。1981年，IBM一改平时笨重的身段，推出了使用微软MS-DOS和Intel 8088的兼容个人计算机（又称 IBM PC），获得巨大成功，并把除苹果之外的几乎所有个人计算机厂商都拉进了“微软+Intel”阵营。而那会的Intel还没有转型做牙膏，同期发布芯片性能沿着摩尔定律一日千里，1974年推出8080，1978年推出8086，1982年推出80186和80286，此后便是80386、80486以及划时代的Pentium——其中文名更是成为一整代人的回忆：奔腾。但在早期错过后，以乔布斯的性格很难再重投Intel的怀抱，尤其是Intel已经是敌对阵营的核心骨干。好在那会儿硅谷能跟Intel掰手腕的公司有不少，摩托罗拉就是其中之一。1976年Intel内部正在开发16位的8086，摩托罗拉得知后决定直接干一票儿大的——你既然搞16位，那我就直接上32位。经过4年的研发，1980年摩托罗拉推出了性能强悍的Motorola 68000芯片。Motorola 68000芯片68000芯片又称“68k”，意思是芯片内部有68000个晶体管，它的性能大概是Intel 8086的两倍左右（价格也更贵），因此被广泛用在惠普、Sun、DEC的高端机以及对性能要求高的游戏机上。对于急欲寻求新芯片、又不想委身Intel的乔布斯来说，更是久旱逢甘霖。因此决定苹果命运的新产品Macintosh（也就是第一代的Mac）决定使用68000芯片，项目经理Jef Raskin本来想用性能低但便宜的摩托罗拉6809，但被吃过亏的乔布斯一口否决，并亲自出马把68k的批发价从125美元/枚砍到了35美元/枚。1984年1月24日，一代经典Macintosh正式发布。由《银翼杀手》导演执导的广告“1984”将苹果包装成反IBM奥威尔式统治的反叛者，惊艳了所有人，乔布斯也泪撒发布会现场。Mac的问世，给80年代的PC革命浪潮烙下了最深的印迹。发布第一代Macintosh的乔布斯，1984年68000芯片的确不负众望，其强劲的性能有力支撑了炫丽的图形界面和方便的鼠标操作。但第一代Mac却在其他方面掉了链子，比如内存只有128K，后来升级到512k也仍然不够用（至少需要1000K）。经过发售前期的热销后，曾被赞誉“将计算机技术与艺术完美结合”的Mac就因为其缓慢的运行速度，销量大幅下滑。1985年春，试图罢免CEO斯卡利的乔布斯被后者反将一军，联合董事会赶出了公司。乔布斯走了，但他当时选定的68000芯片却被继续委以重任。从1985年到1994年，Mac的后续版本全部都采用680x0家族芯片，从68000一直到68060。摩托罗拉的680x0家族，也是当时不多地能跟Intel 80x86家族分庭抗礼的势力。没有拜入Intel x86架构的阵营，让苹果避免了沦为给“Intel Inside”打工的角色——这类角色最后被惠普、Dell和联想所扮演。但这一选择也给苹果带来了潜在的隐患：当Intel沿着摩尔定律狂飙的时候，摩托罗拉这条细狗能行吗？事实上，尽管680x0家族芯片在某些性能上不输Intel 80x86家族，但Intel在出货量方面碾压摩托罗拉，而当时的芯片产业基本都是IDM垂直整合模式，设计制造封测一把抓，这种模式存在一个规则：重资产导致的规模经济效应。举一个例子：假如A和B两家芯片公司都生产某类型，A是行业老大B是老二，A生产了100万枚，B生产了30万枚，B的盈利会是A的30%吗？答案是否定的。不但到不了30%，可能连3%都到不了，更有可能的情况是A赚钱，B亏钱。一颗CPU售价可能只有30美元，但固定成本（研发投入和生产线）可能要几亿美金，造的芯片越多，每一枚芯片上分摊的成本才能越低。而Intel x86架构芯片和摩托罗拉680x0家族芯片销量的差距，远比100万枚和30万枚的差距大。这让摩托罗拉越来越难以跟上步伐，新款芯片的开发经常延期，比如原本计划要在1989年发布的68040，前后拖了整整一年，差点儿让苹果的新产品翻车。但苹果又毫无办法，还得小心伺候着摩托罗拉，享尽了受制于人的苦恼。幸运或者不幸，乔布斯已经没机会站在第一线去解决这些难题了。接下来的十年，他将以一个旁观者的身份目睹了苹果陷入了一个疲于应对“Intel+微软”阵营、尝试造芯却又屡战屡败、最终市场份额被步步蚕食的恶性循环。没人知道如果当年沃兹选择Intel会发生什么，但毫无疑问，那省下的150美元，一定是改变了某些历史进程的蝴蝶翅膀。令人绝望的90年代在两个Steve都还在苹果的1981年，同在加州的两个名叫David的人则做了一项影响深远的工作。1981年，加州大学伯克利教授David Patterson和博士生David Ditzel发表了“The Case for a Reduced Instruction Set Computer”这篇论文，其中Reduced Instruction Set Computer中文译名为“精简指令计算机”，取其首字母作为缩略词，便是日后大名鼎鼎的——RISC。David Patterson（左）和Carlo Séquin，1981年有“精简指令计算机”，便有“复杂指令计算机”，即CISC。两者的区别可以简单理解为在采用RISC设计理念的处理器里，指令更短，长度统一，速度更快；而采用CISC设计理念的处理器里的指令大都冗长复杂，运行效率较低。在微处理器刚问世的那个年代（世界上第一款商用微处理器是Intel的4004，于1971年推出），设计者通常都需要绞尽脑汁来平衡成本和性能，指令集设计的缺陷也就顾不上了，因此早期主流的微处理器包括Intel 8080和摩托罗拉 68k，都可以被归类为CISC架构。这就是这篇论文出台的背景。两位作者它们重新定义了一种新的CPU设计方法——RISC，并将任何不满足RISC理念的处理器都归类为CISC。这让Intel十分沮丧，毕竟谁也不想人在家中坐，一顶“复杂”的帽子却从天上来砸了过来。在Intel不爽的同时，一直在试图寻找破局点的苹果却彷佛抓住了救命稻草。在80年代后期，IBM兼容机阵营（IBM、惠普、Dell等）也用上了微软的图形化操作系统——Windows，逐渐把苹果挤到了角落。尽管在桌面出版等几个高端领域仍然强势，但苹果必须不断提高硬件性能来守住最后的一亩三分地，芯片显然是一个好的突破口。而在RISC理念提出后，硅谷积极响应，斯坦福的MIPS、Sun公司的SPARC、DEC的Alpha等项目都取得了一定程度上的成功。这让苹果觉得“我上我也行”，加上摩托罗拉的芯片供应经常翻车，于是苹果管理层大手一挥：自己搞芯片。稳妥起见，苹果选择跟运营商AT&T合作，陆续启动了两个RISC项目：水瓶座（Aquarius）项目和霍比特人（Hobbit）项目，前者想用来替换摩托罗拉68000，作为Mac的主力芯片；后者则想用在正在研发的Newton掌上电脑上面。可惜，苹果毕竟在芯片设计领域毫无经验，而AT&T也早已不是那个凭借贝尔实验室号令天下的AT&T了，两个臭皮匠合在一起凑不出半个诸葛亮，“水瓶座”和“霍比特人”先后铩羽而归，几千万美元的研发经费都打了水漂。在此期间Intel x86架构却继续高歌猛进，甚至虚心学习RISC理念。在水瓶座项目被搁置的1989年，英特尔推出32位的80486，在x86系列芯片中首次使用RISC技术；1993年，英特尔推出奔腾处理器，开始了对CPU市场的长期垄断。苹果将“水瓶座”和“霍比特人”的失败归结于搭档的无能，因此在1990年，苹果选择了更强大的盟友一起造芯——老冤家IBM和老朋友摩托罗拉，三者组成了当年PC产业界最受人关注的“AIM联盟”（Apple、IBM、Motorola）。IBM和摩托罗拉各有各的心思：IBM搞了几年兼容PC机后，发现自己根本卷不过Dell和康柏这种后起之秀，有点后悔自己把PC芯片外包给了Intel；摩托罗拉的诉求则更简单：自己独自对抗Intel，约等于骑着雅迪去追奥迪，实在是扛不住了。新联盟信心十足。IBM很早就开始了RISC技术储备（甚至早于David Patterson提出RISC），80年代更是成功研发了基于RISC的POWER架构高端芯片，在服务器和工作站领域独霸一方。这次合作的计划，就是把POWER架构“下沉”到PC机上。而摩托罗拉虽然不太靠谱，但好歹拥有消费级芯片开发经验，加上苹果当时每年还能卖130万多台（1990年）终端电脑，确保新芯片的采购量能够突破盈亏平衡的规模线。因此AIM联盟决战Intel，可谓是八十万对六十万，优势在我。就这样，AIM联盟于1990年启动，新的芯片被命名为：PowerPC——在IBM原先的POWER一词后加上了“PC”两个字母。第一款芯片PowerPC 601的开发于1991年10月正式开始启动，历经21个月完成，并于1993年7月开始量产。值得一提的是，“换芯”是一项极其复杂的工程，大概要完成三件事：一是重写操作系统的底层代码，工程量浩大；二是搞定代码转化器，确保新芯片能兼容之前的软件；三是为软件开发商提供新的开发工具，并说服他们用起来。在PowerPC 601尚在研发的时候，苹果的工程师就已经在紧锣密鼓地准备，并在芯片量产前成功地完成绝大部分工作。攒下这些“心脏移植”的经验对苹果来说非常重要，因为这虽然是它第一次“换芯”，但绝对不是最后一次。1994年3月，第一代搭载PowerPC芯片的Mac在曼哈顿发布，苹果终于换芯成功，这也意味着摩托罗拉68000系列的谢幕。媒体对此不吝赞美。MacWorld评价：“苹果夺回了8年前失去的性能领先地位”。消费者反馈也非常积极，光是在预售阶段就卖出15万台；1995 年1月，销量突破100万台；而到了1995年年中，Power Mac几乎取代了之前所有搭载摩托罗拉680x0家族芯片的型号。换芯后，苹果频繁拿同期Intel的芯片来做对比：1997年，苹果宣称PowerPC G3性能是同期奔腾II的两倍；1999年，苹果宣称PowerPC G4是同期奔腾III的2.94倍；2003年，苹果宣称PowerPC G5更是吊打奔腾4——这种“遥遥领先”的口气，连余承东老师都直呼内行。Wintel阵营被吓傻了吗？没有。相反，他们的应对策略是：你打你的，我打我的。这种自信来自于哪儿？自信来自产业规律。上一章提到，重资产的IDM模式导致了芯片的规模效应，跟当年鏖战680x0家族时一样，x86芯片在成本方面始终压对方一头，甚至优势还在不断扩大——Intel市占率在1985年是50%，到了1995年则已经超过80%。没有规模，就没有利润；没有利润，就不可能有用来改善产品缺陷的足够资金。PowerPC由于是来自IBM服务器和工作站芯片的“下沉”，不可避免地带有功耗大，发热高的问题，但资金捉襟见肘的AIM联盟始终无法解决。比如号称性能吊打奔腾4的PowerPC G5，功耗极高，发热巨大，苹果不得不重新设计机箱结构才能容纳下巨大的散热器，高配版甚至需要安装一套水冷系统，这让人很多业界人士疯狂嘲讽：这货也好意思称自己是RISC？PowerPC G5芯片所占的巨大体积要说产品缺陷，x86架构的问题一点儿都不少，比如指令复杂，寄存器少，功耗也很高。但Intel凭借强大的资金实力，一手改善架构缺陷，一手狂砸制程工艺，不仅把RISC阵营挡在PC主流之外，还把服务器和HPC（高性能计算机）领域的份额给蚕食殆尽。Intel在PC、数据中心、HPC的市场占有率软件生态更是一道难以逾越的鸿沟。一个故事是：影像软件巨头Adobe靠苹果发家，第一代Photoshop就是只发在Mac系统。1993年Adobe重点转向Windows，乔布斯回归后请求Adobe多给Mac开发一些软件，比如Premiere，结果因为用户太少被当面拒绝，乔布斯至死都没原谅Adobe。90年代的WinTel联盟已经进入到了自我加强的良性循环：出货量大→摊薄CapEx→众多厂商采购→软件生态繁荣→消费者认可→出货量继续大增。PowerPC在凭借IBM的技术家底和RISC的先进性取得一定成果后，还是无法打破这个循环，也无法构建自己的循环。评价一款CPU是否成功主要看三点：架构、制程、软件生态。架构靠先天遗传，制程靠后天努力，软件生态则靠合纵连横。RISC架构的确给了PowerPC一些先天优势，但后面两个的短板实在差距太大，AIM联盟忙活半天，发现自己骑的还是雅迪。难道真的没有破局点了吗？其实是有的。历史告诉我们，再牢固的商业壁垒和护城河，都无法做到千秋万载一统江湖。只不过苹果寻找的破局点，并不在自己身上，而是在于两个当时名气还不大的名字：一个叫台积电，一个叫ARM。而后者，恰恰就是苹果在绝望的90年代埋下的一颗种子。打不过要不就投降？硅谷早已天下闻名，但众所不周知的是，英国有个低配版的硅谷——硅沼（Silicon Fen）。硅沼指的是英国剑桥郡周边的一片区域，因为地处不列颠岛一片沼泽地（Fenlands）的南端，所以起了一个古怪的名字。这里大约等于上海的张江或者深圳的粤海街道，聚集了大批高科技公司，其中最有名的就是成立于1990年的Arm。Arm的诞生跟RISC浪潮也息息相关。早在1983年，Arm公司的前身Acorn Computer受伯克利Patterson教授的RISC论文启发，想设计一款基于RISC理念的芯片，于是便启动了一个名叫Acorn RISC Machine项目，其首字母缩写便是ARM。Acorn公司没有制造能力，便委托美国公司VLSI Technology代工，并在1985年成功出芯。后来苹果的工程师寻找摩托68000的替代品，有一次使用ARM2芯片在模拟68000环境运行Mac软件，发现居然跑得比68000更快，便将ARM列为备选。到80年代末，苹果跟AT&T合作的Hobbit（霍比特人）项目搁浅，于是ARM芯片便成了天坑项目“Newton掌上电脑”的主芯片。苹果想干脆备胎转正吧，于是向Acorn提议成立合资公司，条件是Acorn必须向新公司转让ARM所有知识产权和12名核心员工。Acorn公司店小利薄，自然一口应允，而给ARM芯片代工的VLSI表示也想上车。于是1990年，三家成立合资公司，苹果投资300万美元占股30%（后来上升到43%），新公司叫做Advanced RISC Machine（改了一个单词），缩写还是ARM。跟逐渐陷入困境的苹果相比，ARM公司反而越做越顺，凭借低功耗芯片技术和特殊的商业模式（向其他公司授权芯片架构），ARM公司在1993年便实现了盈利，在1998年完成了上市，股价更是趁着90年代末的科技股泡沫大涨。因此，乔布斯在1997年回归苹果后，惊喜地发现斯卡利居然给他留了这么一份厚礼。乔布斯在被驱逐出苹果的12年（1985-1997）里经历曲折，本文不再赘述。1997年，他创办的NeXT公司被苹果收购，乔布斯以特别顾问的身份回归，此时苹果的PC市场份额已由16%跌至4%。到了1996年，苹果亏损10亿美金，账面现金一度只够维持3个月的运营。而乔布斯也变化巨大。从1985年开始，他见证了苹果的衰落、英特尔的制霸、AIM联盟的挣扎，见证了昔日名气远不如他的盖茨称为世界首富；他经历了父亲的逝世，也拥有了美满的家庭生活，尽管仍然桀骜不驯，但他务实了很多。中年略显发福的乔布斯，1997年比如在重新担任CEO后，乔布斯第一时间就给盖茨打电话，恳求微软给苹果投资1.5亿美金，并继续开发Mac版的Word和Excel。在谈判中乔布斯放低身段，好话说尽，甚至承诺把微软的IE浏览器当作Mac的默认浏览器——任何一个用过IE的人，都明白这有多么屈辱。然后乔布斯大刀阔斧地砍掉了苹果绝大多数的产品线，把型号从几百款压缩到10款以内，并裁掉3000多人。在砍掉的项目里，就包括投入无数资金、但销量极差的“Newton”掌上电脑，也是当时苹果唯一使用ARM芯片的项目。而对于风头正劲的ARM，乔布斯的决定务实到有一些残酷：抛售股票，给苹果救命。并非乔布斯看不到ARM的价值，而是砍掉Newton之后，苹果在ARM擅长的低功耗场景里已经没有任何产品了，而此时苹果最重要的任务是续命，而非继续挑战Intel。最终，苹果通过减持拿到了数亿美元，为自己的研发输血。1998年，苹果发布了突破性的iMac，大获成功，并带动苹果当年成功扭亏，盈利3.09亿美金；2001年，苹果发布了iPod，这款能装1000首歌曲的播放器立即风靡了全世界，到2007年，iPod已经卖出了超过1亿台。苹果彻底新生。处理完生存问题之后，乔布斯才能腾出精力来思考：如何解决Mac越来越严重的芯片问题？如上一章所述，PowerPC芯片在经历了刚诞生时的惊艳之后，便越来越难以招架Intel的x86家族。乔布斯回归之后，跟负责制造PowerPC的摩托罗拉CEO高尔文大吵了一架，在电话里，他终于忍不住骂道：摩托罗拉的芯片烂透了。从那时开始，乔布斯就暗自策划推出AIM联盟。但苹果屡战屡败的造芯经历让他知道，在条件不成熟的情况下再去搞芯片无异自杀。于是他向董事会提出了一个非常务实，但让人大吃一惊的建议：要不然咱买Intel的芯片算了。苹果的董事会讨论了18个月，最终一致同意。跟上次切换到毕竟要论换芯，苹果如果说自己第二，谁敢说第一？而为了卖产品，乔布斯还不得不继续厚着脸皮在公开场合尬吹PowerPC的芯片，比如在2003年他评价即将发布的PowerPC G5时说道：“PowerPC G5让我们拥有了全球最快的桌面计算机……这是我们（跟IBM和摩托罗拉）长期、高效合作的开端。”但芯片问题已经没法再拖下去了。2001年初苹果发布搭载PowerPC G4芯片的PowerBook，之后5年都没能升级过芯片（Intel阵营每年都升级），销量一年比一年差，原因就是后续的PowerPC G5芯片因为散热问题，死活装不进去。从2004开始，苹果开始自己历史上的第二次换芯。Intel的CEO欧德宁（Paul Otellini）举双脚赞成。毕竟长期作为反Wintel阵营的旗手级人物，乔布斯宣布采用Intel芯片，约等于董明珠某天宣布格力要从美的方洪波那里买空调压缩机。Intel派出一支精干团队与苹果合作，在6个月的期限内成功完成了所有底层操作系统的代码修改工作。而苹果的工程师也开发了一款名叫Rosetta的翻译器，确保PowerPC上的软件能够在基于Intel x86芯片的Mac上平滑运行。2005年，乔布斯公开宣布Mac将转投Intel阵营，部分追随多年的果粉十分愤怒；而等到2006年1月乔布斯终于发布了基于Intel新品的iMac和Macbook Pro时，当看到Macbook Pro相比之前的PowerBook性能提升5倍、续航提升2小时的时候，发布会瞬间又变成大型真香现场。苹果第二次换芯成功了，十年后有媒体评价：乔布斯转向Intel，是苹果最成功的冒险之一。Intel CEO欧德宁向乔布斯交付芯片，2006年命运多舛的AIM联盟终于解散了，在2004年就听到风声的摩托罗拉干脆退出了芯片业务，把资产打包剥离出来成立了Freescale（飞思卡尔），专注于汽车和嵌入式市场。而IBM也把PowerPC的部分资产卖掉，保留了给游戏机用的芯片产品线——那是另外一个故事了。解决了芯片“卡脖子”问题的苹果，在桌面计算机市场（台式机+笔记本）的占有率不断回升，2007年已经超过了10%，而后面的故事就耳熟能详了：乔布斯在2007年发布了iPhone，苹果彻底走上神坛，一步步成为全球市值最大公司。在初代iPhone研发时，乔布斯曾想趁热打铁，劝说Intel为苹果开发移动芯片——那会的Intel还没来得及向世界展示他们在移动领域的惊人无能。但因为价格没谈拢，欧德宁事后回忆：谁能想到他搞的这款手机销量会是（预计的）100倍？于是苹果转向三星。第一代iPhone使用的是三星的S5L8900芯片——严格上讲这不是一款芯片，而是一个SoC片上系统（System on Chip），由一个ARM架构芯片和一个PowerVR芯片组成，采用90nm工艺，勉强够用。*为了读者通俗理解，我们后面仍然用芯片来指代SoC。三星的半导体业务发轫于90年代，由二代李健熙亲自布局，通过“反周期定律”一步步变成全球存储芯片的老大。2006年三星进入芯片代工领域，在技术上迅速追上台积电，并通过自研的S5L8900芯片吃下成为iPhone芯片的唯一供应商。但吃过单一供应商大亏的乔布斯，心中有一个挥之不去的隐忧，那就是：万一三星变成第二个摩托罗拉和IBM怎么办？而在2007年的iPhone发布会上，乔布斯就引用了Alan Kay的一句话：真正在意软件的人，应该自己造硬件。Alan Kay是谁？他是图灵奖获得者，是面向对象编程的发明者，他在施乐PARC领导开发了历史上第一个用户图形界面，直接启发了乔布斯的Macintosh和盖茨的Windows。援引Alan Kay的话，是不是意味着乔布斯又悟出了新的启发？也许，是时候彻底解决芯片问题了。但问题是：苹果经历了如此漫长的芯酸往事，这次会不一样吗？英雄集齐不问出处在巨头几乎垄断的背景下，一个新的芯片体系要想造得出、卖得好、用得爽，需要一个前提+三个条件。一个前提就是：IDM模式造成的高门槛，必须被某种方式所降低甚至瓦解。如前文所属，摩托罗拉680x0家族和PowerPC最后都是败给了“重资产的规模效应”这条产业规律，如果这堵高墙仍然横亘在新玩家的面前，新的芯片体系很难成功。打破这堵高墙的，就是晶圆代工（Foundry）模式，尤其是进入到2000年之后，台积电和三星等公司成功缩小了跟Intel之间的差距，让之前认可度一般的晶圆代工模式不断壮大，IDM一统江湖的现状被打破，产业链出现了分工，大幅度降低了新进入者的门槛。还是用第一章的例子：假如A和B都生产同一类芯片，A生产100万枚B生产30万枚，如果两者都是IDM模式，那么B的成本永远都比A高的多。但如果B找C去代工，C可以让B跟同一制程的客户比如D、E、F等一起分摊固定成本，那么B的成本就可能跟A接近甚至打平。而ARM的崛起又进一步拉低了新进入者的成本。相比制造而言，芯片的设计环节虽然花钱少一些，但如果从头开始设计一套新的CPU架构耗资巨大且成功率很低。而ARM的授权模式和良心收费，帮助想拥有自己芯片的企业大幅降低了设计成本，进一步拉低门槛。简单总结：就是IDM模式=设计+制造+封测，被拆解分工后，ARM帮你拉低设计成本，台积电帮你拉低制造成本，封测又转移到大陆成本降到低无可低，这样即使苹果芯片的量只有Intel的5%，单个芯片的成本也不会比Intel高太多，甚至有可能打平。于是，当台积电和ARM在2000年后成功重构了产业链后，大量新兴的Fabless（无晶圆厂）芯片公司崛起，高通借助ARM的授权开始进入芯片领域，英伟达依靠台积电的代工做出了第一代GeForce显卡，甚至连AMD最后都卖掉工厂，全靠代工才跟Intel拼到现在。苹果重返造芯的一个前提有了，三个条件是什么？一是资金，二是客户，三是团队。第一是资金。产业链重构之后，造芯所需的资金其实丰俭由人，你搞一款90nm的嵌入式芯片，几百万就能上车；但如果你要搞复杂的处理器芯片（也是苹果想做的），没有10亿美金基本别想动工。当然对发布iPhone后的苹果来说，门槛两个字怎么写他们已经忘了。第二是客户。芯片造出来是第一步，卖出去是第二步，在用的过程中发现问题反馈迭代是第三步，后两者都需要愿意舍命陪你跳坑的客户。这样的客户比熊猫还稀缺，尤其是消费电子市场，芯片的一个翻车可能就万劫不复。苹果和华为，在这方面都有天然优势。第三是团队。芯片越往上设计，就越离计算机、半导体、数学这几门科学越近，要做出处理器级别的芯片，不光需要顶级的工程师，更需要顶级的科学家。而在计算机和半导体的发源地硅谷，这些人才虽然不能说遍地都是，但绝对比全世界任何一个地方都多。正在做耐久性测试的苹果芯片，2018年苹果在决定造芯之后，立马就开始了顶级人才——或者说是顶级大神的搜罗工作。首先加入团队的是人称“大D哥”的Daniel Dobberpuhl。他曾在DEC先后领导过两个著名RISC项目——Alpha和StronARM。Alpha芯片曾在工作站和服务器领域光芒四射，虽然最终还是不敌Intel，但它影响深远，你甚至能在神威太湖之光上看到它的些许影子。StrongARM最后也是差不多同样结局，最后被DEC连同大D哥本人一起卖给了Intel。Dobberpuh在Intel没待几天就离职创办了SiByte，主攻MIPS架构芯片，发展迅猛，几年后这家只有120个人的公司就被Broadcom以20亿美元的天价收购，大D哥彻底财务自由。2003年，Dobberpuh又双叒离职，创办了PA Semi，转而搞PowerPC架构的芯片。到了2008年，已经在筹划造芯的苹果收购了PA Semi。此时苹果芯片团队只有40人，PA Semi一下子就带来了150多人，大大加强了团队板凳深度。早在收购PA Semi之前，苹果就已经把这家公司里的另一位大神Jim Keller给挖了过来。Dobberpuh擅长连续创业，Jim Keller的传统艺能则是疯狂跳槽，DEC、苹果、AMD、Intel、特斯拉都待过，但每个地方他都留下了传奇作品——比如重振AMD雄风的Zen处理器。最后一位大神，是苹果从IBM挖来的Johny Srouji。阿拉伯裔的Johny Srouji出生于以色列，父亲是一名木匠，他从小学习成绩优异，考入了被誉为“中东MIT”的以色列理工学院，精通希伯来语、阿拉伯语、法语和英语。毕业后他加入IBM在以色列的研发中心。库克和Johny Srouji（左二）在IBM暂露头角后，Johny Srouji被Intel挖走，工作八年后又被IBM反挖回去，负责高性能计算芯片POWER7的研发。几个来回之后，他成为半导体届一颗冉冉升起的新星。苹果硬件负责人Bob Mansfield向乔布斯极力推荐Johny Srouji，乔布斯果断雇佣了他。还是那句话：一个人的命运当然要靠自我奋斗，但是也要考虑历史进程。苹果芯片团队中大多数人的职业生涯都奉献给了命运多舛的RISC，但在向Intel x86帝国冲塔的过程中，基本上是败多胜少。这些人跟苹果一样，终于等到了产业生态出现剧烈变化这一刻。诸多大神归位，Johny Srouji被任命为整个芯片团队的头。他后来回忆乔布斯对他讲的一段话[]：“如果要让苹果真正脱颖而，出给用户提供真正独特和伟大的产品，唯一的方法就是拥有自己的芯片——你必须控制并拥有它。”一款新的处理器从设计到量产，至少需要几年的时间。因此初代iPhone的后续型号——包括2008年的iPhone 3G和2009年的iPhone 3GS仍然使用三星的芯片。同时，苹果的收购仍然继续，计划中的最后一块拼图，是一家位于德克萨斯州的名叫Intrinsity的公司。这家公司擅长一种名叫Fast14的技术，能够将ARM提供的通用内核从650MHz加速到1GHz。三星在2009年宣布跟Intrinsity合作，用他们的技术打造出了“蜂鸟”内核和S5PC110芯片——这款芯片搭载到了三星第一代Galaxy S手机上，全球大卖，成为iPhone最早的挑战者。在意识到Intrinsity的价值之后，苹果抢先三星一步把Intrinsity收入囊中，这导致三星以后再也不能使用Intrinsity的技术了。而2010年也是三星和苹果分道扬镳的开始——三星自诩安卓阵营老大，已经跟iPhone全面开战，而苹果在屏幕、闪存和芯片方面却仍然要依靠三星，只能咬着牙忍气吞声。在两家貌合神离、合作暗流涌动的背景下，苹果第一代自研芯片A4在2010年1月发布了，这便有了本文开头的场景。苹果自家的团队在A4上的贡献其实并不大，A4大部分设计工作由三星和Intrinsity完成，跟三星的S5PC110芯片其实是同卵双胞胎。因此，当一些拆解机构对A4的裸片进行显微拍照和红外成像后，发现苹果号称的自研跟S5PC110内核相同时，嘲讽铺天盖地袭来。A4 和S5PC110对比，ARM内核几乎一致但Johny Srouji和团队几乎没有受到任何影响，而Intrinsity公司100多人团队的加入又让苹果如虎添翼。几只不同背景的队伍汇聚在一起，他们把重点放在了A5之上，并为了能让A5搭上计划在2011年发布的iPhone4S而争分夺秒。而在另一厢，乔布斯让库克派出了手下大将、运营副总裁Jeff Williams秘密前往台湾接洽台积电，张忠谋亲自在家里接待，双方喝着红酒达成协议：苹果未来将把芯片代工的订单转移给台积电，台积电则保证准备90亿美元建厂资金和6000个工人，以确保产能。很快，全世界都将目睹苹果芯片团队神挡杀神、佛挡杀佛的震撼过程。神挡杀神，佛挡杀佛从繁华的以色列特拉维夫驾车向北，穿过咸湿的海风，不出30公里就能抵达沐浴在地中海阳光里的Herzliya市。这里远离加沙和约旦河西岸，你几乎不会在天空上看到“铁穹”拦截哈马斯火箭时划过的白烟。人们享受着白色的沙滩、密集的咖啡馆和葱郁的林荫大道，生活方式不像中东而更像加州，在这座安静的小城里，有超过1000名员工正在为苹果研发芯片。苹果位于Herzliya的研发中心苹果在以色列部署一支庞大的军团，一方面跟Johny Srouji是以色列人有关，一方面也是因为以色列本身就是半导体人才的富矿。苹果从2011年开始便通过招募和收购的方式，在这个离硅谷1.2万公里的地方建立起了海外第二大研发中心，几乎都是芯片相关。人们很难在叙利亚内战和ISIS崛起这些黎凡特地区新闻里找到苹果造芯的蛛丝马迹，而苹果的缄默也让Johny Srouji的团队变得神神秘秘，他本人更是极少接受采访。后来彭博在2016年终于拿到专访机会，标题就很直接[10]：那个你从来都没听说过，但又最重要的苹果高管。其实这种刻意除了增加流言和猜测外，并没有起到“低调”的效果——因为A系列芯片的强悍性能，已经砸到所有人脸上了。2010年的A4贬褒不一，但2011年的A5和2012年的A6这两款双核芯片，就已经在性能上对齐同期安卓机皇的四核芯片。2013年，苹果率先推出全球首款64位处理器A7，将仍处在32位时代的高通、三星远远抛在身后，移动SoC自此进入64位时代。要想看懂苹果芯片，需要先了解一些事实：ARM这家公司其实卖两种东西，一类叫“架构许可”，客户可以根据指令集架构设计自己的内核；一种叫“公版内核”，就是ARM帮你设计好的内核，客户买回家整合到自己芯片里就行。用一个未必恰当的类比：“架构许可”好比卖食材，ARM帮你洗好剥净，你不用搞个菜园自己种了（拉低芯片设计成本），但最后菜好不好吃还得看你煎炸烹煮的水平；而后者则是用上述食材做好的预制菜，回家放点儿葱花简单烹饪一下，很快就能凑出一桌酒席。当然，“预制菜”听起来简单，但全世界能做好的也不多，敢于尝试自己下厨开发私版内核的人更少，比如ARMv8的“架构许可”全球仅有15家客户。苹果的A4和A5上都是买公版内核，等于吃了两年的“预制菜”，而从iPhone5搭载的A6芯片开始，苹果就想自己下厨了。Johny Srouji的团队先是推出了基于ARMv7架构的Swift内核，让A6备受好评；ARM在2011年底又发布了新的ARMv8架构，苹果全力冲刺在12个月之内就搞出了基于新架构的Cyclone（旋风）内核，搭载新内核的A7成为全球首款64位处理器，拉下高通和三星一大截。之后的故事便耳熟能详，从A7到去年发布的A16，苹果A系列芯片基本都对安卓阵营的同级芯片形成碾压。由A系列锤炼出来的芯片设计能力，不出意外地“溢出”到苹果其他的硬件创新上。2014年，苹果发布第一代Apple Watch，搭载地就是苹果自研的S系列芯片；2016年，苹果发布第一代Airpods，搭载的是自研的W系列芯片（后被H系列取代）。Airpods是芯片推动硬件创新的典范。在Airpods出现之前，市面上大多数产品都需要用实线连接两只耳机，而苹果通过W1芯片实现了蓝牙信号监听，消灭了累赘的传输线，并大幅提升了延迟、降噪、续航等方面的体验，基本上重新定义了“无线蓝牙耳机”这个产品。到了2018年，内功突飞猛进的苹果终于做了一个惊天动地的决定：把枪口重新对准Intel。这恐怕是半导体产业诞生以来最难啃的硬骨头。如前文所述，Intel在诞生的半个世纪里纵横捭阖，脚下全是挑战者的尸骨。x86帝国不仅在PC机上接近垄断，在服务器和高性能计算机（HPC）领域也把RISC阵营挤出市场。苹果既然敢去在此挑战Intel，就肯定不会打无准备之仗。事实上，经过多年的闷声大发展，Johny Srouji团队的人数已经超过4000人，战斗力爆表，更重要的是，A系列的很多技术都能跟M系列（苹果桌面级芯片的代号）通用。比如苹果基于ARMv8架构设计了Firestorm（火风暴）和Icestorm（冰风暴）两个名字炫酷的内核，前者性能高，后者能耗小，2020年9月发布的A14芯片就用上了这两款内核（2+4），而2020年11月发布的M1芯片也同样用上了（4+4）。当然，设计桌面级芯片复杂度要比手机芯片大得多，翻车的概率也很大。因此当苹果把换芯的决定告知了Intel，后者大感惊愕之余提示风险，苹果表示“我们不是第一次（换芯片）了”，并频繁地对外抱怨Intel挤牙膏式的产品升级，像极了在演一部电影：分手的决心。不满Intel挤牙膏的不光苹果，很多Wintel阵营的用户也暗自希望Intel能有点儿压力；那些见识过苹果A系列芯片辗压级战斗力的果粉，自然无比期待；对于半导体行业的观察者来说，此事更是意义重大——晋西北好久没打成一锅粥了，你李云龙闹得越大越好。2020年11月，库克发布了搭载M1芯片的Macbook Pro。在展示M1性能的那一刻，所有芯片玩家都屏住了呼吸。M1总共有160亿晶体管，它把8核CPU（4大4小）、8核GPU、图像处理单元 (ISP)、神经网络单元等都集成在一个硅基SoC上，通过统一内存技术大幅提升内部通信带宽，单核和多核的性能可以简单理解为介于Intel的i7和i9之间。M1的强悍性能到了让Intel看了沉默、AMD看了流泪的地步，甚至苹果内部高管也被M1的性能所惊讶。发布会结束之后，苹果软件负责人Craig Federighi和硬件负责人John Ternus接受采访直言[11]：苹果自己都没能预料M1芯片会带来如此大的进步。苹果高管或许还有王婆卖瓜的嫌疑，但Macbook的销量不会骗人：2021年，笔记本销量因为疫情大涨，但Macbook增长最快，市场占有率超过10%，份额扩大了24%；2022年疫情退潮，在全球笔记本销量下滑的背景下，Macbook继续增长，份额已经达到了14%。M1之后，Johny Srouji的团队继续攻城拔寨，陆续推出了M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra和M2芯片，逐步其他苹果桌面设备的Intel芯片换掉。Johny Srouji也开始走向前台，频繁现身苹果发布会，甚至一度有传言说他会去接任Intel的CEO。尽管苹果不会对外出售M系芯片跟Intel直接开战，但两家公司纠缠30年的角力，终于画上了句号。不光是Intel，苹果跟几乎所有半导体巨擘发生都过交集：它抛弃了IBM和摩托罗拉，直接导致两者退出了芯片领域；它割席了三星，并扶持了它的对手台积电；它压制了高通，让所有安卓机皇都不敢妄言跟A系列芯片比肩……一部苹果造芯记，半本硅谷崛起史。回头来看，苹果造芯的这场逆袭是如此地漫长，以至于这个故事差不多囊括了大部分硅谷的风云人物和事件——从集成电路的起源到个人计算机的革命、从Wintel联盟的制霸到RISC阵营的反击、从ARM的诞生到台积电的崛起……一场奥德修斯式的返乡故事，能够带给我们什么启示呢？启示录如果单纯只问苹果造芯的故事有什么参考意义，那么答案也很简单：几乎没有任何参考意义。苹果是一家跟硅谷同频起飞的公司，它的历史本身就是硅谷的一部分。土生土长的硅谷本地人乔布斯跟很多教科书里的芯片大神私交甚笃，比如仙童和Intel的创始人罗伯特·诺伊斯甚至对妻子这样开玩笑：如果乔布斯再这么晚给我打电话，我会杀了他。前文所述造芯的“一个前提和三个条件”，除了“前提”外，单拎出来资金（利润率和资金储备）、团队（人才密度和号召力）和客户（市占率和用户粘性），再加上创始人的特质，你就会发现苹果的成功不但中国公司复制不了，美国也没有第二个公司能复制。如果说这部爽文能有什么启发的话，那笔者提一个没那么宏大澎湃的角度：计算机和芯片是“产业”，但更是“科学”。苹果造芯这个故事的“明线”，是一家消费电子公司如何隐忍如何爆发最后了解恩怨；而“暗线”则是CISC和RISC两种不同的芯片设计理念三十年的相互缠斗——这种缠斗本质上是计算机体系结构（Computer Architecture）这门“科学”的发展在“产业”上的延伸。什么能表征产业？产值、利税、市占率、就业人口。什么能表征科学？理论、定律、思想、底层突破。计算机和芯片当然是产业，但更是两门诞生不到100年、还在演化和突破的科学，而苹果故事里的要素提醒了我们一个事实：美国是这两门科学发源的地方。组成计算机和芯片这两门科学的大厦的，是晶体管、集成电路、Unix、编译器、以太网、GUI（用户图形界面）、RISC、数据库、TCP/IP、面向对象编程、激光打印、人工智能、浮点计算、神经网络、机器学习……它们几乎都出现在美国。产业容易转移，但科学却不容易转移，或者说科学无法转移，只能通过悉心培育科学精神，才能在自己的土地上开花结果。美国虽然很多产业被转移出去，但仍然把控着计算机和芯片科学的创新，而至今70多位ACM图灵奖的获得者，也几乎全部都是美国人。理解这个，就容易解答很多人的疑问：为何我产业规模如此大了，还这么容易被卡脖子？当然，考虑到起点，能先把产业做起来已属不易。毕竟当苹果成立的时候，四人帮还在台上。1984年洛杉矶奥运会，西方的记者都用上了IBM的PC机，中国记者却只有纸和笔，法新社写道：“在全世界报道奥运会的7000名记者中，只有中国人用手写他们的报道。”在经济突飞猛进的四十多年里，无论是大型企业的掌门人，还是十八线城市的科长，都习惯了用“产业”的思维来考虑问题。就像2014年杨元庆对话马斯克，前者问后者：2013年联想一共售出了1.15亿台设备，特斯拉卖了几辆车？产值、规模、市占率这些参数，的确有很重要的意义，但不应该被它们遮蔽掉最应该去关注的问题。在过去，太多企业热衷搞规模，热衷堆人头，热衷价格战，在取得一定成绩之后，却又不敢沿着链条向上攀登，反而仍沉浸在低质量的零和博弈里。产业思维重要吗？当然重要，对发展中国家来说意义再怎么强调也不为过。但对于一个正在向上攀援的“吃劲”国家，科学的思维绝对不能缺失。而最近这些年，往往有一个普遍现象：硬骨头很少有人啃，看起来容易的情却一堆人来卷。站稳脚跟的中国科技公司，全社会都应该鼓励他们把精力投入到前沿科学的突破中去，而不是催促他们去植树和捐款。而它们自己，也不应该被那些规模指标所迷惑——富可敌国如苹果，都在花三十年磨一剑，更何况利润率往往只有个位数的诸位呢？中国这些年出现了越来越多靠“科技”来赚钱的公司，在全球产业链上建立了话语权，但在卡脖子的当下，人们不免发出这样的感叹：要是像xxx这样的企业再多一些就好了。穿透一些令人沸腾的数据，我们往往发现很多产业的差距仍然巨大。知己知彼，重要的知己。套用范志毅在国足输给泰国后讲的一句话：“务实一点，把这个足球的理念先搞懂。”对于中国的很多产业来说，要搞懂的东西的确太多太多了，所有的产业参与者，都需要耐心、耐心、再耐心。","kind":null,"is_publish_news":true,"is_publish_highlight":true,"is_publish_live":false,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"0","news_tag":"","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":1},"commentList":[],"hasMoreComments":false,"newsSizeData":{"likeSize":4,"commentSize":0,"repostSize":0,"favoriteSize":4,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false}}