大家都知道蘋果有兩大自研芯片系列：面向手機iPhone的A系列（最新款是A16）和面向 MacBook Air、Mac Mini、MacBook Pro、iMac 甚至 iPad Pro芯片的M系列，在性能上分別吊打移動領(lǐng)域王者高通驍龍和PC領(lǐng)域的老牌霸主英特爾/AMD。蘋果是因為什么樣的勇氣，讓自研CPU這么強？

“捅破天”的A16仿生處理器

蘋果每年9月都會舉辦新品發(fā)布會，最亮眼的便是最新iPhone系列發(fā)布。蘋果正在依靠配置和設計差異給新品“分層”，今年的iPhone 14系列沿用了上代iPhone的A15仿生處理器，雖然A15性能也算強勁，但果粉很難忽略它是“上代芯片”的事實，iPhone 14 Pro系列上的A16仿生處理器才是“王炸”。

當我們談論“新iPhone配置升級”，我們主要在談論什么？顯然，最重要的是芯片和拍照。iPhone 14 Pro系列上的A16仿生處理器，性能參數(shù)了解一下：

• 采用臺積電4nm工藝制程，功耗相比A15降低20%，過去大家詬病的發(fā)熱情況應該也能極大改善（參考高通驍龍8+ Gen1）；

• 集成了160億個晶體管，采用6核中央處理器、5核圖形處理器；A16的6核CPU相比A15的性能提升了42%，GPU性能提升了35%，顯存帶寬提升50%；

• NPU擁有16個核心，可實現(xiàn)每秒17萬億次運算……

博主鐘文澤對iPhone 14 Pro系列的A16仿生芯片測試結(jié)果如下：

• 在Geekbench 5中，A16仿生芯片單核1875分，多核5454分，A15仿生芯片單核成績1731，多核成績4758。從成績來看，A16對比上一代A15芯片，雖然有點“擠牙膏”式創(chuàng)新的嫌疑，但遙遙領(lǐng)先安卓陣營，堪稱“捅破天”。

• 作為對比，安卓陣營驍龍8+單核成績不到1400分，多核成績在4300分左右。

此外，A16搭載先進的圖像信號處理器，驅(qū)動四合一像素傳感器帶來廣闊的創(chuàng)作空間，其搭載的神經(jīng)網(wǎng)絡引擎運算能力接近每秒17萬億次，可逐顆像素分析并優(yōu)化照片。值得注意的是，蘋果A16芯片擁有安全隔區(qū)，守護用戶的面容ID數(shù)據(jù)、通訊錄等個人信息安全。

性能炸裂的M1 & M2系列

蘋果自研 M1 芯片于2020 年末發(fā)布，它被塞進了 MacBook Air、Mac Mini、MacBook Pro、iMac 甚至 iPad Pro 里。之后，以 M1 芯片為構(gòu)架基礎(chǔ)的 M1 Pro 與 M1 Max 全面替代了之前蘋果筆記本里的 CPU。在很多性能測試跑下來，不到 1/3 的功耗即可獲得與傳統(tǒng)電腦同樣的性能，讓消費者大贊。2022 年 3 月發(fā)布的 M1 系列的最高型號 M1 Ultra，性能與 Intel 剛剛發(fā)布的 12900K 桌面處理器不分伯仲。

M1芯片在執(zhí)行任務時有哪些優(yōu)勢？

蘋果是從 2004 年起把自家筆記本的 CPU 從 IBM 的 Power 系列換到了 Intel 的酷睿系列，原因是 Intel 的 CPU 的性能功耗比遠超過 IBM。2020 年，蘋果又完全舍棄 Intel，用上了自己的 CPU，原因如出一轍，自研 CPU M1系列在性能功耗上比 Intel 好一大截。

本質(zhì)上，蘋果 M1 系列 CPU 與 Intel 酷睿系列和AMD 的 Zen3 系列，構(gòu)架上高度類似，但為什么 M1 會強那么多？

CPU 在執(zhí)行任務時，會遵循“取指令 - 指令譯碼 - 指令執(zhí)行 - 對內(nèi)存的讀取 - 結(jié)果寫回”這 5 個步驟進行。

• “取指令”這個步驟中，取來的指令會放在一級緩存里，所以如果一級緩存夠大，就有利于 CPU 提高性能。M1 的一級緩存是 192 KB，比 Intel 和 AMD 的 32 KB 大了 5 倍。

• “指令譯碼”是將外部指令翻譯成 CPU 可以看懂的語言。數(shù)量上，M1 設置了 8 個解碼器，Intel 酷睿是 5 個，AMD ?Zen3是 4 個。這 3 款 CPU 內(nèi)部都運行 RISC指令（精簡指令集，每一條的長度、執(zhí)行時間固定，不能太復雜，如果要完成復雜動作，需要堆疊多條 RISC 指令）。而蘋果M1輸入 CPU 的指令 RISC 指令，Intel 酷睿和 AMD Zen3是 X86 指令（CISC指令，復雜指令集，長度不固定、執(zhí)行時間也不固定，可用一條指令執(zhí)行較復雜的任務，而不用堆疊好多條）。顯而易見，Intel 和 AMD 的 CPU 比蘋果M1多出一道把 CISC 翻譯成 RICS的手續(xù)，耗能、耗時間。

• “指令執(zhí)行”的執(zhí)行單元越多，速度越快，整體性能越高。以浮點運算這個當今對性能影響最直接的指標來看，M1、Intel 和 AMD 規(guī)劃了一樣多的資源，2 個 256 bit 的執(zhí)行單元。但寄存器（臨時存放整數(shù)和浮點部分的單元）， M1 更強，是一個 354 + 384 的結(jié)構(gòu)，而 Intel 是 180 + 168，AMD 是 192 + 168。

• 蘋果M1 規(guī)劃了巨大的二級緩存資源，每個核心都布設了 3 MB 的二級緩存。Intel 是每核心 1.25 MB，AMD 是每核心 0.5 MB。二級緩存大，意味著有更多的將被使用的指令可以提前預備好，送進 CPU 的速度更快。M1通過集成更大的緩存降低延遲，而傳統(tǒng)CPU靠讀取內(nèi)存條，速度自然就滿了。

• 蘋果M1拉大了與傳統(tǒng)CPU內(nèi)存帶寬上的差距。M1 Ultra 可以達到 800 GB/s，M1 Pro 和M1是 200 GB，而 Intel 和 AMD 大約只能有 50 GB/s - 60 GB/s。于是，在高清視頻剪輯這種每秒都有幾十 GB 實時數(shù)據(jù)傳遞的任務里，蘋果筆記本的處理效率就非常高。

• 當我們在2022 年 6 月 7 日，蘋果在 WWDC 發(fā)布會上發(fā)布了自己的 M2 處理器。相比 M1 處理器的那次發(fā)布會來說，M2 的影響要小得多。但我們還是可以從 M2 的應用和介紹中，看出蘋果公司的產(chǎn)品思路和半導體行業(yè)的突破方向。

M2處理器的規(guī)格和背后的含義

今年6月，蘋果在 WWDC （全球開發(fā)者大會）上發(fā)布了自研的?M2 處理器。M2 采用臺積電第二代 5nm 工藝，從 N5 工藝升級到 N5P 工藝，在相同的功耗下，第二代比第一代性能強 5%。

這種提升算大還是算小呢？2012 年之前，設計功耗相同的情況下，下一代產(chǎn)品性能提升 25% - 50%；即便在后來性能擠牙膏的年代，下一代比上一代性能提升 10% 是一個及格的門檻。是什么因素讓蘋果有勇氣將不到及格門檻的提升，當作下一代產(chǎn)品發(fā)布？

勇氣來自?M2 處理器的晶體管數(shù)量。M2 的晶體管數(shù)量是 200 億， M1 是 160 億，數(shù)量上提升了 25%。再疊加工藝上 5% 的提升，綜合起來性能比 M1 提升了 18%。

神經(jīng)引擎的數(shù)量，M1 和 M2 都是 16 個核心，但 M2 的速度快了 40%，提升較大，很可能與頻率的提升有關(guān)。

新增加的 40 億個晶體管都增加在哪里了呢？主要是兩方面 ——?圖形核心從 8 個增加到 10 個，提升了 25%；內(nèi)存從 16GB 提升到 24GB。因此，M2 實際上就是擴大版的 M1。

蘋果的發(fā)布會上還提到了，M2 和最新的其他品牌的 10 核心 CPU 相比，在 15 瓦功耗下，性能是對方的 1.9 倍。而如果對比峰值性能，那個 10 核 CPU 功耗在 30 瓦時釋放的性能，對 M2 來說，只需要不到 8 瓦就能實現(xiàn)。聽起來好像是 M2 優(yōu)勢炸裂，但實質(zhì)上這些優(yōu)勢主要源于 M1 的性能提升，M2 相比 M1 來說，只有微小的改進，也就是由那 5% 的工藝改進帶來的提升。而前一代處理器 M1 在能耗表現(xiàn)上為什么那么出色，一是 M 系列處理器不計成本的堆料，從而獲得了超級性能，二是在指令翻譯過程中利用格式統(tǒng)一的優(yōu)點節(jié)省了大量能耗。

蘋果處理器為什們敢不計成本地堆料？

Intel 和 AMD 的CPU一直以來都在比拼最高性能，有時甚至不惜讓功耗增加一倍換來性能 10% 左右的提升。這就導致了一種現(xiàn)象的出現(xiàn)，內(nèi)置Intel/AMD CPU 內(nèi)核的筆記本，插上電源和不插電源的時候，性能會相差 30% - 40%。在插上電源時，系統(tǒng)按最大性能運行；而只用電池續(xù)航時，系統(tǒng)會強制 CPU 和 GPU 以低頻、低壓運行，性能巨幅下降。

使用 M1 構(gòu)架的蘋果筆記本完全不存在這樣的設定，用電池和用電源時的性能都完全一樣，可以不用帶電源適配器，辦公一整天也絕對保證續(xù)航。

CPU 的性能優(yōu)劣，并不是靠在某個環(huán)節(jié)上猛堆料實現(xiàn)的。因為計算過程是一條流水線，線上任何一點的瓶頸都決定了 CPU 的最大性能。M1 比傳統(tǒng) CPU 好就好在，它在任何環(huán)節(jié)都堆了猛料。

一分錢一分貨，蘋果M1 堆料的結(jié)果就是，這顆 CPU 的成本要比 Intel 和 AMD 的貴上幾倍到十幾倍。業(yè)內(nèi)分析，M1 Ultra 的制造成本在 350 美元左右，而 Intel 和 AMD 頂級 CPU 的成本也就只有幾十美元。

為什么蘋果敢做這么貴的 CPU ？本質(zhì)是因為蘋果賣整機而不賣 CPU。

如果 Intel 和 AMD 的CPU制造成本就要 350 美元的話，研發(fā)成本假設按 50 美元/顆計算，總成本就是 400 美元，售價估計直奔 2000 美元。而今天市場上，最暢銷的CPU 型號的售價普遍在 200 - 400 美元之間。所以，Intel 和 AMD 都不會規(guī)劃那么豪華的構(gòu)架。

蘋果高價位只賣整機，5000 - 8000 美元一臺，在最關(guān)鍵部件分配 350 美元成本是合理的。

蘋果處理器的發(fā)展方向

WWCD發(fā)布會上還透露，M2 的進階款，也就是 M2 Pro、M2 Max 會在之后量產(chǎn)，而且工藝會提升到 3nm。臺積電給出的參照是，3nm 對應的N3工藝，它在同功耗下的性能比 N5P 提升 10% - 15%。僅從這一點看，就已經(jīng)是比較可觀的提升了。

只賣成品筆記本、平板或者手機的蘋果，可以通過M1構(gòu)架的不斷堆疊，堆 2 倍、堆 3 倍、堆 7 倍，從移動端到筆記本再到臺式機再到一體機，各種平臺通用。通過大幅度地使用一款基礎(chǔ)產(chǎn)品，通過擴大規(guī)模來平移到各個產(chǎn)品之中，進一步壓縮研發(fā)費用，這一點也只有蘋果可以做到。

我們是否可以期待蘋果的 M 系列處理器的飛躍式的提升嗎？答案似乎是否定的。預測在蘋果的有生之年，處理器的提升將會一直是穩(wěn)步小幅的態(tài)勢。今后的 M2、M3、M4 相比前一代的提升，大約都會與M2較M1的提升類似，成品狀態(tài)下最多提升 25%。當前的蘋果自研CPU是根據(jù)自身需求高度定制化的，其他廠商已經(jīng)全都不能滿足蘋果的要求了。而自研的處理器從 2020 年量產(chǎn)后，就馬上應用到蘋果幾乎全部的主力產(chǎn)品。目前，其他處理器在功耗比上大幅超越蘋果的可能性幾乎沒有，蘋果即沒有市場需求也缺乏自身動力來推動處理器性能大幅提升。

半導體行業(yè)的突破

從蘋果 M2 映射出的半導體行業(yè)工藝改進對處理器性能提升的作用變得越來越小了。在 2012 年之前的五十多年里，整個行業(yè)基本遵循摩爾定律，維持每 18 個月晶體管密度提升 100% 的速度。而 2020 年之后，最好情況是每 18 個月提升 30%，未來，這個提升的速度今后還會越來越慢。留給傳統(tǒng)材料的半導體在工藝上可改進的空間已經(jīng)不多了。

以臺積電為例，從 2020 年末量產(chǎn) 5nm 到 2022 年末量產(chǎn) 3nm，24 個月里，晶體管密度從 1.73 億 / 平方毫米提升到 2.9 億 / 平方毫米，相當于每 18 個月提升 29%。按臺積電的規(guī)劃，2nm 會在 2025 年末量產(chǎn)，相比于 3nm 的 2022 年末正好是 36 個月，2nm 的晶體管密度是 4.9 億 / 平方毫米。從 3nm 升級到 2nm 的速度，相當于每 18 個月提升 34%。這是全球半導體工藝水準最好的臺積電的水平，三星和英特爾的速度低于30%。

半導體行業(yè)飛躍式的突破，只有在換用其他材料做處理器的開關(guān)管后才能發(fā)生。我們期待新一代半導體材料為行業(yè)帶來突破。