半导体行业观察 · 5月15日 · 安徽

苹果芯片,也没办法

在苹果M3芯片发布的半年后,继任者M4突然闯入了大家的视线中,虽然是用在iPad Pro上的处理器,但性能提升一点也不算小。

根据苹果的说法,M4对比M2,CPU提升50%,GPU整体渲染提升了4倍,还能在功耗减半的情况下提供同等性能,总之又是一次苹果式的性能飞跃。

但苹果却有意无意地忽略了M3——这款可能是苹果最短命的处理器。上一款寿命如此短暂的苹果处理器可能还要追溯到A5X,这款处理器在2012年3月发售的iPad 3上首发,当年10月就宣布了搭载了A6X的iPad 4,实际寿命只有短短的7个月。

M3如今面临着和当初A5X一样的窘境,强大性能向来是消费者换机的最大动力之一,但在短短半年后,苹果就推出了更强更好的产品,最新的处理器眨眼就变成了次新的处理器,这样的迭代速度未免也有些太快了。

一个更致命的问题已经被抛出来:苹果的自研芯片,还有多少胜算?

“无疾而终”的M3

去年下半年MacBook发布会上,苹果公布了采用3nm工艺的M3系列芯片,这也是首款采用3nm的M系列芯片,在发布会上,苹果也是猛吹了一波性能参数:

苹果表示,M3 芯片搭载 250 亿个晶体管——比 M2 多 50 亿个,配备采用新一代架构的 10 核图形处理器,带来比 M1 快达 65% 的图形处理性能,搭载 8 核中央处理器,包含 4 个性能核心和 4 个能效核心,与 M1 相比,可实现最高达 35% 的中央处理器性能提升,还支持最高可达 24GB 的统一内存。

M3 Pro 芯片搭载 370 亿个晶体管和一块 18 核图形处理器,与 M1 Pro 相比,图形处理器带来的速度提升最高可达 40%。对统一内存的支持提高到最高 36GB,。12 核中央处理器设计由 6 个性能核心和 6 个能效核心构成,与 M1 Pro 相比,可实现最高达 30% 的单线程性能提升。

M3 Max 芯片中的晶体管数量增加到 920 亿个, 40 核图形处理器比 M1 Max 速度最快达 50% ,还支持最高达 128GB 的统一内存, 16 核中央处理器搭载 12 个性能核心和 4 个能效核心,速度比 M1 Max 提升多达 80%。

从苹果的描述中我们可以发现,苹果在极力避免M3和M2芯片的直接性能对比,这是一件让人匪夷所思的事情,毕竟最早的M1芯片是2020年发布,2023年的芯片在升级了工艺与核心的情况下和M1系列做比较,只能说有些胜之不武了。

那么苹果为什么会在明知性能提升不大的情况下,还要推出M3芯片和对应的MacBook呢?

答案倒也很简单,就是上一代M2芯片的Mac产品销量表现过于惨淡了。

据The Elec报道,由于 PC 市场严重低迷,Mac 销量“直线下降”,苹果在2023年 1 月份完全暂停了M2 系列处理器的生产。

与A系列芯片采用扇出晶圆级封装(FO-WLP)封装,台积电称之为InFO(Integrated Fan Out)不同,M2芯片的最终加工采用的是通用倒装芯片封装工艺。一旦台积电完成预处理过程,晶圆加工产品将被送往Amkor的韩国工厂进行封装工作。而在2023年1月和2月,台积电并未送达这部分产品,产线也闲置了两个月,知情人士表示,虽然自3月以来晶圆已经陆续抵达,但数量仅为往年的一半。

苹果CEO库克也在在2023 年第一季度财报电话会议上承认,苹果在 PC 市场面临“充满挑战”的局面。“这个行业正在萎缩,”库克说,“苹果的份额较低,但我们在苹果芯片方面拥有竞争优势,因此从战略上讲,苹果在市场中处于有利地位,但短期内会有点困难。”

为了挽救搭载M2的Mac产品缺少竞争力的局面,苹果的选择是在2023年底推出用上3nm工艺的M3芯片,以及对应的MacBook。

但当苹果下定决心要在2023年就推出3nm工艺的Mac时,它遇到了新的问题——台积电的N3B工艺。

台积电在N3节点上经历了一场漫长噩梦。最初的N3即N3B,有25 个 EUV 层,几乎是 N5 的两倍,这也导致其生产难度很大,而且价格昂贵,考虑到性能、功率和密度方面的改进乏善可陈,大多数客户都不愿意支付高昂的费用。

N3 出现的问题,最终导致台积电错过了主要工艺节点的2 年升级周期,N3B最终在 2022 年第四季度投产,而N3E 则要等到 2023 年中后期投产,这不仅导致了苹果被迫延期芯片计划——其原计划在2022年iPhone上采用N3工艺,很多客户也在N3B上打起了退堂鼓,诸如Zen 5、英特尔GPU和博通定制ASIC等产品,要么继续用N5,要么转向N3E这一后续改进工艺。

事实上,除了苹果的M3系列和A17 Pro外,几乎没有厂商愿意用台积电的N3B工艺,这也为苹果和台积电之间的甜心交易(Sweetheart deal)埋下了伏笔。

2023年8月,国外科技媒体 The Information爆料称,苹果向台积电下单巨额3nm芯片订单,但要求未合格芯片需台积电承担,台积电 3nm 初期的良率大约在 70% 左右,苹果达成这样的协议后,可以节省数十亿美元。

这也形成了一道奇异的风景线,一方面是台积电的3nm独步于天下,另一方面苹果却不愿意为不合格的晶圆多付钱,与其说是苹果强硬要求,倒不如说是台积电半推半就,让苹果在N3B上形成了事实上的独占。

这种情况不禁让我们回想起了台积电的N10和N20这两个同样短命的工艺。

当时,台积电16nm/20nm制程在经历了2016年第四季度的峰值之后,有部分客户在2017年转移到了10nm上,其中包括华为海思的麒麟970,苹果的A11与A10X,其中A11是台积电10nm的主要客户。

但除了这两位外,就鲜少能听到采用10nm的台积电客户了,10nm一度在台积电财报中达到了11%的营收占比,但在2017年后,这一比例迅速下降,7nm工艺成为了更多厂商的选择。

至于台积电的20nm,更是一项臭名昭著的工艺,虽然不少处理器都用了这一工艺,如高通骁龙810、苹果A8、英伟达Tegra X1、联发科Helio X20等,但无一例外遇到了发热严重,功耗失控的问题,让大家体验了一把当初“台漏电”的恐怖。

20nm之差劲,客户要么快速迁移到接下来的16nm节点上,要么勉为其难地用回了28nm工艺,2015年不仅让手机和处理器厂商如坐针毡,也让台积电经历了至暗时刻。

如今再看台积电的N3B,大概率也会步N10和N20的后尘。根据WikiChip的说法,N3 节点似乎是一个一次性节点,台积电的工程师们在前进的道路上遇到了一些障碍,于是决定中途改变,从高层次来看,N3B具有不同的 PPA,以及该公司声称旨在提高产量的 “截然不同”的设计规则,结果就是后续的N3E 不会提供任何从 N3B 直接迁移的路径,最终 N3B 成为了设计人员的死结,这也是为什么台积电希望大多数客户使用 N3E 的原因。

问题来了,为什么台积电要特意推出一个N3B呢?简单的解释是,台积电只是为了实现对苹果这样的早期技术采用者的承诺,在今年结束后,或许N3B这一工艺就会淡出大家的视线。

当然,不止是N3B,还有用了N3B的苹果M3系列和A17 Pro,在决定采用这一短命工艺后,苹果可能早就预见了这些处理器的结局。

乏善可陈的M4

回想2020年时,苹果首款自研Mac处理器的登场之时,在科技圈与半导体圈里刮起了一场旋风,曾经不可一世的英特尔居然被苹果踢出了局,当时所有媒体都在盘点苹果从A4开始的自研之路,人人都在写苹果逆袭打破垄断的爽文。

这是苹果历史上最辉煌的时刻之一,有人列举了苹果Mac从摩托罗拉68000平台换至Power PC平台,再转至英特尔x86平台,如今选择自研的ARM的平台,试图以此来证明了一个新时代的开启。

2021 年第一季度,受疫情等因素影响,PC 行业的整体出货量同比增长了 55% ,而苹果的Mac 销量更是迎来了惊人的 111.5% 增长。在2020到2022这三年里,Windows PC市场增长6%,Mac市场却增长了60%,2022年Mac市场份额更是突破10%,达到10.8%,在苹果的大本营——美国市场中,Mac的份额还要更高一些,在2022年第四季度达到了17%。

但好消息全部都留在了逝去的三年里,从2023年初开始,苹果Mac就开始了跌跌不休:2023年Q1,Mac全球出货量481.9万台,市场份额8.7%,同比下滑34.2%;Q2,Mac全球出货量529.3万台,市场份额8.9%,同比下滑0.3%;Q3,Mac全球出货量626.6万台,市场份额9.7%,同比下滑24.2%。

在苹果2023年第三季度的财报会议中,苹果首席财务官卢卡・马埃斯特里(Luca Maestri)将Mac销量下滑归咎于过于激烈的市场竞争,以及2022年被压抑的销量释放,导致比例数据过高。

苹果CEO对CNBC表示,预计 Mac 的市场表现将在圣诞购物季期间有所改善,他认为由于苹果推出了 M3 系列芯片,以及搭载该芯片的 Mac 新品,Mac 业务在2023年第四季度会有明显好转。

不过很可惜,老谋深算的库克这一次也失算了,根据苹果2024年第一财季的财报,该季来自于Mac的营收为77.35亿美元,上一年同期为108.52亿美元,远低于分析师此前预期的96.3亿美元。

M3没带动Mac销量,出乎分析师和苹果高管的意料,也让M3 MacBook站在了风口浪尖,要知道,苹果在M3上可是花了血本的,国外分析师 Jay Goldberg表示,苹果公司为了 M3 系列芯片的流片花费了 10 亿美元,天文数字的流片费用,换来的却是远低于预期。

有意思的是,知名分析师郭明錤在2023年10月表示,如果 M3 芯片依然无法提振 MacBook 出货量,苹果可能会在 2025 年推出全新设计的 MacBook Pro,此外可能会考虑(目前尚未确定)推出低价版 MacBook,以进一步提高出货量,目标每年出货量在 800-1000 万台以上。

换句话来说,苹果这是放弃了Arm版Mac以芯片升级为主要卖点的路线,转而考虑在设计和售价做文章,是不是有些似曾相识?这正是之前英特尔版MacBook的做法,大尺寸的卖不动了?那就做个12英寸的MacBook吧,缺少升级亮点?那就加上TouchBar和蝶式键盘这样花里胡哨的硬件功能,总之没有卖点也要强行制造卖点。

此一时彼一时,当初苹果Mac在M1推出时有多得意,现在就有多失意,苹果以为自己制造了一场Arm笔记本普及的风暴,结果三年过去后发现自己只是风口上的一只猪,Mac重新回到了它原本该有的市场地位。

M1的成功,一方面是居家办公带来的需求激增,另一方面当然也有台积电的功劳,虽然前文中的台积电N3B工艺拉了一个大跨,但在2020年这一时间节点上,台积电N5相较于英特尔与三星各自的工艺,领先了好几步,这也为M1那极端优异的功耗控制立下了功劳。

如今看来,苹果M系列自研芯片颇有些“一鼓作气,再而衰,三而竭”的感觉,尽管苹果还在强调M2和M3相较于M1的提升,但市场上卖得最好认同度最高的,却依旧是M1那几款产品。

伴随着台积电N3E工艺的大规模量产,M3系列注定会成为苹果的弃子,但苹果似乎并不死心,又以相当快的速度准备了N3E的M4,用它来替代昂贵的M3,先把成本降下来后再做他想。

根据彭博社马克·古尔曼的说法,苹果的目标是从今年年底到明年年初发布Mac新品,新款 iMac、低端 14 英寸 MacBook Pro、高端 14 英寸和 16 英寸 MacBook Pro 以及 Mac mini 都将采用 M4 芯片。

古尔曼认为,苹果计划在整个 2025 年推出更多的 M4 Mac,包括在2025年春季更新的 13 英寸和 15 英寸 MacBook Air,2025年中左右更新的 Mac Studio,以及在 2025 年晚些时候更新的 Mac Pro。

其表示,M4 芯片系列包括入门级的 Donan、功能更强大的 Brava 和代号为 Hidra 的高端处理器,苹果计划强调这三款处理器的人工智能处理能力,以及它们会如何与今年夏季WWDC上发布的下一版的macOS 集成。

Donan 芯片将用于入门级 MacBook Pro、新款 MacBook Air 和低端版 Mac mini,而 Brava 芯片将用于高端 MacBook Pro 和高价版 Mac mini。至于 Mac Studio,苹果正在测试采用尚未发布的 M3 系列芯片和 M4 Brava 处理器变体的版本,Hidra 芯片则会搭载于苹果最高端的台式机 Mac Pro之上。

那么M4会比M3表现更为亮眼吗?未必见得。

首先,N3E相较于N3B并不是质的飞跃,甚至可以这样认为,两块芯片实际上是苹果的两份3nm答卷,当我们把M3和M4放在一起时会发现,即使是纸面上的提升,也有些乏善可陈。

首先是CPU部分,完整版的 M4包括 4 个性能核心和 6 个效率核心,对比 M3 多 2 个效率核心,而乞丐版的 iPad 在核心上动了刀,为3个性能核心+6个效率核心的配置,而GPU部分,M4几乎和M3保持了一致,同样是10核心,也支持M3就具有的动态缓存、光线追踪硬件加速以及网格着色等功能。

NPU部分是M4提升最大的地方,M4 的 16 核神经网络算力高达 38 TOPS,对比M3的18TOPS,高出了整整 20 TOPS,还超过了苹果A17 Pro的NPU的 35TOPS的算力,按照苹果的说法,这对于未来的AI应用帮助很大。

再来看实际跑分,在最新的GeekBench 6跑分测试中,搭载完整版M4的iPad Pro ,单核跑分为 3767 分,多核跑分为 14677 分,与上一代M3(3053)相比,单核性能提升了 25%,多核性能与最新的 11 核M3 Pro(15261)大致相当,而GPU的Metal 测试成绩为 53792 分, 比M3 (47420)提升了13.4%,没有超过规模更大的M3 Pro。需要注意的是,跑分中的iPad Pro的处理器频率拉到了4.4GHz,而频率最高的M3 Max的实际频率也不过4.1GHz左右。

而在代表NPU的 Geekbench ML 0.6.0 测试中,M4的得分为 9234,比搭载 M2 的 iPad Pro 的 7511 分高出约 22.9%,与14 英寸 MacBook Pro 的M4(8365)比较,提升幅度仅为 10.4%。

这时候大家可能觉得不对了,不是多了20TOPS算力吗,怎么跑分只提升了10.4%呢?实际上,苹果在这里玩了一个文字游戏,M3的18TOPS是在FP16精度下得出的,而M4的38TOPS是在INT8精度下得出的,后者实际上要打个对折,也就是19TOPS,这样算下来实际的TOPS提升只有5%左右。

与当初的英特尔 x86 处理器相比,M1无疑是一款跨时代处理器,但之后的M2、M3和M4,似乎都只是在M1架构的基础上不断改进,并没有巨大的提升,M4的在iPad 上的频率甚至拉到了4.4GHz,要知道M3在MacBook Pro上运行的频率也不过4.05GHz而已。

苹果为什么选择让iPad Pro来首发M4芯片呢?主要还是想推动iPad的销量。今年2月,iPad营收成为第一财季少见的亮点,苹果该季来自iPad的净营收为93.96亿美元,较2023年同期的72.48亿美元增长29.7%,超出华尔街分析师预计的77.6亿美元,东方不亮西方亮,既然M3带不动Mac的销量,那么就用M4来带动iPad的销量。

但就M4的性能提升来看,这一意图能否实现,可能要打上一个大大的问号了。

苹果也无法跨越的“鸿沟”

对于M3和M4芯片来说,其当前的局面和芯片行业大家面临的困境是一样的。例如工艺制程限制,物理定律限制,甚至光罩限制。而这些芯片如今的处境,不禁让我们想到了苹果的自研基带魔咒。

从最早爆料可能在2023年亮相,再到去年年底透露的最早2028年亮相,一眨眼,苹果就花了快10年去琢磨所谓的自研基带,数十亿乃至上百亿美元的投入之后,能否替代目前的高通基带都还是一个未知数。

还有所谓的自研无线芯片,2021年消息传出时,博通和 Skyworks Solutions 等公司的股价应声而跌,但长达3年多的时间里,该项目进展缓慢,去年年底又传出消息称,苹果无线芯片团队似乎已经停摆,自研WiFi芯片不太可能搭载于2025年的iPhone之上。

去年年底彭博爆料称,苹果还打算自研影像传感器,因为它是混合现实和自动驾驶的核心, 同时苹果自研的microLED屏幕和无创血糖检测系统也在推进之中,结果在今年,这三个计划中就有两个受阻:microLED团队被解散重组,而美国食品和药物管理局(FDA)也明确反对了无创血糖相关的设备。

伴随着着Vison Pro的热度褪去,以及苹果汽车的折戟,苹果自研影像传感器团队的未来恐怕也蒙上了一层阴霾,先不论研发进展如何,就算做出来了,又能用在哪里呢?

A系列芯片的成功,让苹果对芯片充满了信心,M系列芯片的成功,让苹果的这份信心进一步膨胀,苹果或许觉得,不过几平方厘米的硅片而已,只要愿意砸下重金,就如探囊取物一般简单,再加上2019年以前与高通持续数年的交锋,也让它坚定了把芯片攥在自己手里的想法。

但事与愿违,苹果至今能称得上成功的,依旧只有A和M这两大系列的芯片,甚至后者还受困于Mac销量的持续下滑,现在要让iPad来当最后的救命稻草。

3nm芯片光是流片费用就高达十亿美元,倘若没有高销量的对应产品来摊薄这部分费用,那么当初为自研降低成本的意义又在何处呢?总不能只为了一个高大上的名号而选择自研吧,倘若M4 iPad Pro的销量依旧不尽如人意,那么苹果又要找哪一个品类来当救场呢?

或许此时可以说一句:强如苹果也无能为力。

推荐阅读
关注数
11140
内容数
1824
最有深度的半导体新媒体,实讯、专业、原创、深度,50万半导体精英关注。专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。
目录
极术微信服务号
关注极术微信号
实时接收点赞提醒和评论通知
安谋科技学堂公众号
关注安谋科技学堂
实时获取安谋科技及 Arm 教学资源
安谋科技招聘公众号
关注安谋科技招聘
实时获取安谋科技中国职位信息