蘋果換芯簡史

蘋果換芯簡史

切換芯片架構是一件非常麻煩、非常困難、代價非常大的事情,很少有哪個電腦廠商,會像蘋果這樣頻繁切換。

Mac 走入了一個新的紀元。

昨天凌晨,蘋果發佈了第一款用於 Mac 的自研 ARM 架構 CPU:M1。同時發佈的還有三款搭載 M1 芯片的新電腦:MacBook Air、MacBook Pro、和 Mac mini。

5 個月前的 WWDC 上,蘋果宣佈 Mac 未來將不再使用 X86 架構的英特爾處理器,轉而使用蘋果自研的 ARM 架構芯片。在蘋果 34 年造電腦的歷史裏,這樣的轉換髮生過三次。每一次轉換,緊隨其後的都是一場計算機革命。

30 年後,蘋果不再滿足於其他廠商設計的芯片,開始自己爲 Mac 打造 CPU。過去十幾年蘋果自研芯片的技術積累,終於在 Mac 上開花結果。

一、從 Apple II 到 Macintosh:性能飛躍

蘋果的誕生,和一款芯片的推出密不可分。

這款芯片脫胎於 1971 年摩托羅拉公司開發的 6800 芯片。當時還沒有“個人計算機”的概念,摩托羅拉希望把 6800 芯片放進面向企業的大型計算機中。所以摩托羅拉非常注重這款芯片的全面性,在內部集成了包括 ROM、RAM、各種接口,希望惠普等計算機制造商能夠更方便地利用 6800 設計電腦。

但 6800 太貴了,大部分客戶都望而卻步。而且,當時負責設計 6800 的團隊發現,大部分用戶對芯片性能、指令集的需求,只相當於 6800 的一小部分。所以整個產品團隊開始嘗試對芯片進行精簡,縮小尺寸、改進功能,以及最重要的,降低成本。

1975 年,MOS Technology 6502 處理器問世。它的價格只相當於 6800 的六分之一,遠低於當時英特爾的競品。這款芯片因爲極高的“性價比”,被用於各種知名產品,包括雅達利 2600 遊戲機、任天堂紅白機,最終引爆了 80 年代的家用計算機革命。

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蘋果成爲了這場革命的“排頭兵”。1976 年,史蒂夫·沃茲尼亞克和喬布斯一起,基於 6502 這顆芯片開發了 Apple I,一年之後,他們又推出了經過改進的 Apple II,同樣搭載這顆 6502。

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Apple II 成爲了歷史上第一款大獲成功的“個人電腦”,這很大程度上要歸功於 6502 相對較低的價格。Apple II 的後續改款產品一直賣到 90 年代,採用的芯片也一直都是 6502 的衍生產品。

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Apple II 是歷史上第一款取得廣泛成功的個人電腦,圖中展示的是其後續改款 Apple II plus|Wikipedia

如果說 6502 開啓了“個人電腦”時代,蘋果的第一次芯片架構轉換,則開啓了“圖形界面”的時代。

1984 年,蘋果推出了 Macintosh 電腦。這是蘋果第一款搭載圖形界面,並配備鼠標的個人電腦。它開創了很多歷史,搭載了第一版的 macOS(當時叫 System 1.0),和文件管理應用“訪達”(Finder)。

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Macintosh 電腦|Apple

一切同樣要歸功於 Macintosh 所搭載的芯片,Motorola 68000。它是歷史上最早一批使用 32 位指令集的處理器之一。相比 Apple II 上 6502 的 8 位,改變可不是翻四倍那麼簡單。位元提升四倍,意味着處理器一次能處理的最大數,從 2 的 8 次方變成了 32 次方。

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芯片的性能的指數增長,使“圖形界面”成爲了可能。儘管初代 Macintosh 因爲成本居高不下等各種原因,並沒有取得成功,但它打開了未來的大門。直到今天,macOS 裏仍然沿用着很多初代 Macintosh 的設計。

70、80 年代芯片性能的突飛猛進,讓蘋果的很多產品構想,變成了現實。

二、PowerPC 和英特爾:效率提升

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進入 90 年代,蘋果開始走入低谷。

採用 68000 系的 Macintosh 雖然開創了個人電腦採用圖形界面的先河,但由於成本居高不下,加上性能落後,沒能成爲個人電腦領域的主流。IBM 68000 系列芯片相比同時期英特爾的 80386 CPU 大幅落後,逐漸成爲 Macintosh 向前發展的障礙。

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1994 年,正值 Macintosh 誕生十週年之際,蘋果決定轉向,下一站,PowerPC。

PowerPC 誕生於 1991 年,這一次,蘋果直接參與了它的創立。PowerPC 架構由蘋果、IBM 和摩托羅拉三家參與創立,最早的目的是縮減指令集,以提升芯片效率,降低成本。

PowerPC 架構 CPU 因爲精簡的結構和指令集,使它擁有極佳的能效比。PowerPC 架構芯片後來被用在多款遊戲主機上,包括任天堂的 GameCube 和 Wii、索尼 PS3 以及微軟的 Xbox 360。


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1994 年發佈的 Power Macintosh 是第一臺搭載 PowerPC 處理器的蘋果電腦,它追趕上了此前幾年裏,蘋果電腦在性能上和英特爾的差距,一經推出就備受歡迎。僅一年後,PowerMac 就幾乎完全取代了此前的老 Macintosh。

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早期的 PowerBook 筆記本|Apple

之後,蘋果基於 PowerPC 處理器推出了一系列產品,包括多款 PowerBook 筆記本。儘管這些蘋果電腦在技術和商業上都獲得了一定成功,但整個個人電腦市場卻在迅速“下沉”。越來越多的電腦製造商開始推出價格極低的電腦產品,加上當時微軟剛剛推出了 Windows 95,極大增強了兼容機的軟件功能,縮小了與 Mac 之間的體驗差距。

再次陷入困局的蘋果,召回了喬布斯。1996 年,喬布斯迴歸蘋果,迴歸後不久,他就將 Jony Ive 提拔爲設計部門的領導。兩人在 PowerPC 芯片的基礎上,開發了一系列具有劃時代意義的 Mac 產品:包括 iMac G3、PowerBook G4 和 PowerMac G5。

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多彩機身的 iMac G3 被視爲蘋果第一款“強調工業設計”的硬件產品,幫助蘋果扭虧爲盈。PowerBook G4 則第一次在筆記本電腦上採用了金屬機身,視覺上已經與今天的 MacBook 有很多相似之處。至於 PowerMac G5,則確立了蘋果做高性能電腦的思路,今天的 Mac Pro,很大程度上就是脫胎於 PowerMac G5。

iMac G3 成爲喬布斯重新主導蘋果產品設計的一個標誌|Apple

出於對“能效比”的考量,蘋果選擇了 PowerPC,也是因爲同樣的原因,蘋果拋棄了 PowerPC,它的功耗太高了。進入 21 世紀,喬布斯認爲計算設備進化的趨勢在於“輕量化”。PowerPC 架構最新的 G5  CPU 太熱,筆記本電腦無法駕馭。而同時期的英特爾奔騰芯片,可以搭載更多核心,能效比更高,可以滿足 MacBook 的需要。

2005 年的 WWDC 上,喬布斯宣佈停止使用 PowerPC 芯片,轉而使用英特爾的 X86 架構 CPU。


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轉變的過程並不輕鬆。2005 年,蘋果的用戶和開發者技術已經比 80 年代、90 年代擴大了太多倍,如何協調好轉變的過程就至關重要。所以蘋果推出了一個模擬器系統“羅賽塔”(Rosetta),用於模擬運行 PowerPC 架構下的軟件。


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過程雖然艱難,但蘋果很快收穫了它想要的結果。正式轉向英特爾芯片兩年後,2008 年,喬布斯從一個信封裏抽出了那臺令世界爲之震驚的 MacBook Air,將筆記本電腦的輕薄性帶入了新的紀元。此後數年裏,MacBook 一直是“輕薄”和“長續航”的代名詞。

將輕薄帶向極致的 MacBook|Apple

2015 年,蘋果發佈了一款極致輕薄,採用無風扇設計的“the new MacBook”。它採用英特爾的酷睿 M 處理器,是蘋果推出過最輕薄、便攜的電腦產品。但因爲散熱、續航表現不佳,the new MacBook 在推出三代後就不再更新,並於 2019 年 7 月下架。

不少人認爲,the new MacBook 在輕量化道路上探索受阻,是蘋果最終決定拋棄英特爾,轉而自研芯片的關鍵原因。

三、自研芯片時代

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在追求“高性能,低功耗”的道路上,蘋果完成了一次又一次跨越。最後,它決定“自己動手,豐衣足食”。

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基於 ARM 架構,5nm 製程工藝,M1 芯片幾乎碾壓了之前 Mac 上搭載的英特爾處理器。

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搭載 M1 的 MacBook Air,採用了無風扇散熱的設計。因爲 M1 只需要四分之一的功耗,就能實現 PC 筆記本的峯值性能。相比前一代 MacBook Air 搭載的英特爾處理器,M1 的峯值性能提升了 3.5 倍。

在產品宣傳片裏,蘋果強調這款產品非常“冷靜”,運行起來幾乎不燙。同時,更低的功耗也讓新款 MacBook 的續航得到了大幅提升。

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M1 芯片標誌着一個新時代的開始|Apple

過去 10 幾年,蘋果將 iPhone 上的 A 系列芯片,做成了同代性能最好的移動處理器。所以當蘋果開始爲 Mac 打造芯片,除了性能和功耗的領先,蘋果還能將它過去積累的諸多技術優勢,整合進新的 Mac。M1 搭載了的神經引擎,讓 Mac 也能擁有強大的機器學習性能。同時,M1 還能配合最新的 macOS Big Sur,提供更好的安全、加密功能。

以往蘋果每一次切換芯片架構,緊接着而來的就是硬件設計的顛覆。切換芯片架構是一件非常麻煩、非常困難、代價非常大的事情,很少有哪個電腦廠商,會像蘋果這樣頻繁切換。但蘋果的每一次切換,都相當於一次“解封”,更強的芯片,能解放產品設計師的想象力,推動 Mac 朝着更遠的地方進化。

在這場發佈會的末尾,庫克說:“我們對 2021 年充滿期待,將會給用戶帶來更多驚喜體驗。”

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畢竟,這只是 Mac 自研芯片時代的第一天。

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