近日，The Information報(bào)道了蘋(píng)果最新的芯片路線圖，其中最引人矚目的是預(yù)計(jì)用于Mac系列的定制CPU。隨著用于MacBook的第一代自研M1芯片大獲成功，M系列芯片后續(xù)的發(fā)展也成了眾人關(guān)注的焦點(diǎn)。而在該報(bào)道中指出，蘋(píng)果預(yù)期在2023年發(fā)布的基于3nm的第三代M系列芯片，該系列芯片的代號(hào)為‘Ibiza’, ‘Lobos’和‘Palma’。同時(shí)，在第三代M系列芯片中，高端版本計(jì)劃有高達(dá)40個(gè)處理器核心，并且將使用多晶片封裝技術(shù)，40個(gè)處理器核心將分布在四片晶片上。2023年量產(chǎn)3nm處理器的計(jì)劃也與之前臺(tái)積電發(fā)布的3nm時(shí)間表相吻合，而是用3nm工藝節(jié)點(diǎn)可望給第三代M系列芯片帶來(lái)較大的綜合性能提升。

該報(bào)道同時(shí)也涉及了第二代M系列芯片的計(jì)劃，根據(jù)報(bào)道，2022年蘋(píng)果將發(fā)布第二代M系列芯片，該芯片計(jì)劃使用臺(tái)積電增強(qiáng)版5nm工藝制造，因此半導(dǎo)體工藝角度帶來(lái)的提升較小，但是第二代M系列芯片至少會(huì)有一個(gè)高端版本會(huì)使用雙晶片的封裝形式。

在該報(bào)道中，我們可以看到蘋(píng)果M系列芯片的演進(jìn)思路，即使用最先進(jìn)的工藝（包括半導(dǎo)體工藝和封裝工藝），并且進(jìn)一步走高性能路線。

第三代M系列芯片的主要工藝亮點(diǎn)

臺(tái)積電3nm將成為蘋(píng)果第三代M系列芯片的主要亮點(diǎn)。根據(jù)臺(tái)積電今年夏天公布的3nm工藝特性，3nm最大的提升來(lái)自于邏輯門(mén)密度，預(yù)計(jì)可達(dá)5nm節(jié)點(diǎn)的1.7倍；同時(shí)功耗相比5nm也有高達(dá)30%的改善，同時(shí)晶體管速度方面也有10-15%的提升。

臺(tái)積電3nm工藝的提升中，邏輯門(mén)密度是最大的，同時(shí)晶體管速度的提升卻較小，這也能解釋蘋(píng)果在第三代M系列芯片中，采取多核心設(shè)計(jì)的原因：蘋(píng)果計(jì)劃使用更多的晶體管來(lái)取得整體處理器性能的提升，而非依靠更快的時(shí)鐘頻率。由于3nm擁有更高的邏輯門(mén)密度，我們預(yù)計(jì)也會(huì)在第三代M系列芯片中看到更復(fù)雜的IP設(shè)計(jì)，甚至有可能會(huì)集成一些M1以及傳統(tǒng)CPU中沒(méi)有的專用加速單元來(lái)實(shí)現(xiàn)整體性能的提升。同時(shí)，3nm工藝帶來(lái)的功耗改善預(yù)計(jì)也將繼續(xù)幫助第三代M系列處理器保持非常好的能效比，畢竟“省電”是M1芯片的重要亮點(diǎn)之一。

在使用3nm工藝的同時(shí)，第三代M系列芯片的另一個(gè)工藝亮點(diǎn)是使用多晶片集成（multi-die），計(jì)劃使用高達(dá)4個(gè)晶片集成在一個(gè)封裝中。這樣的做法將會(huì)使第三代M系列芯片的設(shè)計(jì)更加接近AMD使用Chiplet的Zen系列架構(gòu)。在M1芯片中，蘋(píng)果并沒(méi)有使用這樣的多晶片設(shè)計(jì)，而是使用了類似手機(jī)芯片SoC的設(shè)計(jì)。由于M1是蘋(píng)果的第一代自研Mac芯片，使用接近蘋(píng)果擅長(zhǎng)的A系列SoC設(shè)計(jì)是風(fēng)險(xiǎn)最小的技術(shù)路徑，同時(shí)也帶來(lái)了很好的能效比。而到了第三代M系列芯片時(shí)，使用多晶片集成將使得蘋(píng)果能更容易地實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算所需要的多核架構(gòu)，這也預(yù)計(jì)成為蘋(píng)果進(jìn)一步上攻高性能計(jì)算的技術(shù)支柱。

蘋(píng)果M系列芯片的新思路

蘋(píng)果M系列芯片給處理器行業(yè)帶來(lái)了許多新的思路。

首先，由于蘋(píng)果對(duì)于Mac生態(tài)和軟件擁有很強(qiáng)的控制力，因此使用了類似SoC的芯片設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)中，由于芯片廠商對(duì)于處理器上運(yùn)行的軟件沒(méi)有太大的話語(yǔ)權(quán)，無(wú)法預(yù)計(jì)在處理器上會(huì)跑什么樣的應(yīng)用，因此傳統(tǒng)的思路是加強(qiáng)通用計(jì)算的處理能力。而蘋(píng)果由于對(duì)于軟件生態(tài)有很強(qiáng)的話語(yǔ)權(quán)，因此能夠有針對(duì)性地在M系列處理器上集成對(duì)應(yīng)的專用處理模塊IP（例如AI，圖像編解碼等）。由于專用處理模塊的效率比起通用處理器要高很多（無(wú)論是絕對(duì)性能還是功耗），因此我們看到了M1系列芯片在跑常見(jiàn)應(yīng)用時(shí)有非常高的性能和很低的功耗，而這也是處理器SoC化思路帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然其前提是需要能對(duì)于軟件生態(tài)有很強(qiáng)的把握能力。

而到了第三代M系列芯片中，我們進(jìn)一步看到了蘋(píng)果在將其“處理器SoC化”的思路進(jìn)一步與當(dāng)前高性能處理器芯片中的多晶片/chiplet方法做了整合。如前所述，多晶片設(shè)計(jì)在處理器領(lǐng)域的主要優(yōu)勢(shì)是能夠支持多核心設(shè)計(jì)。通過(guò)將多個(gè)核心分布在不同的晶片上，首先可以增加良率，因?yàn)樾酒牧悸屎途某叽缬兄苯雨P(guān)系，晶片尺寸越大，則良率越低，而多晶片/chiplet設(shè)計(jì)相當(dāng)于是等效減小了晶片尺寸，從而改善了良率，并降低了成本。這對(duì)于成本高昂的最先進(jìn)半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)有重要意義。此外，使用多晶片設(shè)計(jì)可以較為簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同核心數(shù)量版本的處理器設(shè)計(jì)。如果使用傳統(tǒng)的單晶片設(shè)計(jì)，那么如果需要實(shí)現(xiàn)擁有不同核心數(shù)版本的多個(gè)處理器時(shí)，需要同時(shí)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)多個(gè)芯片掩模；而如果使用多晶片設(shè)計(jì)，那么只需要設(shè)計(jì)一個(gè)版本的晶片，而在封裝時(shí)集成不同數(shù)量的晶片即可實(shí)現(xiàn)不同核心數(shù)量的處理器版本。這樣可以非常簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)多核心數(shù)的處理器設(shè)計(jì)（例如根據(jù)報(bào)道第三代M系列芯片可擁有高達(dá)40個(gè)處理器核心）。

在第三代M系列芯片的設(shè)計(jì)中，我們看到蘋(píng)果的思路是結(jié)合原有的SoC式設(shè)計(jì)來(lái)確保高能效比，同時(shí)采用多晶片設(shè)計(jì)來(lái)賦能針對(duì)高性能計(jì)算市場(chǎng)的多核心設(shè)計(jì)。這樣做的目的，我們認(rèn)為是能幫助蘋(píng)果的M系列芯片繼續(xù)覆蓋高性能端，并且通過(guò)SoC式的設(shè)計(jì)思路帶來(lái)的高能效比來(lái)實(shí)現(xiàn)差異化競(jìng)爭(zhēng)（例如電池續(xù)航強(qiáng)同時(shí)又有強(qiáng)計(jì)算能力的筆記本電腦）。

多核心與蘋(píng)果的野心

如果說(shuō)蘋(píng)果使用3nm作為第三代M系列芯片的工藝時(shí)意料之中的常規(guī)操作，那么采用極具野心的四十核處理器設(shè)計(jì)背后的長(zhǎng)期目的則給了我們不少想象空間。

首先，蘋(píng)果MacBook系列的定位本來(lái)就是高端市場(chǎng)。隨著M1芯片的發(fā)布，如前面所分析，M1芯片SoC化設(shè)計(jì)帶來(lái)的能效比提升使得蘋(píng)果在注重能效比（電池續(xù)航）的輕薄筆記本市場(chǎng)獲得了相對(duì)于使用Intel芯片的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。然而，在需要高性能計(jì)算的桌面電腦市場(chǎng)，相對(duì)于Intel和AMD來(lái)說(shuō)蘋(píng)果尚未通過(guò)M1建立絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。因此，通過(guò)走多核心路線，蘋(píng)果可以進(jìn)一步上攻長(zhǎng)期為Intel和AMD占領(lǐng)的高性能處理器市場(chǎng)。

而除了消費(fèi)電子市場(chǎng)之外，多核心M系列芯片的另一種可能賦能方向是蘋(píng)果的服務(wù)市場(chǎng)。隨著蘋(píng)果進(jìn)一步強(qiáng)化游戲、視頻、以及AR/VR等市場(chǎng)，在云端的一些相關(guān)服務(wù)加速（例如視頻編解碼，游戲乃至ARVR等）使用自研芯片也將是非常自然地選擇：畢竟目前有大量云端數(shù)據(jù)中心任務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)廠商，包括谷歌、亞馬遜、字節(jié)跳動(dòng)、騰訊等都在自研芯片，隨著蘋(píng)果在云端運(yùn)行任務(wù)需要的計(jì)算量上升，第三代M系列芯片的SoC（專用化加速）+ 多晶片多核架構(gòu)（強(qiáng)通用計(jì)算能力）將會(huì)為這類應(yīng)用的自研芯片打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來(lái)的具體發(fā)展，讓我們拭目以待。

本文來(lái)自微信公眾號(hào) “半導(dǎo)體行業(yè)觀察”（ID：icbank），作者：李飛，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

關(guān)鍵詞： 芯片 蘋(píng)果 計(jì)劃