蘋果芯片研發骨干的前世今生--關鍵的兩次收購鑄就了蘋果處理器今日之輝煌!

2021-11-02 12:29:21 來源:technews
隨著推出M1 Pro與M1 Max,蘋果依舊在無拘無束的封閉花園內,把最簡單的事做到最完美的「暴力美學」,貫徹到兩顆巨無霸系統芯片。

如果說一年前M1只有讓人印象深刻的驚人單執行緒效率,今年M1 Pro與M1 Max則告訴世人,蘋果如何「硬干」出M1的巨型橫向擴張版,并靠看似用不完的大量存儲器理論頻寬,支撐超出兩倍現行x86筆電處理器的多線程浮點運算效能。論能耗比,大概也沒啥好比較的空間了。

 

 

蘋果為何可在M1 Pro和M1 Max做到這些事,就不得不追溯蘋果自研芯片研發團隊的起源:P.A Semi與Intrinsity了。了解這兩家公司的背景和專長,就不難預期蘋果今日成就與未來想干的大事。畢竟蘋果從來不公開技術細節,也從不參加處理器業界學術交流活動(如ISSCC和HotChips),要推敲蘋果干了啥好事的線索,也就只剩下被并購的公司了。

簡單結構的延展性:P.A. Semi

 

 

2008年4月,蘋果以2.78億美元收購某無晶圓廠芯片設計公司,聽說不小心得到150名天才工程師。

公司名叫P.A. Semi,創立于2003年,位于美國加州Santa Clara,由曾在2003年獲頒IEEE Solid State Circuits Award的芯片設計大師Daniel W. Dobberpuhl成立。

Daniel W. Dobberpuhl在1976年加盟DEC,參與過1980年代這家公司最成功的產品MicroVAX,也歷經過對后世影響深遠的DEC Alpha 21064與StrongARM。隨著StrongARM從DEC移轉給英特爾,Daniel W. Dobberpuhl創立SiBytes,專注MIPS指令集的高速網絡處理器,2000年被博通并購。Daniel W. Dobberpuhl于2019年10月26日辭世,享年74歲。

今日蘋果A系列與M系列處理器之所以有今天表現與地位,除了封閉性生態系統帶來的先天「不對稱」優勢,P.A. Semi團隊絕對厥功至偉。

 

▲ Daniel W. Dobberpuhl。

值得一提的是,同樣待過DEC并參與Alpha 21164和21264的「處理器游俠」吉姆·凱勒(Jim Keller)于1999年入職SiBytes,接著在博通擔任首席架構師,又在2004年轉戰P.A. Semi任職工程副總裁。他在Daniel W. Dobberpuhl領導下,累積低功耗RISC處理器的豐富經驗,直到2008年P.A. Semi被蘋果并購,也仍留在蘋果服務了不短時日,參與了A4和A5研發。

▲ Jim Keller。(Source:視頻截圖)

P.A. Semi當時研發名為PWRficient的產品線,顧名思義,就是追求極致能耗比的處理器??傆嫹殖扇糠郑杭嫒軵owerPC指令集的PA6T核心、CONEXIUM芯片內連結架構、ENVOI I/O子系統。后來蘋果自研處理器的諸多特色,或多或少都可在PWRficient摸索到蹤跡,也可從遺產判斷蘋果自家芯片未來的可能方向?;旧?,筆者只能說M1 Pro / Max問世,就是開花結果的時刻,即使相隔超過12年,實在有點漫長。

PA6T核心在時鐘頻率為2GHz時,最高功耗不超過7W,1.5GHz時更低至4W,雙核心PA6T-1692M在2GHz時,整顆標準功耗僅13W,最高也不超過25W。相較同時期衍生自服務器應用的IBM PowerPC(如PowerPC 970家族),無論同頻率效能(SPEC CPU 2000)和能耗比,均享有壓倒性優勢,P.A. Semi也不搞大型化多層快取內存「金字塔」。

省電歸省電,PA6T仍是貨真價實的多指令派發、非循序執行的高效能微架構,浮點運算性能尤其出色,約為同頻率IBM PowerPC 970的「兩倍」(別忘了PowerPC 970源自Power4)。因此當時不乏蘋果將用P.A. Semi產品取代IBM和Motorola的傳言。

不過喬布斯卻在2005年選擇了英特爾。假使蘋果當年直接用P.A. Semi芯片打造MacBook Air,而不是「連根拔起」轉進英特爾,那計算機工業界的歷史,恐怕就會重新改寫,最起碼IBM的Power Everywhere看來不會變成幻夢一場。

但這并不代表蘋果不重視P.A. Semi的價值(要不然也不會花錢并購了),P.A. Semi也并非如外界刻板印象,只想做低功耗的低端產品。反之,P.A. Semi PWRficient一開始就放眼各式各樣應用,并具備強大的多核心延展性。據已知資料,PWRficient將有16核版。

服務器也是P.A. Semi鎖定的目標。換言之,P.A. Semi的目標可歸納為一條公式:StrongARM的低功耗+Alpha等級的高效能+PowerPC指令集兼容性,都是當時最重要的指標。

不過蘋果收購P.A. Semi后也非一帆風順,雖然接收150名天才工程師,但Dan Dobberpuhl與數名重要的工程師,因對兩家公司的整合方式與股票獎勵制度不滿,2009年底先后離開蘋果,一起創立了Agnilux,不到一年就被Google買走。這次Daniel W. Dobberpuhl并沒有跟著進入Google,而成為機器視覺廠商Movidius的董事會主席,而Movidius則在2016年成為英特爾的一部分。

最佳化的電路設計:Intrinsity

蘋果吃掉P.A. Semi后,卻遲遲看不到自家芯片,甚至獨創核心微架構問世,他們該怎么辦?

蘋果2010年4月發布首款自研處理器A4(APL0398,iPhone 4的處理器),衍生自三星S5PC110A01,最主要的差別在于GPU換成蘋果長期偏好的PowerVR SGX系列,但完全一模一樣的ARM Cortex-A8核心卻大有來頭,因得到Intrinsity公司的技術加持,延續和三星合作「Hummingbird」的成果, 時鐘頻率從ARM公版的650MHz一舉推進到1GHz大關。

成立于1999年、設立在美國德州奧斯汀的Intrinsity,強項在優化Wave Pipeline(無鎖存流水線)電路設計,命名為FastMATH。當蘋果認知到這家公司的重要性后,就馬上出手收入囊中,但過程卻極度低調,連確切時間和收購金額都無人知悉(據說是5千萬美元,但也有其他版本)。唯一可確定的是,蘋果目的非常明確,就是為了A4處理器。接著出自P.A. Semi團隊的獨特微架構Swift,就在2012年9月A6堂堂登場,開啟Apple Silicon之路。

Intrinsity人數就沒P.A. Semi那么多了:22名業界老兵。

Intrinsity的FastMATH最有名成功案例,是超低功耗的MIPS32指令集處理器,頻率2GHz時只有4W,1GHz時更只有1.5W。蘋果得到Intrinsity后,更讓從P.A. Semi獲得的深厚功力提升更高。如何將特殊電路設計技術有效用到臺積電最新制程,也是Intrinsity厲害的地方。

Apple Silicon的下一步?

看到這里,想必各位一定會好奇,穩扎穩打、持續推陳出新的Ax與Mx之外,蘋果下一步會踏入哪些新領域呢?坦白講,目前看不出來。但我們有充分理由相信,在商言商,蘋果不太可能重回品牌服務器與存儲設備市場(很久以前的Xserve和Xserve RAID),就算要打造服務器等級處理器,也是關起門來自己用,頂多像Google和AWS出租云端CPU,這不太像近期會成真的可能性。

 

話說回來,Apple Silicon效能表現看起來再好再威,影響范圍也只限蘋果生態圈和用戶,會不會真的讓微軟危機起來,還得好好觀察。

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