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文/戴老闆 何律衡

來源/遠川研究所(ID:caijingyanjiu)

2010年1月,癌症晚期的喬布斯在第一代iPad發佈會上,首次向世人展示了蘋果自研的A4芯片。

這枚45nm製程的芯片由三星代工,內置ARM的Cortex-A8內核,擁有1GHz的運行頻率,性能突出。儘管它的歷史意義重大,但在長達一個多小時的iPad發佈會上,喬布斯對於A4芯片只用了寥寥數語帶過,花的時間加起來還不到20秒。

這是一種刻意的低調,蘋果在發佈會前對自研芯片三緘其口,這跟蘋果造芯的歷史有關:作爲微型計算機最重要的普及者之一,蘋果跟集成電路技術幾乎同時起步,在成立後的30多年裏數次向芯片發起衝鋒,結果卻是屢戰屢敗。

果不其然,敏感的媒體嗅到了線索,並大都對蘋果自研芯片這件事持嘲諷態度,普遍認爲“A4芯片參考了三星設計,蘋果厚着臉皮把自己牌子貼了上去”。

科技媒體Ars Technica則認爲A4設計平庸,“沒什麼值得大書特書的”。

理性去看,蘋果自研手機芯片的確困難重重。2010年的移動芯片市場早已巨頭林立:高通的Snapdragon橫掃千軍,三星的Exynos蓄勢待發,Nvidia的Tegra雄心勃勃,甚至連Intel的Atom也覺得自己能行,試圖分一杯羹。

但人們低估了蘋果想撬開鐵板的決心:一年之後,蘋果在iPhone4S發佈會上展示了第二代芯片A5,CPU性能是A4的兩倍,GPU性能是A4的9倍,性能提升巨大,這讓業界意識到一個事實:蘋果已經的確拿到了那張通往半導體制高點的昂貴門票。

遺憾的是,佈局者喬布斯卻沒能目睹接下來的故事。在病牀上看完A5亮相的直播後不久,他就撒手人寰。

十年後,蘋果已經構建了一個包括A系列(手機&平板)、M系列(桌面PC)、H系列(耳機)、S系列(手錶)等多個產品線的半導體帝國,尤其是當庫克在2020年底向人們展示替代Intel的M1芯片時,人們感受到難以言表的震撼。

2000年之後,兩個芯片行業新入局者的故事最曲折,一個是華爲海思,一個就是Apple Silicon,前者呈現的是張巡守睢陽式的悲壯,後者則更像是一部描寫奧德修斯返鄉的荷馬史詩,兩者都或多或少改變了中美科技戰的節奏。

蘋果造芯是一部連續的歷史,以A4爲界,before和after的故事都玩味:A4之前,蘋果是竹籃打水、屢戰屢敗;A4之後,蘋果是神擋殺神、佛擋殺佛,三星、高通、Intel這些全球芯片頂級玩家,或被蘋果擊敗,或被蘋果拋棄。

這是一個關於商業的故事,但更是一個關於計算機這門“科學”的故事。

150美元的蝴蝶翅膀

許多年之後,面對M1芯片,史蒂夫·沃茲尼亞克(Steve Wozniak)可能會想起第一次見到Intel 8080的那個遙遠的晚上。

作爲蘋果的聯合創始人,沃茲尼亞克在1975年——蘋果成立前的一年——的“家釀計算機俱樂部”聚會上看到了那個出現在《大衆電子》1月刊封面、號稱第一臺個人計算機的Altair 8800,以及驅動這臺電腦的Intel 8080芯片。

人類自1950年代末進入晶體管和集成電路時代之後,電子計算機的尺寸就在每年以肉眼可見的速度變小。這個進程由年輕的硅谷推動,無數新興的公司在這片熱土上競賽。到了1970年代,計算機離走入尋常百姓家,只差幾層窗戶紙了。

Altair 8800被公認爲點燃了微型計算機革命的火種,它啓發了比爾·蓋茨和保羅·艾倫推出了微軟歷史上的第一款產品——BASIC編程語言,也讓沃茲尼亞克萌生了自己組裝一臺計算機的想法,唯一的問題在於:Intel 8080太貴了。

一臺組裝好的Altair 8800售價621美元,但8080散裝片就要170美元,沃茲尼亞克形容“比我一個月的房租還貴”,於是他就開始尋找替代品:先是找到了摩托羅拉6800,通過熟人買只要40美元/枚,後來又找到了6800的大牌平替——MOS Technologies公司製造的MOS 6502,20美元就能上車。

當沃茲尼亞克把組裝好的微型計算機展示給喬布斯的時候,後者大喫一驚,並意識到這可能是一次偉大的商業機會。對於沃茲尼亞克放棄Intel芯片,喬布斯也很滿意,他認爲“技術只是手段,最終是爲了改善消費體驗。”

這臺由20美元廉價芯片驅動的微型計算機,便是蘋果第一代產品Apple I。就這樣,蘋果的故事開始了。

這一年,喬布斯20歲,沃茲尼亞克25歲,計算機世界仍由IBM大型機主宰,Altair仍是極客們的玩具,英特爾還在硅週期的首次衰退中艱難生存。兩個史蒂夫無法意識到:在芯片上省下的150美元,未來要花千萬倍的代價補回來。

1977年,蘋果推出第一款成熟產品Apple II,銷量瘋漲。它以漂亮的外觀和內置鍵盤示人,沃茲尼亞克的編程技術和喬布斯的設計審美被體現地淋漓盡致。但這些長板掩蓋了一個問題:Apple II 仍然在使用廉價的MOS 6502處理器。

而1981年底蘋果的Apple III,CPU仍然是這款老舊的6502,而競爭對手IBM已經用上了Intel的8088芯片,性能是當年沃茲尼亞克捨棄的8080的10倍左右。簡單對比:MOS 6502晶體管數量只有3000多,而Intel 8088卻高達29000。

廉價但“夠用”的芯片能夠讓蘋果保持極高毛利率,但大前提是硬件不會成爲短板,至少不能拖軟件的後腿。顯然,誕生在1975年的6502芯片難以支持1980年代的計算機,頻繁失靈的電路板和緩慢的運行速度最終讓Apple III銷量慘淡。

來自競爭對手的壓力也越來越大。1981年,IBM一改平時笨重的身段,推出了使用微軟MS-DOS和Intel 8088的兼容個人計算機(又稱 IBM PC),獲得巨大成功,並把除蘋果之外的幾乎所有個人計算機廠商都拉進了“微軟+Intel”陣營。

而那會的Intel還沒有轉型做牙膏,同期發佈芯片性能沿着摩爾定律一日千里,1974年推出8080,1978年推出8086,1982年推出80186和80286,此後便是80386、80486以及劃時代的Pentium——其中文名更是成爲一整代人的回憶:奔騰。

但在早期錯過後,以喬布斯的性格很難再重投Intel的懷抱,尤其是Intel已經是敵對陣營的核心骨幹。

好在那會兒硅谷能跟Intel掰手腕的公司有不少,摩托羅拉就是其中之一。1976年Intel內部正在開發16位的8086,摩托羅拉得知後決定直接幹一票兒大的——你既然搞16位,那我就直接上32位。經過4年的研發,1980年摩托羅拉推出了性能強悍的Motorola 68000芯片。

68000芯片又稱“68k”,意思是芯片內部有68000個晶體管,它的性能大概是Intel 8086的兩倍左右(價格也更貴),因此被廣泛用在惠普、Sun、DEC的高端機以及對性能要求高的遊戲機上。對於急欲尋求新芯片、又不想委身Intel的喬布斯來說,更是久旱逢甘霖。

因此決定蘋果命運的新產品Macintosh(也就是第一代的Mac)決定使用68000芯片,項目經理Jef Raskin本來想用性能低但便宜的摩托羅拉6809,但被喫過虧的喬布斯一口否決,並親自出馬把68k的批發價從125美元/枚砍到了35美元/枚。

1984年1月24日,一代經典Macintosh正式發佈。由《銀翼殺手》導演執導的廣告“1984”將蘋果包裝成反IBM奧威爾式統治的反叛者,驚豔了所有人,喬布斯也淚撒發佈會現場。Mac的問世,給80年代的PC革命浪潮烙下了最深的印跡。

68000芯片的確不負衆望,其強勁的性能有力支撐了炫麗的圖形界面和方便的鼠標操作。但第一代Mac卻在其他方面掉了鏈子,比如內存只有128K,後來升級到512k也仍然不夠用(至少需要1000K)。經過發售前期的熱銷後,曾被讚譽“將計算機技術與藝術完美結合”的Mac就因爲其緩慢的運行速度,銷量大幅下滑。

1985年春,試圖罷免CEO斯卡利的喬布斯被後者反將一軍,聯合董事會趕出了公司。

喬布斯走了,但他當時選定的68000芯片卻被繼續委以重任。從1985年到1994年,Mac的後續版本全部都採用680x0家族芯片,從68000一直到68060。摩托羅拉的680x0家族,也是當時不多地能跟Intel 80x86家族分庭抗禮的勢力。

沒有拜入Intel x86架構的陣營,讓蘋果避免了淪爲給“Intel Inside”打工的角色——這類角色最後被惠普、Dell和聯想所扮演。但這一選擇也給蘋果帶來了潛在的隱患:當Intel沿着摩爾定律狂飆的時候,摩托羅拉這條細狗能行嗎?

事實上,儘管680x0家族芯片在某些性能上不輸Intel 80x86家族,但Intel在出貨量方面碾壓摩托羅拉,而當時的芯片產業基本都是IDM垂直整合模式,設計製造封測一把抓,這種模式存在一個規則:重資產導致的規模經濟效應。

舉一個例子:假如A和B兩家芯片公司都生產某類型,A是行業老大B是老二,A生產了100萬枚,B生產了30萬枚,B的盈利會是A的30%嗎?答案是否定的。不但到不了30%,可能連3%都到不了,更有可能的情況是A賺錢,B虧錢。

一顆CPU售價可能只有30美元,但固定成本(研發投入和生產線)可能要幾億美金,造的芯片越多,每一枚芯片上分攤的成本才能越低。而Intel x86架構芯片和摩托羅拉680x0家族芯片銷量的差距,遠比100萬枚和30萬枚的差距大。

這讓摩托羅拉越來越難以跟上步伐,新款芯片的開發經常延期,比如原本計劃要在1989年發佈的68040,前後拖了整整一年,差點兒讓蘋果的新產品翻車。但蘋果又毫無辦法,還得小心伺候着摩托羅拉,享盡了受制於人的苦惱。

幸運或者不幸,喬布斯已經沒機會站在第一線去解決這些難題了。接下來的十年,他將以一個旁觀者的身份目睹了蘋果陷入了一個疲於應對“Intel+微軟”陣營、嘗試造芯卻又屢戰屢敗、最終市場份額被步步蠶食的惡性循環。

沒人知道如果當年沃茲選擇Intel會發生什麼,但毫無疑問,那省下的150美元,一定是改變了某些歷史進程的蝴蝶翅膀。

令人絕望的90年代

在兩個Steve都還在蘋果的1981年,同在加州的兩個名叫David的人則做了一項影響深遠的工作。

1981年,加州大學伯克利教授David Patterson和博士生David Ditzel發表了“The Case for a Reduced Instruction Set Computer”這篇論文,其中Reduced Instruction Set Computer中文譯名爲“精簡指令計算機”,取其首字母作爲縮略詞,便是日後大名鼎鼎的——RISC。

有“精簡指令計算機”,便有“複雜指令計算機”,即CISC。兩者的區別可以簡單理解爲在採用RISC設計理念的處理器裏,指令更短,長度統一,速度更快;而採用CISC設計理念的處理器裏的指令大都冗長複雜,運行效率較低。

在微處理器剛問世的那個年代(世界上第一款商用微處理器是Intel的4004,於1971年推出),設計者通常都需要絞盡腦汁來平衡成本和性能,指令集設計的缺陷也就顧不上了,因此早期主流的微處理器包括Intel 8080和摩托羅拉 68k,都可以被歸類爲CISC架構。

這就是這篇論文出臺的背景。兩位作者它們重新定義了一種新的CPU設計方法——RISC,並將任何不滿足RISC理念的處理器都歸類爲CISC。這讓Intel十分沮喪,畢竟誰也不想人在家中坐,一頂“複雜”的帽子卻從天上來砸了過來。

在Intel不爽的同時,一直在試圖尋找破局點的蘋果卻彷佛抓住了救命稻草。

在80年代後期,IBM兼容機陣營(IBM、惠普、Dell等)也用上了微軟的圖形化操作系統——Windows,逐漸把蘋果擠到了角落。儘管在桌面出版等幾個高端領域仍然強勢,但蘋果必須不斷提高硬件性能來守住最後的一畝三分地,芯片顯然是一個好的突破口。

而在RISC理念提出後,硅谷積極響應,斯坦福的MIPS、Sun公司的SPARC、DEC的Alpha等項目都取得了一定程度上的成功。這讓蘋果覺得“我上我也行”,加上摩托羅拉的芯片供應經常翻車,於是蘋果管理層大手一揮:自己搞芯片。

穩妥起見,蘋果選擇跟運營商AT&T合作,陸續啓動了兩個RISC項目:水瓶座(Aquarius)項目和霍比特人(Hobbit)項目,前者想用來替換摩托羅拉68000,作爲Mac的主力芯片;後者則想用在正在研發的Newton掌上電腦上面。

可惜,蘋果畢竟在芯片設計領域毫無經驗,而AT&T也早已不是那個憑藉貝爾實驗室號令天下的AT&T了,兩個臭皮匠合在一起湊不出半個諸葛亮,“水瓶座”和“霍比特人”先後鎩羽而歸,幾千萬美元的研發經費都打了水漂。

在此期間Intel x86架構卻繼續高歌猛進,甚至虛心學習RISC理念。在水瓶座項目被擱置的1989年,英特爾推出32位的80486,在x86系列芯片中首次使用RISC技術;1993年,英特爾推出奔騰處理器,開始了對CPU市場的長期壟斷。

蘋果將“水瓶座”和“霍比特人”的失敗歸結於搭檔的無能,因此在1990年,蘋果選擇了更強大的盟友一起造芯——老冤家IBM和老朋友摩托羅拉,三者組成了當年PC產業界最受人關注的“AIM聯盟”(Apple、IBM、Motorola)。

IBM和摩托羅拉各有各的心思:IBM搞了幾年兼容PC機後,發現自己根本卷不過Dell和康柏這種後起之秀,有點後悔自己把PC芯片外包給了Intel;摩托羅拉的訴求則更簡單:自己獨自對抗Intel,約等於騎着雅迪去追奧迪,實在是扛不住了。

新聯盟信心十足。IBM很早就開始了RISC技術儲備(甚至早於David Patterson提出RISC),80年代更是成功研發了基於RISC的POWER架構高端芯片,在服務器和工作站領域獨霸一方。這次合作的計劃,就是把POWER架構“下沉”到PC機上。

而摩托羅拉雖然不太靠譜,但好歹擁有消費級芯片開發經驗,加上蘋果當時每年還能賣130萬多臺(1990年)終端電腦,確保新芯片的採購量能夠突破盈虧平衡的規模線。因此AIM聯盟決戰Intel,可謂是八十萬對六十萬,優勢在我。

就這樣,AIM聯盟於1990年啓動,新的芯片被命名爲:PowerPC——在IBM原先的POWER一詞後加上了“PC”兩個字母。第一款芯片PowerPC 601的開發於1991年10月正式開始啓動,歷經21個月完成,並於1993年7月開始量產。

值得一提的是,“換芯”是一項極其複雜的工程,大概要完成三件事:一是重寫操作系統的底層代碼,工程量浩大;二是搞定代碼轉化器,確保新芯片能兼容之前的軟件;三是爲軟件開發商提供新的開發工具,並說服他們用起來。

在PowerPC 601尚在研發的時候,蘋果的工程師就已經在緊鑼密鼓地準備,並在芯片量產前成功地完成絕大部分工作。攢下這些“心臟移植”的經驗對蘋果來說非常重要,因爲這雖然是它第一次“換芯”,但絕對不是最後一次。

1994年3月,第一代搭載PowerPC芯片的Mac在曼哈頓發佈,蘋果終於換芯成功,這也意味着摩托羅拉68000系列的謝幕。

媒體對此不吝讚美。MacWorld評價:“蘋果奪回了8年前失去的性能領先地位”。

消費者反饋也非常積極,光是在預售階段就賣出15萬臺;1995 年1月,銷量突破100萬臺;而到了1995年年中,Power Mac幾乎取代了之前所有搭載摩托羅拉680x0家族芯片的型號。

換芯後,蘋果頻繁拿同期Intel的芯片來做對比:1997年,蘋果宣稱PowerPC G3性能是同期奔騰II的兩倍;1999年,蘋果宣稱PowerPC G4是同期奔騰III的2.94倍;2003年,蘋果宣稱PowerPC G5更是吊打奔騰4——這種“遙遙領先”的口氣,連餘承東老師都直呼內行。

Wintel陣營被嚇傻了嗎?沒有。相反,他們的應對策略是:你打你的,我打我的。這種自信來自於哪兒?

自信來自產業規律。上一章提到,重資產的IDM模式導致了芯片的規模效應,跟當年鏖戰680x0家族時一樣,x86芯片在成本方面始終壓對方一頭,甚至優勢還在不斷擴大——Intel市佔率在1985年是50%,到了1995年則已經超過80%。

沒有規模,就沒有利潤;沒有利潤,就不可能有用來改善產品缺陷的足夠資金。PowerPC由於是來自IBM服務器和工作站芯片的“下沉”,不可避免地帶有功耗大,發熱高的問題,但資金捉襟見肘的AIM聯盟始終無法解決。

比如號稱性能吊打奔騰4的PowerPC G5,功耗極高,發熱巨大,蘋果不得不重新設計機箱結構才能容納下巨大的散熱器,高配版甚至需要安裝一套水冷系統,這讓人很多業界人士瘋狂嘲諷:這貨也好意思稱自己是RISC?

要說產品缺陷,x86架構的問題一點兒都不少,比如指令複雜,寄存器少,功耗也很高。但Intel憑藉強大的資金實力,一手改善架構缺陷,一手狂砸製程工藝,不僅把RISC陣營擋在PC主流之外,還把服務器和HPC(高性能計算機)領域的份額給蠶食殆盡。

軟件生態更是一道難以逾越的鴻溝。一個故事是:影像軟件巨頭Adobe靠蘋果發家,第一代Photoshop就是隻發在Mac系統。1993年Adobe重點轉向Windows,喬布斯迴歸後請求Adobe多給Mac開發一些軟件,比如Premiere,結果因爲用戶太少被當面拒絕,喬布斯至死都沒原諒Adobe。

90年代的WinTel聯盟已經進入到了自我加強的良性循環:出貨量大→攤薄CapEx→衆多廠商採購→軟件生態繁榮→消費者認可→出貨量繼續大增。PowerPC在憑藉IBM的技術家底和RISC的先進性取得一定成果後,還是無法打破這個循環,也無法構建自己的循環。

評價一款CPU是否成功主要看三點:架構、製程、軟件生態。架構靠先天遺傳,製程靠後天努力,軟件生態則靠合縱連橫。RISC架構的確給了PowerPC一些先天優勢,但後面兩個的短板實在差距太大,AIM聯盟忙活半天,發現自己騎的還是雅迪。

難道真的沒有破局點了嗎?其實是有的。歷史告訴我們,再牢固的商業壁壘和護城河,都無法做到千秋萬載一統江湖。只不過蘋果尋找的破局點,並不在自己身上,而是在於兩個當時名氣還不大的名字:一個叫臺積電,一個叫ARM。

而後者,恰恰就是蘋果在絕望的90年代埋下的一顆種子。

打不過要不就投降?

硅谷早已天下聞名,但衆所不周知的是,英國有個低配版的硅谷——硅沼(Silicon Fen)。

硅沼指的是英國劍橋郡周邊的一片區域,因爲地處不列顛島一片沼澤地(Fenlands)的南端,所以起了一個古怪的名字。這裏大約等於上海的張江或者深圳的粵海街道,聚集了大批高科技公司,其中最有名的就是成立於1990年的Arm。

Arm的誕生跟RISC浪潮也息息相關。早在1983年,Arm公司的前身Acorn Computer受伯克利Patterson教授的RISC論文啓發,想設計一款基於RISC理念的芯片,於是便啓動了一個名叫Acorn RISC Machine項目,其首字母縮寫便是ARM。

Acorn公司沒有製造能力,便委託美國公司VLSI Technology代工,並在1985年成功出芯。後來蘋果的工程師尋找摩托68000的替代品,有一次使用ARM2芯片在模擬68000環境運行Mac軟件,發現居然跑得比68000更快,便將ARM列爲備選。

到80年代末,蘋果跟AT&T合作的Hobbit(霍比特人)項目擱淺,於是ARM芯片便成了天坑項目“Newton掌上電腦”的主芯片。蘋果想幹脆備胎轉正吧,於是向Acorn提議成立合資公司,條件是Acorn必須向新公司轉讓ARM所有知識產權和12名核心員工。

Acorn公司店小利薄,自然一口應允,而給ARM芯片代工的VLSI表示也想上車。於是1990年,三家成立合資公司,蘋果投資300萬美元佔股30%(後來上升到43%),新公司叫做Advanced RISC Machine(改了一個單詞),縮寫還是ARM。

跟逐漸陷入困境的蘋果相比,ARM公司反而越做越順,憑藉低功耗芯片技術和特殊的商業模式(向其他公司授權芯片架構),ARM公司在1993年便實現了盈利,在1998年完成了上市,股價更是趁着90年代末的科技股泡沫大漲。

因此,喬布斯在1997年迴歸蘋果後,驚喜地發現斯卡利居然給他留了這麼一份厚禮。

喬布斯在被驅逐出蘋果的12年(1985-1997)裏經歷曲折,本文不再贅述。1997年,他創辦的NeXT公司被蘋果收購,喬布斯以特別顧問的身份迴歸,此時蘋果的PC市場份額已由16%跌至4%。到了1996年,蘋果虧損10億美金,賬面現金一度只夠維持3個月的運營。

而喬布斯也變化巨大。從1985年開始,他見證了蘋果的衰落、英特爾的制霸、AIM聯盟的掙扎,見證了昔日名氣遠不如他的蓋茨稱爲世界首富;他經歷了父親的逝世,也擁有了美滿的家庭生活,儘管仍然桀驁不馴,但他務實了很多。

比如在重新擔任CEO後,喬布斯第一時間就給蓋茨打電話,懇求微軟給蘋果投資1.5億美金,並繼續開發Mac版的Word和Excel。在談判中喬布斯放低身段,好話說盡,甚至承諾把微軟的IE瀏覽器當作Mac的默認瀏覽器——任何一個用過IE的人,都明白這有多麼屈辱。

然後喬布斯大刀闊斧地砍掉了蘋果絕大多數的產品線,把型號從幾百款壓縮到10款以內,並裁掉3000多人。在砍掉的項目裏,就包括投入無數資金、但銷量極差的“Newton”掌上電腦,也是當時蘋果唯一使用ARM芯片的項目。

而對於風頭正勁的ARM,喬布斯的決定務實到有一些殘酷:拋售股票,給蘋果救命。

並非喬布斯看不到ARM的價值,而是砍掉Newton之後,蘋果在ARM擅長的低功耗場景裏已經沒有任何產品了,而此時蘋果最重要的任務是續命,而非繼續挑戰Intel。最終,蘋果通過減持拿到了數億美元,爲自己的研發輸血。

1998年,蘋果發佈了突破性的iMac,大獲成功,並帶動蘋果當年成功扭虧,盈利3.09億美金;2001年,蘋果發佈了iPod,這款能裝1000首歌曲的播放器立即風靡了全世界,到2007年,iPod已經賣出了超過1億臺。蘋果徹底新生。

處理完生存問題之後,喬布斯才能騰出精力來思考:如何解決Mac越來越嚴重的芯片問題?

如上一章所述,PowerPC芯片在經歷了剛誕生時的驚豔之後,便越來越難以招架Intel的x86家族。喬布斯迴歸之後,跟負責製造PowerPC的摩托羅拉CEO高爾文大吵了一架,在電話裏,他終於忍不住罵道:摩托羅拉的芯片爛透了。

從那時開始,喬布斯就暗自策劃推出AIM聯盟。但蘋果屢戰屢敗的造芯經歷讓他知道,在條件不成熟的情況下再去搞芯片無異自殺。於是他向董事會提出了一個非常務實,但讓人大喫一驚的建議:要不然咱買Intel的芯片算了。

蘋果的董事會討論了18個月,最終一致同意。跟上次切換到畢竟要論換芯,蘋果如果說自己第二,誰敢說第一?

而爲了賣產品,喬布斯還不得不繼續厚着臉皮在公開場合尬吹PowerPC的芯片,比如在2003年他評價即將發佈的PowerPC G5時說道:“PowerPC G5讓我們擁有了全球最快的桌面計算機……這是我們(跟IBM和摩托羅拉)長期、高效合作的開端。”

但芯片問題已經沒法再拖下去了。2001年初蘋果發佈搭載PowerPC G4芯片的PowerBook,之後5年都沒能升級過芯片(Intel陣營每年都升級),銷量一年比一年差,原因就是後續的PowerPC G5芯片因爲散熱問題,死活裝不進去。

從2004開始,蘋果開始自己歷史上的第二次換芯。Intel的CEO歐德寧(Paul Otellini)舉雙腳贊成。畢竟長期作爲反Wintel陣營的旗手級人物,喬布斯宣佈採用Intel芯片,約等於董明珠某天宣佈格力要從美的方洪波那裏買空調壓縮機。

Intel派出一支精幹團隊與蘋果合作,在6個月的期限內成功完成了所有底層操作系統的代碼修改工作。而蘋果的工程師也開發了一款名叫Rosetta的翻譯器,確保PowerPC上的軟件能夠在基於Intel x86芯片的Mac上平滑運行。

2005年,喬布斯公開宣佈Mac將轉投Intel陣營,部分追隨多年的果粉十分憤怒;而等到2006年1月喬布斯終於發佈了基於Intel新品的iMac和Macbook Pro時,當看到Macbook Pro相比之前的PowerBook性能提升5倍、續航提升2小時的時候,發佈會瞬間又變成大型真香現場。

蘋果第二次換芯成功了,十年後有媒體評價:喬布斯轉向Intel,是蘋果最成功的冒險之一。

命運多舛的AIM聯盟終於解散了,在2004年就聽到風聲的摩托羅拉乾脆退出了芯片業務,把資產打包剝離出來成立了Freescale(飛思卡爾),專注於汽車和嵌入式市場。而IBM也把PowerPC的部分資產賣掉,保留了給遊戲機用的芯片產品線——那是另外一個故事了。

解決了芯片“卡脖子”問題的蘋果,在桌面計算機市場(臺式機+筆記本)的佔有率不斷回升,2007年已經超過了10%,而後面的故事就耳熟能詳了:喬布斯在2007年發佈了iPhone,蘋果徹底走上神壇,一步步成爲全球市值最大公司。

在初代iPhone研發時,喬布斯曾想趁熱打鐵,勸說Intel爲蘋果開發移動芯片——那會的Intel還沒來得及向世界展示他們在移動領域的驚人無能。但因爲價格沒談攏,歐德寧事後回憶:誰能想到他搞的這款手機銷量會是(預計的)100倍?

於是蘋果轉向三星。第一代iPhone使用的是三星的S5L8900芯片——嚴格上講這不是一款芯片,而是一個SoC片上系統(System on Chip),由一個ARM架構芯片和一個PowerVR芯片組成,採用90nm工藝,勉強夠用。*爲了讀者通俗理解,我們後面仍然用芯片來指代SoC。

三星的半導體業務發軔於90年代,由二代李健熙親自佈局,通過“反週期定律”一步步變成全球存儲芯片的老大。2006年三星進入芯片代工領域,在技術上迅速追上臺積電,並通過自研的S5L8900芯片喫下成爲iPhone芯片的唯一供應商。

但喫過單一供應商大虧的喬布斯,心中有一個揮之不去的隱憂,那就是:萬一三星變成第二個摩托羅拉和IBM怎麼辦?而在2007年的iPhone發佈會上,喬布斯就引用了Alan Kay的一句話:真正在意軟件的人,應該自己造硬件。

Alan Kay是誰?他是圖靈獎獲得者,是面向對象編程的發明者,他在施樂PARC領導開發了歷史上第一個用戶圖形界面,直接啓發了喬布斯的Macintosh和蓋茨的Windows。援引Alan Kay的話,是不是意味着喬布斯又悟出了新的啓發?

也許,是時候徹底解決芯片問題了。但問題是:蘋果經歷瞭如此漫長的芯酸往事,這次會不一樣嗎?

英雄集齊不問出處

在巨頭幾乎壟斷的背景下,一個新的芯片體系要想造得出、賣得好、用得爽,需要一個前提+三個條件。

一個前提就是:IDM模式造成的高門檻,必須被某種方式所降低甚至瓦解。如前文所屬,摩托羅拉680x0家族和PowerPC最後都是敗給了“重資產的規模效應”這條產業規律,如果這堵高牆仍然橫亙在新玩家的面前,新的芯片體系很難成功。

打破這堵高牆的,就是晶圓代工(Foundry)模式,尤其是進入到2000年之後,臺積電和三星等公司成功縮小了跟Intel之間的差距,讓之前認可度一般的晶圓代工模式不斷壯大,IDM一統江湖的現狀被打破,產業鏈出現了分工,大幅度降低了新進入者的門檻。

還是用第一章的例子:假如A和B都生產同一類芯片,A生產100萬枚B生產30萬枚,如果兩者都是IDM模式,那麼B的成本永遠都比A高的多。但如果B找C去代工,C可以讓B跟同一製程的客戶比如D、E、F等一起分攤固定成本,那麼B的成本就可能跟A接近甚至打平。

而ARM的崛起又進一步拉低了新進入者的成本。相比製造而言,芯片的設計環節雖然花錢少一些,但如果從頭開始設計一套新的CPU架構耗資巨大且成功率很低。而ARM的授權模式和良心收費,幫助想擁有自己芯片的企業大幅降低了設計成本,進一步拉低門檻。

簡單總結:就是IDM模式=設計+製造+封測,被拆解分工後,ARM幫你拉低設計成本,臺積電幫你拉低製造成本,封測又轉移到大陸成本降到低無可低,這樣即使蘋果芯片的量只有Intel的5%,單個芯片的成本也不會比Intel高太多,甚至有可能打平。

於是,當臺積電和ARM在2000年後成功重構了產業鏈後,大量新興的Fabless(無晶圓廠)芯片公司崛起,高通藉助ARM的授權開始進入芯片領域,英偉達依靠臺積電的代工做出了第一代GeForce顯卡,甚至連AMD最後都賣掉工廠,全靠代工纔跟Intel拼到現在。

蘋果重返造芯的一個前提有了,三個條件是什麼?一是資金,二是客戶,三是團隊。

第一是資金。產業鏈重構之後,造芯所需的資金其實豐儉由人,你搞一款90nm的嵌入式芯片,幾百萬就能上車;但如果你要搞複雜的處理器芯片(也是蘋果想做的),沒有10億美金基本別想動工。當然對發佈iPhone後的蘋果來說,門檻兩個字怎麼寫他們已經忘了。

第二是客戶。芯片造出來是第一步,賣出去是第二步,在用的過程中發現問題反饋迭代是第三步,後兩者都需要願意捨命陪你跳坑的客戶。這樣的客戶比熊貓還稀缺,尤其是消費電子市場,芯片的一個翻車可能就萬劫不復。蘋果和華爲,在這方面都有天然優勢。

第三是團隊。芯片越往上設計,就越離計算機、半導體、數學這幾門科學越近,要做出處理器級別的芯片,不光需要頂級的工程師,更需要頂級的科學家。而在計算機和半導體的發源地硅谷,這些人才雖然不能說遍地都是,但絕對比全世界任何一個地方都多。

蘋果在決定造芯之後,立馬就開始了頂級人才——或者說是頂級大神的蒐羅工作。

首先加入團隊的是人稱“大D哥”的Daniel Dobberpuhl。他曾在DEC先後領導過兩個著名RISC項目——Alpha和StronARM。Alpha芯片曾在工作站和服務器領域光芒四射,雖然最終還是不敵Intel,但它影響深遠,你甚至能在神威太湖之光上看到它的些許影子。

StrongARM最後也是差不多同樣結局,最後被DEC連同大D哥本人一起賣給了Intel。Dobberpuh在Intel沒待幾天就離職創辦了SiByte,主攻MIPS架構芯片,發展迅猛,幾年後這家只有120個人的公司就被Broadcom以20億美元的天價收購,大D哥徹底財務自由。

2003年,Dobberpuh又雙叒離職,創辦了PA Semi,轉而搞PowerPC架構的芯片。到了2008年,已經在籌劃造芯的蘋果收購了PA Semi。此時蘋果芯片團隊只有40人,PA Semi一下子就帶來了150多人,大大加強了團隊板凳深度。

早在收購PA Semi之前,蘋果就已經把這家公司裏的另一位大神Jim Keller給挖了過來。Dobberpuh擅長連續創業,Jim Keller的傳統藝能則是瘋狂跳槽,DEC、蘋果、AMD、Intel、特斯拉都待過,但每個地方他都留下了傳奇作品——比如重振AMD雄風的Zen處理器。

最後一位大神,是蘋果從IBM挖來的Johny Srouji。阿拉伯裔的Johny Srouji出生於以色列,父親是一名木匠,他從小學習成績優異,考入了被譽爲“中東MIT”的以色列理工學院,精通希伯來語、阿拉伯語、法語和英語。畢業後他加入IBM在以色列的研發中心。

在IBM暫露頭角後,Johny Srouji被Intel挖走,工作八年後又被IBM反挖回去,負責高性能計算芯片POWER7的研發。幾個來回之後,他成爲半導體屆一顆冉冉升起的新星。蘋果硬件負責人Bob Mansfield向喬布斯極力推薦Johny Srouji,喬布斯果斷僱傭了他。

還是那句話:一個人的命運當然要靠自我奮鬥,但是也要考慮歷史進程。蘋果芯片團隊中大多數人的職業生涯都奉獻給了命運多舛的RISC,但在向Intel x86帝國衝塔的過程中,基本上是敗多勝少。這些人跟蘋果一樣,終於等到了產業生態出現劇烈變化這一刻。

諸多大神歸位,Johny Srouji被任命爲整個芯片團隊的頭。他後來回憶喬布斯對他講的一段話[]:“如果要讓蘋果真正脫穎而,出給用戶提供真正獨特和偉大的產品,唯一的方法就是擁有自己的芯片——你必須控制並擁有它。”

一款新的處理器從設計到量產,至少需要幾年的時間。因此初代iPhone的後續型號——包括2008年的iPhone 3G和2009年的iPhone 3GS仍然使用三星的芯片。同時,蘋果的收購仍然繼續,計劃中的最後一塊拼圖,是一家位於德克薩斯州的名叫Intrinsity的公司。

這家公司擅長一種名叫Fast14的技術,能夠將ARM提供的通用內核從650MHz加速到1GHz。三星在2009年宣佈跟Intrinsity合作,用他們的技術打造出了“蜂鳥”內核和S5PC110芯片——這款芯片搭載到了三星第一代Galaxy S手機上,全球大賣,成爲iPhone最早的挑戰者。

在意識到Intrinsity的價值之後,蘋果搶先三星一步把Intrinsity收入囊中,這導致三星以後再也不能使用Intrinsity的技術了。而2010年也是三星和蘋果分道揚鑣的開始——三星自詡安卓陣營老大,已經跟iPhone全面開戰,而蘋果在屏幕、閃存和芯片方面卻仍然要依靠三星,只能咬着牙忍氣吞聲。

在兩家貌合神離、合作暗流湧動的背景下,蘋果第一代自研芯片A4在2010年1月發佈了,這便有了本文開頭的場景。

蘋果自家的團隊在A4上的貢獻其實並不大,A4大部分設計工作由三星和Intrinsity完成,跟三星的S5PC110芯片其實是同卵雙胞胎。因此,當一些拆解機構對A4的裸片進行顯微拍照和紅外成像後,發現蘋果號稱的自研跟S5PC110內核相同時,嘲諷鋪天蓋地襲來。

但Johny Srouji和團隊幾乎沒有受到任何影響,而Intrinsity公司100多人團隊的加入又讓蘋果如虎添翼。幾隻不同背景的隊伍匯聚在一起,他們把重點放在了A5之上,併爲了能讓A5搭上計劃在2011年發佈的iPhone4S而爭分奪秒。

而在另一廂,喬布斯讓庫克派出了手下大將、運營副總裁Jeff Williams祕密前往臺灣接洽臺積電,張忠謀親自在家裏接待,雙方喝着紅酒達成協議:蘋果未來將把芯片代工的訂單轉移給臺積電,臺積電則保證準備90億美元建廠資金和6000個工人,以確保產能。

很快,全世界都將目睹蘋果芯片團隊神擋殺神、佛擋殺佛的震撼過程。

神擋殺神,佛擋殺佛

從繁華的以色列特拉維夫駕車向北,穿過鹹溼的海風,不出30公里就能抵達沐浴在地中海陽光裏的Herzliya市。

這裏遠離加沙和約旦河西岸,你幾乎不會在天空上看到“鐵穹”攔截哈馬斯火箭時劃過的白煙。人們享受着白色的沙灘、密集的咖啡館和蔥鬱的林蔭大道,生活方式不像中東而更像加州,在這座安靜的小城裏,有超過1000名員工正在爲蘋果研發芯片。

蘋果在以色列部署一支龐大的軍團,一方面跟Johny Srouji是以色列人有關,一方面也是因爲以色列本身就是半導體人才的富礦。蘋果從2011年開始便通過招募和收購的方式,在這個離硅谷1.2萬公里的地方建立起了海外第二大研發中心,幾乎都是芯片相關。

人們很難在敘利亞內戰和ISIS崛起這些黎凡特地區新聞裏找到蘋果造芯的蛛絲馬跡,而蘋果的緘默也讓Johny Srouji的團隊變得神神祕祕,他本人更是極少接受採訪。後來彭博在2016年終於拿到專訪機會,標題就很直接[10]:那個你從來都沒聽說過,但又最重要的蘋果高管。

其實這種刻意除了增加流言和猜測外,並沒有起到“低調”的效果——因爲A系列芯片的強悍性能,已經砸到所有人臉上了。

2010年的A4貶褒不一,但2011年的A5和2012年的A6這兩款雙核芯片,就已經在性能上對齊同期安卓機皇的四核芯片。2013年,蘋果率先推出全球首款64位處理器A7,將仍處在32位時代的高通、三星遠遠拋在身後,移動SoC自此進入64位時代。

要想看懂蘋果芯片,需要先了解一些事實:ARM這家公司其實賣兩種東西,一類叫“架構許可”,客戶可以根據指令集架構設計自己的內核;一種叫“公版內核”,就是ARM幫你設計好的內核,客戶買回家整合到自己芯片裏就行。

用一個未必恰當的類比:“架構許可”好比賣食材,ARM幫你洗好剝淨,你不用搞個菜園自己種了(拉低芯片設計成本),但最後菜好不好喫還得看你煎炸烹煮的水平;而後者則是用上述食材做好的預製菜,回家放點兒蔥花簡單烹飪一下,很快就能湊出一桌酒席。

當然,“預製菜”聽起來簡單,但全世界能做好的也不多,敢於嘗試自己下廚開發私版內核的人更少,比如ARMv8的“架構許可”全球僅有15家客戶。蘋果的A4和A5上都是買公版內核,等於喫了兩年的“預製菜”,而從iPhone5搭載的A6芯片開始,蘋果就想自己下廚了。

Johny Srouji的團隊先是推出了基於ARMv7架構的Swift內核,讓A6備受好評;ARM在2011年底又發佈了新的ARMv8架構,蘋果全力衝刺在12個月之內就搞出了基於新架構的Cyclone(旋風)內核,搭載新內核的A7成爲全球首款64位處理器,拉下高通和三星一大截。

之後的故事便耳熟能詳,從A7到去年發佈的A16,蘋果A系列芯片基本都對安卓陣營的同級芯片形成碾壓。

由A系列錘鍊出來的芯片設計能力,不出意外地“溢出”到蘋果其他的硬件創新上。2014年,蘋果發佈第一代Apple Watch,搭載地就是蘋果自研的S系列芯片;2016年,蘋果發佈第一代Airpods,搭載的是自研的W系列芯片(後被H系列取代)。

Airpods是芯片推動硬件創新的典範。在Airpods出現之前,市面上大多數產品都需要用實線連接兩隻耳機,而蘋果通過W1芯片實現了藍牙信號監聽,消滅了累贅的傳輸線,並大幅提升了延遲、降噪、續航等方面的體驗,基本上重新定義了“無線藍牙耳機”這個產品。

到了2018年,內功突飛猛進的蘋果終於做了一個驚天動地的決定:把槍口重新對準Intel。

這恐怕是半導體產業誕生以來最難啃的硬骨頭。如前文所述,Intel在誕生的半個世紀裏縱橫捭闔,腳下全是挑戰者的屍骨。x86帝國不僅在PC機上接近壟斷,在服務器和高性能計算機(HPC)領域也把RISC陣營擠出市場。

蘋果既然敢去在此挑戰Intel,就肯定不會打無準備之仗。事實上,經過多年的悶聲大發展,Johny Srouji團隊的人數已經超過4000人,戰鬥力爆表,更重要的是,A系列的很多技術都能跟M系列(蘋果桌面級芯片的代號)通用。

比如蘋果基於ARMv8架構設計了Firestorm(火風暴)和Icestorm(冰風暴)兩個名字炫酷的內核,前者性能高,後者能耗小,2020年9月發佈的A14芯片就用上了這兩款內核(2+4),而2020年11月發佈的M1芯片也同樣用上了(4+4)。

當然,設計桌面級芯片複雜度要比手機芯片大得多,翻車的概率也很大。因此當蘋果把換芯的決定告知了Intel,後者大感驚愕之餘提示風險,蘋果表示“我們不是第一次(換芯片)了”,並頻繁地對外抱怨Intel擠牙膏式的產品升級,像極了在演一部電影:分手的決心。

不滿Intel擠牙膏的不光蘋果,很多Wintel陣營的用戶也暗自希望Intel能有點兒壓力;那些見識過蘋果A系列芯片輾壓級戰鬥力的果粉,自然無比期待;對於半導體行業的觀察者來說,此事更是意義重大——晉西北好久沒打成一鍋粥了,你李雲龍鬧得越大越好。

2020年11月,庫克發佈了搭載M1芯片的Macbook Pro。在展示M1性能的那一刻,所有芯片玩家都屏住了呼吸。

M1總共有160億晶體管,它把8核CPU(4大4小)、8核GPU、圖像處理單元 (ISP)、神經網絡單元等都集成在一個硅基SoC上,通過統一內存技術大幅提升內部通信帶寬,單核和多核的性能可以簡單理解爲介於Intel的i7和i9之間。

M1的強悍性能到了讓Intel看了沉默、AMD看了流淚的地步,甚至蘋果內部高管也被M1的性能所驚訝。發佈會結束之後,蘋果軟件負責人Craig Federighi和硬件負責人John Ternus接受採訪直言[11]:蘋果自己都沒能預料M1芯片會帶來如此大的進步。

蘋果高管或許還有王婆賣瓜的嫌疑,但Macbook的銷量不會騙人:2021年,筆記本銷量因爲疫情大漲,但Macbook增長最快,市場佔有率超過10%,份額擴大了24%;2022年疫情退潮,在全球筆記本銷量下滑的背景下,Macbook繼續增長,份額已經達到了14%。

M1之後,Johny Srouji的團隊繼續攻城拔寨,陸續推出了M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra和M2芯片,逐步其他蘋果桌面設備的Intel芯片換掉。Johny Srouji也開始走向前臺,頻繁現身蘋果發佈會,甚至一度有傳言說他會去接任Intel的CEO。

儘管蘋果不會對外出售M系芯片跟Intel直接開戰,但兩家公司糾纏30年的角力,終於畫上了句號。

不光是Intel,蘋果跟幾乎所有半導體巨擘發生都過交集:它拋棄了IBM和摩托羅拉,直接導致兩者退出了芯片領域;它割席了三星,並扶持了它的對手臺積電;它壓制了高通,讓所有安卓機皇都不敢妄言跟A系列芯片比肩……

一部蘋果造芯記,半本硅谷崛起史。回頭來看,蘋果造芯的這場逆襲是如此地漫長,以至於這個故事差不多囊括了大部分硅谷的風雲人物和事件——從集成電路的起源到個人計算機的革命、從Wintel聯盟的制霸到RISC陣營的反擊、從ARM的誕生到臺積電的崛起……

一場奧德修斯式的返鄉故事,能夠帶給我們什麼啓示呢?

啓示錄

如果單純只問蘋果造芯的故事有什麼參考意義,那麼答案也很簡單:幾乎沒有任何參考意義。

蘋果是一家跟硅谷同頻起飛的公司,它的歷史本身就是硅谷的一部分。土生土長的硅谷本地人喬布斯跟很多教科書裏的芯片大神私交甚篤,比如仙童和Intel的創始人羅伯特·諾伊斯甚至對妻子這樣開玩笑:如果喬布斯再這麼晚給我打電話,我會殺了他。

前文所述造芯的“一個前提和三個條件”,除了“前提”外,單拎出來資金(利潤率和資金儲備)、團隊(人才密度和號召力)和客戶(市佔率和用戶粘性),再加上創始人的特質,你就會發現蘋果的成功不但中國公司複製不了,美國也沒有第二個公司能複製。

如果說這部爽文能有什麼啓發的話,那筆者提一個沒那麼宏大澎湃的角度:計算機和芯片是“產業”,但更是“科學”。

蘋果造芯這個故事的“明線”,是一家消費電子公司如何隱忍如何爆發最後瞭解恩怨;而“暗線”則是CISC和RISC兩種不同的芯片設計理念三十年的相互纏鬥——這種纏鬥本質上是計算機體系結構(Computer Architecture)這門“科學”的發展在“產業”上的延伸。

什麼能表徵產業?產值、利稅、市佔率、就業人口。什麼能表徵科學?理論、定律、思想、底層突破。計算機和芯片當然是產業,但更是兩門誕生不到100年、還在演化和突破的科學,而蘋果故事裏的要素提醒了我們一個事實:美國是這兩門科學發源的地方。

組成計算機和芯片這兩門科學的大廈的,是晶體管、集成電路、Unix、編譯器、以太網、GUI(用戶圖形界面)、RISC、數據庫、TCP/IP、面向對象編程、激光打印、人工智能、浮點計算、神經網絡、機器學習……它們幾乎都出現在美國。

產業容易轉移,但科學卻不容易轉移,或者說科學無法轉移,只能通過悉心培育科學精神,才能在自己的土地上開花結果。美國雖然很多產業被轉移出去,但仍然把控着計算機和芯片科學的創新,而至今70多位ACM圖靈獎的獲得者,也幾乎全部都是美國人。

理解這個,就容易解答很多人的疑問:爲何我產業規模如此大了,還這麼容易被卡脖子?

當然,考慮到起點,能先把產業做起來已屬不易。畢竟當蘋果成立的時候,四人幫還在臺上。1984年洛杉磯奧運會,西方的記者都用上了IBM的PC機,中國記者卻只有紙和筆,法新社寫道:“在全世界報道奧運會的7000名記者中,只有中國人用手寫他們的報道。”

在經濟突飛猛進的四十多年裏,無論是大型企業的掌門人,還是十八線城市的科長,都習慣了用“產業”的思維來考慮問題。就像2014年楊元慶對話馬斯克,前者問後者:2013年聯想一共售出了1.15億臺設備,特斯拉賣了幾輛車?

產值、規模、市佔率這些參數,的確有很重要的意義,但不應該被它們遮蔽掉最應該去關注的問題。在過去,太多企業熱衷搞規模,熱衷堆人頭,熱衷價格戰,在取得一定成績之後,卻又不敢沿着鏈條向上攀登,反而仍沉浸在低質量的零和博弈裏。

產業思維重要嗎?當然重要,對發展中國家來說意義再怎麼強調也不爲過。但對於一個正在向上攀援的“喫勁”國家,科學的思維絕對不能缺失。而最近這些年,往往有一個普遍現象:硬骨頭很少有人啃,看起來容易的情卻一堆人來卷。

站穩腳跟的中國科技公司,全社會都應該鼓勵他們把精力投入到前沿科學的突破中去,而不是催促他們去植樹和捐款。而它們自己,也不應該被那些規模指標所迷惑——富可敵國如蘋果,都在花三十年磨一劍,更何況利潤率往往只有個位數的諸位呢?

中國這些年出現了越來越多靠“科技”來賺錢的公司,在全球產業鏈上建立了話語權,但在卡脖子的當下,人們不免發出這樣的感嘆:要是像xxx這樣的企業再多一些就好了。穿透一些令人沸騰的數據,我們往往發現很多產業的差距仍然巨大。

知己知彼,重要的知己。套用范志毅在國足輸給泰國後講的一句話:“務實一點,把這個足球的理念先搞懂。”對於中國的很多產業來說,要搞懂的東西的確太多太多了,所有的產業參與者,都需要耐心、耐心、再耐心。

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