始於 ARM 與三星:蘋果自行設計的 SoC 是怎麼走到今天?

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對於想讓行動裝置擁有AR能力、同時推展Apple Watch等穿戴裝置的蘋果,「省電」與「GPU」都是關鍵技術,這可能會讓蘋果嘗試在「自控晶片」的道路上走得更遠,儘管在那之前,用戶可能會先見到iPhone 10。

2005 年的 WWDC 上,賈伯斯(Steve Jobs)公佈了一項重要的計劃:將 Mac 從 IBM 的 PowerPC,轉移到 Intel 的 x86 架構。然而在當時,蘋果也在私下進行兩件大事:開發平板電腦,以及當時仍以 iPod 設計為基礎、但加入了通訊功能的原型手機。

蘋果行動裝置之初:為什麼是ARM?

蘋果開發觸控式平板電腦的時間點其實比手機還早。賈伯斯坦言,他是因為參加微軟高階工程師的婚禮,才打聽到微軟正在設計以觸控筆來操作的平板電腦(註 1)。當時蘋果對手機的想法還沒有完全脫離 iPod 的轉盤,直到 Jony Ive 向賈伯斯單獨簡報能用手指捲動頁面的多點觸控原型,Jobs 才拍板把原本放在平板電腦的多點觸控,改到手機。

蘋果 2004 年推出的多點觸控專利圖。
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儘管為了管控風險,iPod 風格的轉盤版 iPhone 仍然繼續開發,但新的多點觸控原型除了同步進行,也執行了從檔案系統底層就大改寫的行動版 Mac OS X,並去除滑鼠游標,改用手指。為了整合 OS X 以及新的多點觸控到尺寸小得多的手機,同時保留類似 Mac 的 UI 效果,蘋果發現自己需要一組高效省電的 CPU 與 GPU 架構,又必須省空間把它們整合到一枚 SoC(System on Chip,系統單晶片)。

蘋果其實已經有過相關經驗的合作供應商。當時還佔公司 40% 營收的 iPod,用的是 PortalPlayer 生產設計的 ARM 架構處理器,直到 2006 年因為出貨短缺,才轉單給三星。當時,三星幾乎是唯一能整合 PowerVR,以及 ARM 架構的 SoC 設計廠,同時還能每年穩定出貨數百萬枚。一直到 iPhone 3GS,蘋果都還在使用三星的 ARM 架構應用處理器。

然而實際上,蘋果與 ARM 的關係還比想像中更早。在 1997 年賈伯斯回歸蘋果前,蘋果曾在 1994 年推出一台稱作「Newton」的掌上型電腦,並為此與 Acorn 參與了 ARM 的創辦,來開發 Newton 的處理器底層,直到賈伯斯重回蘋果停產 Newton 並處分對 ARM 的持股(註 2)。後續,ARM 亦隨著 Nokia 的成功,成了幾乎是行動領域唯一的應用處理器架構。

Intel Atom、ARM,以及 XScale

在開始開發行動裝置時,SoC 設計除了 ARM 與三星,蘋果還考慮過另一個選擇,那就是 Intel。

2005 年,蘋果剛把 Mac 從 PowerPC 轉移到 Intel x86,為了節省開發資源,賈伯斯其實首先考慮在 iPad 使用 Intel 的 Atom 處理器。雖然 Atom 當時仍在研發,但每季會與 Intel 開會一次的賈伯斯卻頗信賴 Intel CEO Otellinii 的能力──放眼全球,也沒有其他廠商能做出效能比 Intel 更好的產品。賈伯斯甚至為此在 2005 年,裁掉蘋果早年為了 Mac 籌設的晶片設計部門。

左二為 Tony Fadell 。
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不過 Tony Fadell 卻大力反對使用 Atom。Fadell 因為一手整合了 iPod 的軟硬設計,成為蘋果的二號人物。在他的堅持下,賈伯斯同意改用設計更簡單、同時也更省電的 ARM 架構(註 3)。賈伯斯後來回憶:

Intel 的確有全世界最好的處理器,但前提是不在乎能耗與價格。此外,他們的晶片也只有處理器,所以還需要其他類型的晶片來配合……但多年來,我們一直告訴 Intel,他們的繪圖晶片做得很差。起初,我們合作得很好,Intel 也希望和我們一起研發 iPhone 晶片,但他們動作太慢,應變力也不夠,我們無法一直等他們;此外,我們也不打算什麼事都教給 Intel,然後讓他們把東西賣給競爭者。

儘管 Intel 前 CEO Otellinii 後來表示,雙方沒有合作行動裝置晶片,原因只是 Intel 不滿意蘋果的報價,同時也判斷蘋果行動裝置最多百來萬台出貨量,根本不能讓 Intel 獲利,但無論如何,Intel 的決定最終讓蘋果轉向三星設計的 ARM 架構應用處理器。

有趣的是,Intel 其實也有過自己的 ARM 架構團隊,是一間收購得來、稱作「XScale」的公司。當時 Intel 對 iPod 以及蘋果正在祕密研發的新款行動裝置仍保有興趣,同時希望透過 XScale 打入 PC 以外的市場,不過隨著蘋果在 2006 年將 iPod 轉單給三星 ARM 架構處理器,Intel 也在 2006 年賣掉 XScale,轉攻 X86 架構的 Atom。

三星與初代 iPhone

2007 年,蘋果發表革命性的第一代 iPhone,使用三星設計的 ARM 架構 SoC,GPU 則是透過 Imagination Technology 的 PowerVR。不過,iPhone 一發表,賈伯斯就深知它的隱憂:沒有前鏡頭,只支援 AT&T 的 2G,續航力也很弱。更大的缺陷是:iPhone 雖然設計先進,但只是整合各方資源打造的產品。它使用的晶片(沒有特地命名),原始設計甚至是用在三星的 DVD 播放器。

不過三星這款 SoC 確實很不錯。當時在 ARM 架構上執行的行動作業系統,像是 Nokia 的 Symbian,微軟的 Windows CE,以及黑莓,甚至初版的 Android,都是功能相對簡單的輕量系統,不過三星的 SoC 卻能幫助蘋果,在 ARM 架構執行改寫自 Mac OS X 的 Unix 系統,同時還有著完整的 UI 效果。蘋果的成功,讓這些廠商重新調整了開發計劃,其中就包括蘋果日後的對手 Google Android。

賈伯斯注意到潛在的競爭對手。為了加速開發效率,同時維持 iOS 的獨特性與先發優勢,蘋果需要一款能 100% 自控的晶片,來作為 iPhone 的底層。然而,2005 年才裁掉晶片研發團隊的蘋果,不僅沒有足夠能力的工程師來與三星交涉想要的 SoC,第一代 iPhone 使用的 SoC 儘管不錯,也不是蘋果完全認同的設計。

於是在初代 iPhone 發表後不到一年,蘋果便祕密與 Imagination Technology、三星,簽署了 GPU 以及 SoC 開發的協定,同時也開始招募員工,重建自己的晶片團隊。

A4:蘋果第一款自行設計的 SoC

2008 年,蘋果從 IBM 挖角了 Johny Srouji。他後來一直是蘋果晶片部門的副總裁,主管每一代蘋果 SoC 的設計。Srouji 加入不久,蘋果在 2008 年 4 月又以 2.78 億美元,祕密收購了矽谷新創公司 P.A Semi。這間公司的專利與團隊,也成為蘋果日後設計 SoC 的核心,同時讓蘋果的晶片團隊從 40 人增加到 150 人。到了賈伯斯離世的 2011 年,蘋果的晶片工程師更超過了 1,000 人。這成了賈伯斯晚年對蘋果影響最深遠的決策。

2009 年賈伯斯接受《時代雜誌》專訪時,還曾經簡短談到一年前買下 P.A Semi 的理由:

P.A Semi 將會專門為 iPhone 與 iPod 設計 SoC。

不過當時賈伯斯還少談了兩件事。首先,蘋果買下 P.A Semi 不只是為 iPhone 與 iPod 設計 SoC。它獨立設計的第一款 SoC,其實最初是用在蘋果 2010 年的新產品 iPad,而不是 iPhone 與 iPod。此外,當時蘋果也已經與 Imagination Technology、三星簽訂合作 SoC 的協定,因此,蘋果最初並不完全是獨立開發自己的晶片。

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2010 年隨著第一代 iPad 亮相,賈伯斯簡報了蘋果設計的首枚 SoC「A4」。A4 使用 ARM 的 Cortex-A8 為 CPU 核心,以及 Imagination Technology 的 PowerVR SGX 535 當作 GPU。儘管用的是 ARM 的 Cortex-A8,但蘋果經由與三星、以及一間美國公司 Intrinsity 的合作最佳化了 CPU 架構,讓 A4 的 Cortex-A8 時脈能高過其他同樣採用 Cortex-A8 的處理器,但又能完全相容 ARM 架構。

蘋果與三星的合作也首次付出代價。不清楚是經由與 Intrinsity 的合作關係,還是與蘋果之間的三方協定,三星後來把這個改版的 Cortex-A8 CPU 核心稱作 Hummingbird,並用在自家的 SoC「S5PC110」。後續三星又在 2011 年把 S5PC110 改稱為 Exynos 3,成了三星最早以「Exynos」命名的自家 SoC,並搭載在第一代 Galaxy S、Galaxy Tab,以及 Google 的二代 Nexus S。而早在 iPad 發表前,三星就已經把 Hummingbird,用在自家兩款手機的 SoC。

於是,或許是為了提防與三星間的競爭,蘋果在第一代 iPad 發表後 3 個月,便緊急收購了 Intrinsity。

而事實上,Exynos 3 的設計也幾乎與 A4 相同,只是兩者的電路設計稍有區別。這起事件或許也標示了庫克(Tim Cook)接手蘋果 CEO 後,與三星的一系列侵權訴訟的前奏。實際上,使用 Exynos 3 的 Galaxy S,後來也被蘋果控告抄襲 iPhone 3GS。

A5 到 A10:更進一步

之後的幾年間,蘋果逐步加大晶片研發的力度。2011 年以後,蘋果每年的研發經費投入都在增加,2014 年起,更是以每年 20 億美元的幅度成長,最終在 2016 年突破 100 億美元。其中,晶片、電動車,以及穿戴裝置,被認為是蘋果研發投入的三項重心;蘋果的 CFO Luca Maestri 也曾表示,這些投入多數都集中在晶片。

A5

蘋果的第二代 SoC 是「A5」。與前代 A4 一樣,最初是用在新的 iPad 2,隨後又很快地配給 iPhone 4s。A5 是蘋果的第一款雙核心 CPU、GPU 的 SoC,這項策略一直延續至今日的 iPhone 7。A5 的體積比 A4 大了一些,也首次整合了新的 ISP 來優化白平衡。在日後很長一段時間裡,成像的白平衡一直是 iPhone 相機的強項。

為了因應 Siri,A5 也增設了一個稱作「earSmart」的區域,可能是專門用來執行語音辨識的演算法,這導致沒有 earSmart 的 A4 產品,像是 iPhone 4,就沒辦法使用 Siri。蘋果也宣稱 A5 的 GPU 效能是 A4 的 9 倍,並且在之後將 A5 的 GPU 架構升級到 4 核心,並改稱 A5X,搭載於首款支援 Retina Display 的 iPad 3。然而 iPad 3 因為效能不振,上市僅 7 個月就停產,成為最短命的 iPad。

A10 Fusion 其實是蘋果的第一款 4 核心 SoC。不過它的設計是兩大核 + 兩小核,運作起來還是很類似雙核心。
蘋果

A6

第三代 SoC「A6」對蘋果來說則是一個新開始。從 A6 起,蘋果不再使用 ARM 的公版設計方案,例如先前 A4、A5 採用的 Cotex-A 系列,而是改與 ARM 簽訂指令集授權,以 ARMv7-A 為基礎開發一個自己的 CPU 架構「Swift」──和蘋果後來的程式語言剛好同名。這個舉動,讓蘋果成為高通以外,第二個以 ARM 指令集為基礎開發 SoC 的公司。

A6 也從前一代 A5 的 512MB 的 LPDDR2-800 記憶體倍增到 1GB LPDDR2-1066,同時在相比 A5 小了 22% 的體積下,完成快上兩倍的 CPU、GPU 性能,還能比 A5 省電。這讓後續的 iPhone 5、iPhone 5c 相比 iPhone 4s,在升級 iOS 時有更多優勢。

A7

2013 年搭載在 iPhone 5s 的 A7 可能是蘋果對行動產業影響最深遠的一枚 SoC。蘋果當時以近乎突襲的方式,將行動業界主流的 32 位元架構升級到 64 位元,成為現代智慧型手機與平板電腦中,第一款 64 位元 CPU 的 SoC,逼得高通宣佈放棄所有 32 位元產品的研發投入,全面跟進蘋果。它搭載的 GPU 架構 PowerVR G6430,也讓 A7 成為繪圖性能接近 Xbox 360 以及 PS3 的產品。

A7 的另外一個特點是以 ARM 的 TrustZone 方案為基礎,打造一塊稱作「Secure Enclave」的區域,來專門儲存 Touch ID 指紋資訊。至今,這個方案仍未從硬體上被破解,為日後的 Apple Pay 打下基礎。此外,為了處理升級 64 位元產生的能耗,A7 也把加速度感應器、電子羅盤和陀螺儀移除,整合到一個新的協同處理器「M7」。M7 後來也一路升級到 M10。

這之後的 A8 到 A10,蘋果則透過不斷更新,將自家 SoC 提升到 ARM 架構下,業界效能最頂級的晶片。從 A8 開始,台積電也開始取代三星,成為代工蘋果 SoC 的廠商。儘管在一些關鍵技術,蘋果還是不如三星,例如在 CPU 塞入調節器,但這項技術看來已在 A10 Fusion 得到一定解決。

無論如何,蘋果從 2006 年起對三星、ARM,甚至 Intel 的依賴,到開始自主設計架構,成為高通等級的 IC 設計公司,如今看來已走進下一個階段。蘋果甚至準備好自己研發 GPU,同時傳出不再採用戴樂格半導體的省電晶片。

日後:GPU 自己做?

2017 年 4 月,早從 2007、2008 年,就與蘋果簽訂 GPU 授權協定的 Imagination Technology,在官網發聲明,證實蘋果將在 15 個月至 2 年內,終止與 Imagination Tech 的協定,轉而自行研發 GPU。在 2008 年時,蘋果還曾經與 Intel 展開幾輪持股競爭,最終讓蘋果持有 Imagination Tech 約 10% 股份,是第四大股東,並擁有 30% 營收分配。 蘋果的訂單,也佔了 Imagination Tech 超過 50% 營收。

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從第一代 iPhone 起就一直專注使用 Imagination Tech 的 PowerVR,是蘋果的一項策略,因為這可以減輕開發者的困擾,從而在底層專注針對 iOS 優化的 API,例如 iOS 8 的 Metal API 就是個例子。這種軟硬整合也讓 iOS 成為手遊運作較流暢的平台。

相比之下,三星 SoC 的 GPU 選擇就比較混亂,經常在 ARM 的 Mali、PowerVR 之間遊走,早年甚至還用過 VideoCore 的 GPU。高通儘管一直使用自家 Adreno,但由於作業系統在 Google 與各廠手上,比較沒有能力打造一致性夠強的體系。

其實蘋果想換掉 PowerVR 改用自己架構的 GPU 已經不是新聞。從 iPhone 6 使用的 A8 SoC 開始,蘋果就已使用自己的技術來客製一部分 GPU 的核心組成,比如 GPU 的「心臟」著色器內核。蘋果也訂製了 CPU 上的 Compiler,以及 GPU 的圖像驅動程式,來進一步優化 iOS 10 上首次大改的 Metal API。

儘管 Imagination Tech 揚言要用訴訟來阻止蘋果,導致蘋果收購 Imagination Tech 的傳言又再度開始,甚至傳出這紙聲明只是蘋果壓低 PowerVR 報價的手段,但無論如何,在技術上,蘋果確實已經開始累積自製 GPU 的能力。這將會讓蘋果成為高通後,第二間擁有自己 GPU 架構的公司。

有趣的是,蘋果預告會終止 PowerVR 協定的同時,剛好也是蘋果與戴樂格半導體的能耗管理晶片的契約到期日。對於想讓行動裝置擁有 AR 能力、同時推展 Apple Watch 等穿戴裝置的蘋果,「省電」與「GPU」都是關鍵技術,這可能會讓蘋果嘗試在「自控晶片」的道路上走得更遠,儘管在那之前,用戶可能會先見到 iPhone 10。

註 1:Bill Gates 也有參加那場婚禮,並對大嘴巴員工非常不滿。事實上,那名向賈伯斯爆料的員工,正是過 High 的新郎本人。

註 2:賈伯斯處分對 ARM 的持股,是為了變現。據他所述,蘋果當時已經快破產。

註 3:Tony Fadell 為了說服賈伯斯放棄 Intel Atom,還不惜揚言要辭職。多年之後他也因內部鬥爭離職,並且在 2010 年創辦 Nest,Nest 後來又為 Google 所併購。

本文授權轉載自:科技新報

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