进入苹果最神秘的芯片实验室，回顾苹果历代 CPU 构架，展现 3 万亿公司成长之路
新智元報道
編輯：alan 潤
【新智元導讀】蘋果創造了資本主義歷史上最成功的產品，成為第一家市值達到 1 萬億美元的企業。讓我們一起探究蘋果最神秘的芯片研發部門，回顧蘋果歷代 CPU 架構，從 1984 的 68k 到自研芯片。
最近蘋果終于對外公開了公司內部最神秘的部門 —— 芯片研發中心，媒體第一次進入這個部門，一窺蘋果所有產品核心的誕生地。
從 2006 年開始，驅動著蘋果新業務的芯片都幾乎誕生于此。
而這里最新的成果是最近蘋果最近剛發布的 M3 芯片。
3nm 工藝的加持，讓 M 家族系列芯片性能大增。
蘋果創造了資本主義歷史上最成功的產品，成為第一家市值達到 1 萬億美元的企業。
通過暢銷的 iPod 等產品、無與倫比的品牌推廣，以及史蒂夫?喬布斯的獨特魅力，成功地讓科技變得時尚和優雅。
蘋果在硬件優化方面的執著令人印象深刻，從 1984 年發布 Mac 以來，已經三次改變了 CPU 架構。
但是這并不是一件容易的事情。
每當一家科技公司宣布要改變 CPU 架構時，人們普遍發出質疑，這些公司是否能在整個軟件生態系統被拋棄的情況下生存下來。
在那個時代，軟件還是存儲在軟盤里，這種懷疑更加嚴重。
著名科技專欄作家約翰?德沃夏克曾表示，將 PowerPC 架構轉變為英特爾的 x86 架構，為蘋果引入了 Windows 世界的前奏。打開了蘋果與 Windows 更深入溝通的大門。
1984 年 Motorola 68k
1981 年，蘋果正在跌跌撞撞。
一開始，Macintosh 是一種相對便宜的電腦，當喬布斯領導下，Macintosh 開始專注于一件事情：贏過 LISA 團隊。
喬布斯引入了一個超前的圖形用戶界面，而且要求他的團隊使用最頂尖的硬件。
在 PC 領域，CPU 的選擇非常關鍵。
非常早期的個人電腦，使用的是 8bit 的 CPU。
但是，在 20 世紀 80 年代，如果想要設計一臺功能強大的 PC 電腦，需要選擇現代的 16bit 處理器架構。
實際上，在當時，有三種主要的選擇：Intel 8088、Zilog Z8000 或 Motorola 68k。
CPU 和寄存器
讓我們回顧一下概念：
CPU 是一種將數據從計算機內存 (RAM) 移至快速臨時內存（寄存器）、對該數據運行操作，然后將輸出移回內存的設備。
寄存器是電子存儲器中最小的單元 —— 它們在 CPU 的核心中只保存幾個位。CPU 按照指令（計算機程序）對該數據執行操作，操作位是 1 和 0。
算數邏輯單元（ALU）
這些運算由算術邏輯單元 (ALU) 執行。這基本上是執行簡單、專門工作的電路的集合，例如：
將二進制數相加，例如 0010 + 0101 = 0111
執行邏輯運算，例如 NOT 0000 = 1111
移動位，例如 0011 左移 1 位變為 0110
CPU 的控制單元一次解碼一條指令，以決定哪些數據應移至哪個寄存器，以及哪個寄存器的數據應通過哪個 ALU 電路。
非常快速地多次執行這些操作，它會累加輸出，例如矩陣乘法、視頻游戲中的碰撞物理或將圖像數據光柵化為屏幕像素。
讓我們繼續回到蘋果。
Intel vs Zilog vs Motorola
假設您是蘋果公司的硬件副總裁，正在向喬布斯做演示。
首先，Intel 8088 有著 16 位微處理器，支持 640kB RAM，IBM PC 采用了這種芯片架構，因此擁有強大的現有軟件生態系統，由于英特爾巨大的規模經濟，低端價格約為 35 美元（以 1983 年美元計算）。
而 Zilog Z8000 是純 16 位微處理器，支持 8MB RAM，很少有大型競爭對手使用這種架構，最小的軟件生態系統，中檔價格點約為 55 美元。
最后，Motorola 68k 有著 16/32 位微處理器，支持 16MB RAM，Atari 和 Commodore 使用這種芯片架構，以及一些現有的開發生態系統。但是之前通過 Apple I、Apple II 和 LISA 與 Motorola 建立了供應商關系。
你會選擇哪種芯片架構呢？
總的來說，選擇摩托羅拉 68k 處理器似乎是具有前瞻性的，這解釋了為什么 1984 年的 Macintosh 不同于其他電腦。
盡管它在開發生態系統和兼容性方面不如主流的 IBM PC，但這個選擇為品牌帶來了差異化。
更重要的是，68k 擁有一個幾乎完全正交的指令集，這意味著幾乎每個 CPU 操作都可以在幾乎每個寄存器上執行，而許多競爭的 CPU 則限制了指令的寄存器選擇。
這種正交性使 CPU 更容易編程，對于培育新興的軟件生態系統來說是一個理想的選擇。
最終，16MB 的內存尋址范圍變得極為重要，Macintosh 保留了頂部 12MB 的內存供操作系統使用，同時共享了 4MB 的內存給不同的軟件應用程序。
如果查看 2012 年 16GB iPod Touch 中的可用存儲空間，你就會發現可用空間其實非常的少。
1994 年 PowerPC
時間是 1994 年。8 年前，史蒂夫?喬布斯 (Steve Jobs) 被蘋果公司趕下臺，現在正忙于發明皮克斯 (Pixar) 和 NeXT。
蘋果正在失去相關性。
1994 年，當時史蒂夫?喬布斯已經離開蘋果，開始投身皮克斯和 NeXT 的創業事業時，蘋果逐漸失去了市場影響力。
與之前的競爭對手 IBM 相比，他們正在經歷著微軟的競爭，這一過程既漫長又痛苦。
在此期間，英特爾和比爾?蓋茨（在 20 世紀 90 年代被戲稱為“魔鬼”）結成了一種名為 Wintel 的邪惡聯盟，這使得這兩家公司幾乎壟斷了市場。
這并不是要低估 x86 芯片架構的威力，英特爾憑借其 100MHz 的速度和出色的能效表現，獲得了市場主導地位。
而帶領 Macintosh 進入 90 年代的摩托羅拉 68k 系列芯片卻未能跟上發展。
面對壟斷的威脅，蘋果與長期合作伙伴摩托羅拉以及不太可能的盟友 IBM 合作，旨在用團結對抗資本主義勢力。
于是，AIM（蘋果、IBM、摩托羅拉）聯盟應運而生。他們認識到 x86 架構存在一個重要弱點：它采用了 CISC 架構。
為了應對這一問題，AIM 采用了 RISC 策略，即 PowerPC。
蘋果開發了一個仿真器，使 PowerPC 能夠模擬摩托羅拉 CPU。這意味著它可以實時將指令從一種架構轉換為另一種。
顯然，這會帶來性能成本。不過，幸運的是，由于 PowerPC CPU 非常強大，因此對于升級硬件的用戶來說，這種模擬通常不是大問題。
蘋果采取的另一策略是在過渡期內使用寬二進制文件。這樣，軟件可以包含針對 68k 和 PowerPC 架構編譯的代碼。
因此，工程師可以發布單個應用程序，其中包含兩個單獨的二進制文件，可以在兩種 Mac CPU 平臺上運行。
在當時，硬盤驅動器容量通常只有 80MB，這種情況變得很煩人。因此，出現了二進制剝離工具，使最終用戶只需要保存適用于他們設備的文件。
總的來說，蘋果的過渡是成功的。從 68k 過渡到 PowerPC 帶來了巨大的性能提升。仿真和寬二進制文件使軟件生態系統得以順利過渡。
然而，不幸的是，Wintel 聯盟幾乎沒有受到影響。隨著 Pentium 和 Windows 95 的發布，它們的市場主導地位達到了前所未有的水平。Windows 逐漸成為默認的計算平臺，將全球各地的學校 ICT 課程變成如何使用 Microsoft Office。
現在，他們已經擁有了堅實的硬件平臺，而蘋果陳舊的 System 7 Mac 操作系統成為了主要障礙。
他們曾嘗試內部項目來創建 Windows 的競爭對手，但未成功，因此他們不得不通過收購的方式來解決這個問題，即簡單地購買一個新的操作系統。
這為蘋果收購 NeXT 并迎回史蒂夫?喬布斯奠定了基礎。
2006 年 Intel x86
2000 年代初，蘋果再次恢復了魔力，喬布斯王者歸來之后，劃時代的 Mac OS X 以及 iPod 取得的成功使陷入困境的蘋果轉變為消費電子產品巨頭。
然而此時的 PowerPC 架構卻未能跟上 Intel x86 龐然大物的步伐。
筆記本電腦的市場越來越龐大，而 PowerPC CPU 的耗電和發熱成為了劣勢，無法打造出喬布斯所設想的超薄筆記本電腦。
2005 年全球開發者大會上，喬布斯正式宣布從 PowerPC 架構 轉向 Intel。到 2006 年，預計高端 Intel x86 處理器的每瓦性能將是 PowerPC 的近 5 倍，時鐘速度將提高近 1.5 倍。
那么，是什么讓 Intel x86 架構如此出色？這里我們稍微討論一下 CPU 設計中的一些概念，以及當時的英特爾在 CPU 各個方面上所進行的創新。
CPU 緩存（Caches）：
CPU 從內存 (RAM) 獲取數據后，需要將其放入片上的寄存器中執行操作。但 CPU 的時鐘頻率遠高于 RAM，于是 RAM 成為了系統速度的瓶頸。
因此，CPU 發展了片上緩存（Caches）來存儲中等數量的數據。作為緩沖地帶更靠近芯片本身，并允許更快地訪問必要的數據。
這些緩存本身是分層的：
計算機系統中存儲的分層遵循以上的金字塔結構，由下到上，存儲介質的容量越來越小，但速度越來越快，充分利用了計算機程序的“局部性”原理，大大提高了整體的效率。
分支預測（Branch Prediction）：
分支指令用于處理條件語句。聰明的 CPU 使用統計數據來猜測代碼的去向，并嘗試保持指令管道的填充以獲得最大利用率。
其機制涉及直接內置于 CPU 電路中的硬件算法。稱為分支歷史表的緩沖區緩存最近的分支結果。
超標量架構（Superscalar Architecture）：
超標量架構是多任務處理的終極目標。超標量 CPU 可以在單個時鐘周期內同時執行多條指令。
這種架構之所以有效，是因為算術、在寄存器之間移動內存以及浮點運算等操作需要 ALU 上的不同電路。
對于擁抱 Intel x86 這種重大的轉變，Apple 再次采用其歷史悠久的過渡技術來實現 CPU 架構的平穩遷移。
Apple 推出了為兩種 CPU 架構構建的通用二進制文件，可以通過簡單的 Xcode 構建配置進行設置。
在硬件和軟件的共同助力之下，蘋果公司交付了完美的作品，實現了喬布斯的“超薄”夢想，同時也將蘋果公司帶入了新的時代。
2020 年 蘋果芯片
了解喬布斯，了解蘋果的人，一定會明白他們的最終競爭優勢：硬件和軟件的緊密集成。
2007 年發布的 iPhone 采用三星提供的 ARM CPU。而從 iPhone 4 開始，蘋果開始設計自己的芯片 A4。
2008 年，蘋果以 2.78 億美元收購了 PA Semiconductor，這是一家以高端低功耗處理器聞名的 CPU 設計公司。
十年后的 2018 年，蘋果再次以 3 億美元的價格部分收購了歐洲芯片設計公司 Dialog。
終于，在 2020 年，Apple 宣布了第三次偉大的 Mac CPU 架構轉型 ——M1—— 預示著 Apple Silicon 時代的到來。
那么，對比前面所說的 Intel X86 架構，M1 又有什么自己的秘密武器呢？
首先，M1 芯片采用異構計算策略，這意味著針對特定工作負載使用專用的組件。M1 SoC 的組件專門用于許多計算任務。
其次，M1 芯片具有 GPU 和 CPU 之間共享的統一內存架構，Apple 分配相同的內存塊（RAM 和 L3 緩存）在兩個處理器之間共享，并且它的格式可以同時滿足 CPU 所需的高吞吐量以及 GPU 所偏好的大塊數據。
傳統情況下，當將數據發送到外部 GPU 進行處理時，CPU 通常需要將數據復制到 GPU 擁有的內存中，然后才能拾取數據進行處理，而統一內存架構解決了這個問題。
我們之前討論過超標量架構，該架構使 CPU 內核能夠同時讀取、解碼和分派多個指令。M1 芯片憑借其 RISC 架構，使蘋果能夠通過亂序執行將其提升到一個新的水平。
基本的 M1 芯片有 8 個解碼器，CPU 內核在每個時鐘周期同時填充這些解碼器。這些指令被并行地分派到各種專用電路。
最后，M1 芯片上的所有部件在物理上都非常接近。即使電信號以閃電般的速度移動，當傳輸距離較短時，操作也會更快。
在上述種種設計的加持之下，蘋果自己的芯片性能不斷進步，最終完成反超。
蘋果之所以是蘋果，也許正是來源于一直以來對于硬件和軟件的極致把控，那么，在開源時代的今天，蘋果的未來又會怎么樣呢？
參考資料：
本文來自微信公眾號：新智元 （ID：AI_era）
廣告聲明：文內含有的對外跳轉鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節省甄選時間，結果僅供參考，所有文章均包含本聲明。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的进入苹果最神秘的芯片实验室，回顾苹果历代 CPU 构架，展现 3 万亿公司成长之路的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： AI 绘画碰上经典古诗词，当真是笑不活了
- 下一篇： BL 恋爱游戏，《仙剑奇侠传》开发商新作