苹果芯片带来的启示

2023 年，苹果正以前所未有的速度发布新产品。2023年2月3日，该公司发布了搭载M2 Pro和M2 Max处理器的Mac mini和MacBook Pro。在高/中/低的M2家族中，对应低档的“M2”于2022年6月发布。大约八个月后，即 2023 年 2 月，高中级和中级加入到阵容中。

2023 年 6 月 13 日，我们将开始销售使用超高性能处理器“M2 Ultra”（两个 M2 Max 的组合）的“Mac Pro”和“Mac Studio”。截至2023年上半年，M2系列将推出超高和高/中版本。

2023 年 9 月 22 日，搭载台积电 3nm 代制造的“A17 Pro”处理器的“iPhone 15 Pro”，以及搭载性能显着提升的“S9”处理器的“Apple Watch Series 9”将发布。” ，带有 USB-C 端子的“Air Pod Pro 2”现已发售。此外，2023年11月7日，MacBook Pro刚刚发布，阵容中新增了高、中、低版本的台积电全新3nm处理器“M3 Max/M3 Pro/M3”。

虽然M2系列在2023年上半年完成，但M3在2023年下半年同时发布。毫无疑问，苹果的开发能力，包括开发速度，比以往任何时候都高。M1于2020年11月发布，M1 Pro和M1 Max于2021年10月发布。也就是说，花了11个月才完成。M2于2022年6月发布，M2 Max于2023年2月发布，将时间缩短至8个月。至于M3，它会和M3 Max同时发布，所以不会有空白期，所以不存在时间差。

未来，很多半导体厂商都会采用可扩展的设计，通过“复制粘贴”的方式增加或减少核心数量，进一步缩短开发时间，瞬间打造出超高/高/中/低类型来扩大自己的产品阵容。作为其中的一部分，我想重点介绍两款具有可扩展设计的 Apple 产品。

图1为2023年9月22日发布的Apple Watch Series 9的拆解。这是Apple Watch的第9代，第一代于2015年发布，内部隐藏着可扩展的设计。

如果拆下显示屏，并取下显示屏正下方的电池和 TAPTIC，就会出现 S9（S9 SiP（系统级封装））中的许多半导体芯片（采用奇形封装如图 1 右上角所示）显示屏后面还安装有触摸控制器、环境光传感器、显示电源和显示驱动器。

苹果经常使用功能硅作为包含无源元件的模块，而不是按原样安装许多芯片。通过将电容器和其他组件容纳在封装模块内，可以省略产品级的安装，并且将无源元件放置在模块内可以提高可靠性（减少焊料剥落等的可能性）。通过使其模块化，它可以抵抗外部压力。许多 Apple 产品包装都是圆角而不是矩形（尤其是 Watch 和 Air Pods 内部）。

图 2显示了 Apple Watch Series 9 的“大脑”和“心脏”。左上方是S9 SiP，左下方是生物传感器。生物传感器是各种 LED 和光电二极管的密集阵列。

该处理器位于 S9 内部，其封装形状不规则。图2中央为去掉Apple标志后的散热片的S9，右上方为S9封装背面。整个S9被银色的模具覆盖，所以看不到里面。

S9 的背面有连接显示屏、生物传感器、麦克风、扬声器、天线、电池和 TAPTIC 的端子。另外三个封装芯片排成一排。它们是第二代超宽带芯片“UWB2”、6轴加速度/角速度运动传感器和通信功率放大器模块。由于背面有端子，过去的Apple Watch最多只有四个芯片。由于 SiP 大约有 500 日元硬币大小，因此它始终得到高度实施。

表 1显示了 Apple Watch 系列的大脑和心脏，自 2015 年第一代发布以来，该系列不断发展，每年都会添加新功能。尽管发生了一些变化（生物传感器 LED 和光电二极管数量的增加或减少、SiP 凸凹形状的变化等），但基本结构保持不变并不断发展。

从“S1”到“S3”，传感器结构和SiP形状几乎相同。如果S1到S3是第一类，那么“S4”和“S5”具有几乎相同的配置和形状，并且属于第二类。“S6”到“S9”属于第三类，这里的生物传感器的配置几乎相同。“S8”和“S9”的SiP形状几乎相同。

这样，S9 中的生物传感器和 SiP 的外观看起来与 S8 中几乎相同。然而，SiP 的内部却截然不同。从 S6 到 S8，SiP 内部使用了相同的处理器（硅型号名称“TMLI30”），但在 S9 SiP 中，它已被新的处理器 S9 取代（硅型号名称“TMQW67”）。

根据苹果公司的公告，S9处理器拥有56亿个晶体管。这比 S8 多了 60% 的处理器。此外，它还配备了4核神经引擎，边缘AI（人工智能）处理能力显著进化。S8 之前的处理器的硅尺寸几乎与 S9 相同。很明显，S9 采用了近乎尖端的制造工艺，因为它的尺寸相似，但功能却多得多。

图3显示了移除S9 SiP模具并拆开所有芯片后恢复的布局（它是倒置的）。图 3 中的 SiP 是 Wi-Fi 模型，因此在 LTE 蜂窝模型中，LTE 调制解调器和通信功率放大器排列在 SiP 右上角电容器排列的区域中。开头提到的可扩展设计目前还没有被采用。由于处理器S9具有可扩展设计，我们稍后会说明。

从过去的经验可以看到，苹果不仅花时间开发单个核心，进行充分的测试，增加或减少数量来创建高/中/低核心，而且还创建跨系列的内部核心，例如A系列和M系列。已变得常见。M系列基于智能手机A系列处理器，功能加倍。它始终是“教科书式的可扩展性”。可以说，不仅降低了开发成本，还可以标准化测试和软件等诸多优点。

表 2显示了 Apple Watch Series 9 的 S9 处理器以及 2022 年 iPhone 14 Pro 和 2023 年 iPhone 15 中使用的“A16 Bionic”。A16配备了四个高效CPU和两个高性能CPU。芯片对比显示，S9配备了A16 Bionic的四个高效CPU中的两个，照原样复制粘贴。GPU在A16上有5个核心，在S9上有1个核心，也是复制粘贴的。AI 神经引擎在 A16 中也有 16 个核心，在 S9 中也有 4 个核心，而且基础相同，意味着 S9 配备了“1/4 的核心”。

通过拆开芯片对比照片发现，S9是基于A16 Bionic打造的。M2 采用基于 A15 的放大设计，而 S9 for Watch 则采用基于 A16 的缩小设计。这就是开头提到的“Apple Watch 的可扩展设计”。

表 3概述了 Apple 的可扩展功能。标准化核心并通过复制粘贴创建高/中/低。此外，我们还进行了放大和缩小，核心从Watch到Mac Pro都是通用的！

图4为2023年11月发布的M3系列MacBook Pro。对于高/中/低，处理器封装的大小（内部核心数量和内存容量也按比例缩放）。随着功能核心数量的增加，电流发生变化，因此板上的供电芯片数量也随之增加。

表4显示了使用M3系列的MacBook Pro主板上安装的功能芯片的数量。M3 为 42 颗，M3 Pro 为 54 颗，M3 Max 为 63 颗。同一芯片的制作方式不同，例如 M3 Pro 中为 3 个，M3 Max 中为 5 个。苹果不仅将可扩展设计应用于芯片，还应用于板上芯片的数量。可以说是令人惊叹的、完全可扩展的设计能力。

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