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苹果转向Arm:如何走到了这一步?

2020-07-31 Brian Dipert 阅读:
苹果的Mac计算机最初采用摩托罗拉的6 80 0 0处理器,从1994年开始过渡到IBM和摩托罗拉共同开发的PowerPC CPU,后来转向英特尔x8 6,现在又将在两年内完全采用Arm架构。但是,苹果是否会在其所有计算机产品线中都采用Arm架构?是产品线的转移,扩充,还是两者兼有?

最近我所做的事读者可能觉得似曾相识。一些老读者应该还记得,15年前我曾写过一系列博客,是关于苹果从IBM的PowerPC架构转向英特尔x86 CPU的传闻。两天后,在苹果全球开发者大会(WWDC)上Steve Jobs做了主题演讲之后,我又写了一系列博客证实这一传闻。现在15年过去了,这次在WWDC 2020大会上苹果公司又宣布放弃英特尔,完全采用Arm架构。自2007年起,苹果便在其智能手机、平板电脑和智能手表中采用了Arm架构;而从2018年夏天开始,苹果的PC协处理器也开始采用Arm架构。NjYednc

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图1:苹果的Mac SoC系列采用跨产品线的通用架构,具有出色的功能和性能。NjYednc

这是苹果公司的第三次CPU转换。一年半以前我曾写过:“Mac计算机最初采用摩托罗拉的68000处理器,从1994年开始过渡到IBM和摩托罗拉共同开发的PowerPC CPU。”苹果公司然后转向英特尔,现在又将在两年内完全转向Arm架构。但是,苹果是否会在其所有计算机产品线中都采用Arm架构呢?是产品线的转移,还是扩充,还是两者兼有?答案取决于诸多因素,并非完全由苹果掌控。在预测未来发展之前,我们首先回忆苹果是如何走到这一步的。毕竟,孔子曾曰:“温故而知新。”NjYednc

苹果当年为什么要放弃摩托罗拉呢?其实他们并没有真正放弃摩托罗拉,因为PowerPC是由IBM和摩托罗拉共同开发的。但那确实是一个重要的架构转变,主要是出于性能的考虑。摩托罗拉的68K架构后劲不足,88K架构又姗姗来迟而且似乎反响平平。另外要提一下,便携式Mac当时只占很小的市场份额。是的,苹果是在1989年推出第一台“便携式”计算机的,还有一些后续版本,但其大部分业务还是来自桌面系统。因此,在苹果的宏图大略中,功耗并非主要的考虑因素,他们认为散热问题总是可以通过增加风扇来解决的。NjYednc

PowerPC时代一个鲜为人知(但很重要,恕我直言)的事实是,尽管苹果依赖其合作伙伴进行CPU设计,但实际上它自己完成了许多核心逻辑和芯片/硬件开发工作。到2005年,与之前68K的情况一样,PowerPC无论是在架构性能还是在市场接受度方面,已经完全无法与x86竞争了。x86 CPU的出货量(以及收入和利润)使PowerPC相形见绌,各合作伙伴对PowerPC设计、相关制造工艺和其他关键方面的投资不断减少。NjYednc

抛开绝对性能不说,移动计算设备的外形尺寸及散热性能越来越多地受到人们的关注。性能分析从绝对性能转变为每瓦性能,相较之下,x86架构的优势更加明显。相信我,这可不是随便说说。我分别有一台基于PowerPC G4的iBook和PowerBook、一台G4 Cube、一台G4 Mac mini,基于双G4和双G5的Power Mac各一台,还有同一时期基于英特尔和Windows的产品。苹果电脑速度较慢而且容易发热,其笔记本电脑更是需要频繁充电。我一直使用苹果电脑是因为我喜欢其系统软件而不是硬件。当苹果宣布采用x86时,我正准备用回Windows电脑。不要忘记,苹果是在对英特尔未来的工艺和产品规划作了深入了解之后,才做出这个决定的。直到最近,英特尔仍坚定地按规划行事。NjYednc

但是,苹果在转向英特尔的同时,实际上是将所有芯片的开发让给了这一合作伙伴。必须承认,苹果曾短暂选择英伟达作为其核心逻辑供应商(包括9400M,我有一台采用这种芯片组设计的SFF PC),但这两个合作伙伴很快就分道扬镳了。在此过程中,英特尔始终是苹果唯一的PC处理器供应商,而且,由于核心逻辑(后来还有图形)被纳入CPU,英特尔掌握了越来越多的平台控制权。NjYednc

苹果的长期观察者都知道,苹果对控制权(又称“垂直集成”)的执念多年来有增无减。英特尔工艺开发速度的放缓,制约了与英特尔有着紧密合作关系的苹果的发展,这成为苹果亟待解决的问题。英特尔曾主张的“Tick-Tock”设计制造模式(即先更新工艺节点,然后在该节点上更新处理器架构,两者不能同时进行),在2016年正式被“工艺-架构-优化”模型取代,最新的模型包含多个优化周期。NjYednc

例如,原计划于2015年面市的英特尔10nm工艺节点产品直到现在才开始量产,最初设定的性能、功耗、晶体管密度和其他指标也都只实现了一部分。英特尔的芯片设计师们竭尽所能,想要尽可能多地挖掘14nm工艺节点及基于该节点架构的性能潜能,但现在它们已超出了理论极限。因此,IC不得不推迟或取消,这影响了系统合作伙伴的开发计划,包括苹果在内。NjYednc

为了避免这类情况的发生,苹果开始自研芯片。苹果获得了Arm架构许可,只要保持指令集兼容性,实现自由度就很大。苹果芯片由晶圆代工厂制造。正如我在2018年底所写的,苹果公司基于Arm架构、采用7nm工艺制造的SoC已投产快两年时间了。苹果不仅自己完成系统(和底层芯片)设计,还开发自己的操作系统及适合自己的强大应用程序,这与其他任何PC供应商都不同,更不用说安卓智能手机、平板电脑或智能手表制造商了。综合考虑这些因素,苹果比Dell更乐于转换CPU架构。其实,苹果的举措一直传递着自己的意图。例如,苹果几年前就开始使用自己的iOS图形架构,同时还采用了自己的图形API。NjYednc

与15年前一样,在架构过渡期内,苹果将同时提供Arm和x86编译版MacOS 11.0 “Big Sur”(会议中显示它以Arm原生代码运行)以及相应的操作系统。跟从前一样,苹果将提供一个“通用”应用程序“包装器”,使应用程序可以在两种版本的操作系统上运行(演讲中展示了苹果自有应用程序以及Adobe和Microsoft应用程序在Arm原生版操作系统上运行)。苹果还将利用“Rosetta”仿真层,使仅支持x86的应用程序可以在只支持Arm芯片的系统中运行。苹果公司已经向其开发者社区提供基于Arm平台的Mac mini开发者过渡套件。还有一个新的变化,即iOS和iPad OS应用程序也可以在基于Arm的新硬件上原生运行,部分原因是使用了Catalyst协开发平台。NjYednc

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图2:苹果公司基于其A12Z Bionic处理器的开发平台。NjYednc

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图3:搭载A12Z SoC的Mac mini开发者过渡套件。NjYednc

一些问题

不过,我有一些疑问。未来的软件缺陷会不会很多?苹果的不同软件团队近来发布的缺陷产品越来越多,其中一些使用体验令人挫败。我怀疑这种情况的发生,在某种程度上是因为苹果的“精兵强将”都被调去开发基于Arm的操作系统和应用程序了。换句话说,这种情况在多大程度上反映了想用太少(和/或配合不良)的开发资源做太多的事?转向Arm会使情况变得更好,还是更糟?NjYednc

第三方开发人员要用多久才能完成过渡?苹果在会上卖力地演示了Adobe的Creative Cloud和Microsoft的Office软件能够在Arm上原生运行。但早期的beta版是一回事,完美的产品代码又是另一回事。目前及未来使用Arm原生Apple+Adobe+Microsoft应用(加上Google和Mozilla浏览器)的用户,要占到多少百分比才够呢?多数时候我仍然使用MacOS 10.13(MacOS 10.15是最新最好的版本),因为我不想放弃那些只支持32位的应用。从x86过渡到Arm将是一个很大的飞跃。NjYednc

对于不希望转向Arm的开发人员和/或不愿付费升级的用户来说,Rosetta仿真是否足够稳健?而且,在ISA仿真对速度和功耗的影响不确定的情况下,目前和未来将有多少占比的用户最终被迫依赖Rosetta?Surface Pro X采用了Qualcomm Arm架构,其用户在使用x86编译程序时遇到的性能和电池寿命问题,预示了架构转换未来可能对苹果有不好的影响。NjYednc

Arm芯片团队表现如何?必须承认,到目前为止他们的工作很出色,无论是一年来架构开发的节奏,还是架构开发的进度。即便如此,正如我以前提到的,Apple Watch Series 5会采用跟Series 4完全一样的SoC。在最新的iPad Pro(以及即将推出的Mac mini-Arm开发套件)中采用的最新A12Z Bionic SoC,其实就是在2018年底的A12X Bionic中启用了所有的GPU。我怀疑这样做的部分原因同样是由于“精兵强将”被临时安排去开发计算机定制SoC了。从长远来看,在多大程度上苹果能够跨系统平台采用通用SoC设计?它可以同时开发多少颗SoC?NjYednc

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图4:从A4到A13,苹果CPU性能提高了100倍。NjYednc

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图5:从A5X到A12X,苹果GPU性能提高了1000倍。NjYednc

英特尔(和AMD)将如何应对?2019年1月,我曾写过:“我仍然不相信短时间内苹果电脑会将英特尔处理器完全换为自己的处理器。但是,随着人们越来越需要产品具有更长的电池寿命、更小的外形尺寸、更好的性能和更轻的重量,由消费者拉动转换是绝对可能的……而且正在发生。如果英特尔将其10nm工艺(以及基于该工艺的产品)全面投产,晶体管数量、时钟速度和能效都会提高,这会减缓架构的转换,但应该不会完全阻止这种转换。记住,AMD基于x86的处理器在价格/性能/功耗方面也在稳步增强。”我仍然持相同的观点,特别是考虑到先前所说的未知情况。在电池供电(MacBook/Pro/Air)和轻薄型(iMac、Mac mini)系统中采用Arm架构是很容易的事,但它们最终是否会弃用之前的x86版本?还是会像微软的Microsoft Surface Pro X与Surface Pro一样,Arm版本将与x86版本共存?高端Mac Pro又如何?撇开Arm所具备的性能潜力不说,这种架构真的可以实现吗?NjYednc

苹果公司需要多长时间才能将基于Arm的产品推向市场?在推出Arm产品之前,会不会出现令销售冷却的“奥斯本效应”?我会通过类比方法来回答这个问题。从最近发布的2020版13英寸MacBook Pro开始,苹果已经将其整个笔记本电脑产品线从饱受诟病的“蝶式”键盘改回“剪刀脚”键盘。我相信,任何“知情”人都不会购买“蝶式”翻新系统,因为它与库存中的全新系统相去甚远。现在将其乘以一个数量级(或少一些),而过渡为Arm架构预计需要两年时间。苹果肯定希望能不时卖出现存的x86系统(并推出新系统)。但是,知道有一款可能好得多的产品即将问世,谁还会买旧的呢?NjYednc

结语

性能、功耗和控制权是苹果宣布转向Arm架构的三个主要原因。如果苹果及其开发伙伴合作良好,那么在这三个方面都会有相当大的收获。倘若合作不好,则最终只会是增加了一条混乱的产品线,这与苹果公司推崇的KISS(Keep it simple, stupid)设计理念背道而驰。NjYednc

苹果的架构转换对英特尔的短期和长期影响尚不清楚。据估计苹果仅占英特尔业务总量的几个百分点,目前英特尔的整体业务仍处于供不应求的状态,因此,单纯从收入的角度来看,其影响可能微乎其微。苹果放弃英特尔转向Arm,这对英特尔声誉的打击则无可估量,但无疑更重要的是,这可能会激发英特尔的士气,激励英特尔加快前进的步伐。NjYednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Apple on Arm: How did we get here?NjYednc

本文为《电子技术设计》2020年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里NjYednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Brian Dipert
EDN资深博客作者。Brian Dipert是前EDN杂志的高级技术编辑。 他是BDTi的高级分析师,嵌入式视觉联盟的主编,以及AnandTech、EDN杂志和《低功耗设计》的特约编辑。 他也是Sierra Media的创始人。
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