Apple換芯簡史:芯片如何改變Apple的電腦產品線?
2020年11月12日07:08

  Mac 走入了一個新的紀元。

  昨天淩晨,Apple發佈了第一款用於 Mac 的自研 ARM 架構 CPU,M1。同時發佈的還有三款搭載 M1 芯片的新電腦:MacBook Air、MacBook Pro、和 Mac mini。

  5 個月前的 WWDC 上,Apple宣佈 Mac 未來將不再使用 X86 架構的英特爾處理器,轉而使用Apple自研的 ARM 架構芯片。在Apple 34 年造電腦的歷史里,這樣的轉換發生過三次。每一次轉換,緊隨其後的都是一場計算機革命。

  30 年後,Apple不再滿足於其他廠商設計的芯片,開始自己為 Mac 打造 CPU。過去十幾年Apple自研芯片的技術積累,終於在 Mac 上開花結果。

  從 Apple II 到 Macintosh:性能飛躍

  Apple的誕生,和一款芯片的推出密不可分。

  這款芯片脫胎於 1971 年Motorola公司開發的 6800 芯片。當時還沒有‘個人計算機’的概念,Motorola希望把 6800 芯片放進面向企業的大型計算機中。所以Motorola非常注重這款芯片的全面性,在內部集成了包括 ROM、RAM、各種接口,希望惠普等計算機製造商能夠更方便地利用 6800 設計電腦。

  但 6800 太貴了,大部分客戶都望而卻步。而且,當時負責設計 6800 的團隊發現,大部分用戶對芯片性能、指令集的需求,只相當於 6800 的一小部分。所以整個產品團隊開始嚐試對芯片進行精簡,縮小尺寸、改進功能,以及最重要的,降低成本。

  1975 年,MOS Technology 6502 處理器問世。它的價格只相當於 6800 的六分之一,遠低於當時英特爾的競品。這款芯片因為極高的‘性價比’,被用於各種知名產品,包括雅達利 2600 遊戲機、任天堂紅白機,最終引爆了 80 年代的家用計算機革命。

  Apple成為了這場革命的‘排頭兵’。1976 年,史蒂夫·沃茲尼亞克和喬布斯一起,基於 6502 這顆芯片開發了 Apple I,一年之後,他們又推出了經過改進的 Apple II,同樣搭載這顆 6502。

  Apple II 成為了歷史上第一款大獲成功的‘個人電腦’,這很大程度上要歸功於 6502 相對較低的價格。Apple II 的後續改款產品一直賣到 90 年代,採用的芯片也一直都是 6502 的衍生產品。

Apple II 是歷史上第一款取得廣泛成功的個人電腦,圖中展示的是其後續改款 Apple II plus|Wikipedia
Apple II 是歷史上第一款取得廣泛成功的個人電腦,圖中展示的是其後續改款 Apple II plus|Wikipedia

  如果說 6502 開啟了‘個人電腦’時代,Apple的第一次芯片架構轉換,則開啟了‘圖形界面’的時代。

  1984 年,Apple推出了 Macintosh 電腦。這是Apple第一款搭載圖形界面,並配備滑鼠的個人電腦。它開創了很多歷史,搭載了第一版的 macOS(當時叫 System 1.0),和文件管理應用‘訪達’(Finder)。

Macintosh電腦|Apple
Macintosh電腦|Apple

  一切同樣要歸功於 Macintosh 所搭載的芯片,Motorola 68000。它是歷史上最早一批使用 32 位指令集的處理器之一。相比 Apple II 上 6502 的 8 位,改變可不是翻四倍那麼簡單。位元提升四倍,意味著處理器一次能處理的最大數,從 2 的 8 次方變成了 32 次方。

  芯片的性能的指數增長,使‘圖形界面’成為了可能。儘管初代 Macintosh 因為成本居高不下等各種原因,並沒有取得成功,但它打開了未來的大門。直到今天,macOS 里仍然沿用著很多初代 Macintosh 的設計。

  70、80 年代芯片性能的突飛猛進,讓Apple的很多產品構想,變成了現實。

  PowerPC 和英特爾:效率提升

  進入 90 年代,Apple開始走入低穀。

  採用 68000 系的 Macintosh 雖然開創了個人電腦採用圖形界面的先河,但由於成本居高不下,加上性能落後,沒能成為個人電腦領域的主流。IBM 68000 系列芯片相比同時期英特爾的 80386 CPU 大幅落後,逐漸成為 Macintosh 向前發展的障礙。

  1994 年,正值 Macintosh 誕生十週年之際,Apple決定轉向,下一站,PowerPC。

  PowerPC 誕生於 1991 年,這一次,Apple直接參與了它的創立。PowerPC 架構由Apple、IBM 和Motorola三家參與創立,最早的目的是縮減指令集,以提升芯片效率,降低成本。

  PowerPC 架構 CPU 因為精簡的結構和指令集,使它擁有極佳的能效比。PowerPC 架構芯片後來被用在多款遊戲主機上,包括任天堂的 GameCube 和 Wii、Sony PS3 以及微軟的 Xbox 360。

  1994 年發佈的 Power Macintosh 是第一台搭載 PowerPC 處理器的Apple電腦,它追趕上了此前幾年里,Apple電腦在性能上和英特爾的差距,一經推出就備受歡迎。僅一年後,PowerMac 就幾乎完全取代了此前的老 Macintosh。

早期的PowerBook 筆記本|Apple
早期的PowerBook 筆記本|Apple

  之後,Apple基於 PowerPC 處理器推出了一系列產品,包括多款 PowerBook 筆記本。儘管這些Apple電腦在技術和商業上都獲得了一定成功,但整個個人電腦市場卻在迅速‘下沉’。越來越多的電腦製造商開始推出價格極低的電腦產品,加上當時微軟剛剛推出了 Windows 95,極大增強了兼容機的軟件功能,縮小了與 Mac 之間的體驗差距。

  再次陷入困局的Apple,召回了喬布斯。1996 年,喬布斯回歸Apple,回歸後不久,他就將 Jony Ive 提拔為設計部門的領導。兩人在 PowerPC 芯片的基礎上,開發了一系列具有劃時代意義的 Mac 產品:包括 iMac G3、PowerBook G4 和 PowerMac G5。

  多彩機身的 iMac G3 被視為Apple第一款‘強調工業設計’的硬件產品,幫助Apple扭虧為盈。PowerBook G4 則第一次在筆記本電腦上採用了金屬機身,視覺上已經與今天的 MacBook 有很多相似之處。至於 PowerMac G5,則確立了Apple做高性能電腦的思路,今天的 Mac Pro,很大程度上就是脫胎於 PowerMac G5。

iMacG3 成為喬布斯重新主導Apple產品設計的一個標誌|Apple
iMacG3 成為喬布斯重新主導Apple產品設計的一個標誌|Apple

  出於對‘能效比’的考量,Apple選擇了 PowerPC,也是因為同樣的原因,Apple拋棄了 PowerPC,它的功耗太高了。進入 21 世紀,喬布斯認為計算設備進化的趨勢在於‘輕量化’。PowerPC 架構最新的 G5 CPU 太熱,筆記本電腦無法駕馭。而同時期的英特爾奔騰芯片,可以搭載更多核心,能效比更高,可以滿足 MacBook 的需要。

  2005 年的 WWDC 上,喬布斯宣佈停止使用 PowerPC 芯片,轉而使用英特爾的 X86 架構 CPU。

  轉變的過程並不輕鬆。2005 年,Apple的用戶和開發者技術已經比 80 年代、90 年代擴大了太多倍,如何協調好轉變的過程就至關重要。所以Apple推出了一個模擬器系統‘羅賽塔’(Rosetta),用於模擬運行 PowerPC 架構下的軟件。

  過程雖然艱難,但Apple很快收穫了它想要的結果。正式轉向英特爾芯片兩年後,2008 年,喬布斯從一個信封裡抽出了那台令世界為之震驚的 MacBook Air,將筆記本電腦的輕薄性帶入了新的紀元。此後數年里,MacBook 一直是‘輕薄’和‘長續航’的代名詞。

將輕薄帶向極致的MacBook|Apple
將輕薄帶向極致的MacBook|Apple

  2015 年,Apple發佈了一款極致輕薄,採用無風扇設計的‘the new MacBook’。它採用英特爾的酷睿 M 處理器,是Apple推出過最輕薄、便攜的電腦產品。但因為散熱、續航表現不佳,the new MacBook 在推出三代後就不再更新,並於 2019 年 7 月下架。

  不少人認為,the new MacBook 在輕量化道路上探索受阻,是Apple最終決定拋棄英特爾,轉而自研芯片的關鍵原因。

  自研芯片時代

  在追求‘高性能,低功耗’的道路上,Apple完成了一次又一次跨越。最後,它決定‘自己動手,豐衣足食。’

  基於 ARM 架構,5nm 製程工藝,M1 芯片幾乎碾壓了之前 Mac 上搭載的英特爾處理器。

  搭載 M1 的 MacBook Air,採用了無風扇散熱的設計。因為 M1 只需要四分之一的功耗,就能實現 PC 筆記本的峰值性能。相比前一代 MacBook Air 搭載的英特爾處理器,M1 的峰值性能提升了 3.5 倍。

  在產品宣傳片里,Apple強調這款產品非常‘冷靜’,運行起來幾乎不燙。同時,更低的功耗也讓新款 MacBook 的續航得到了大幅提升。

M1 芯片標誌著一個新時代的開始|Apple
M1 芯片標誌著一個新時代的開始|Apple

  過去 10 幾年,Apple將 iPhone 上的 A 系列芯片,做成了同代性能最好的移動處理器。所以當Apple開始為 Mac 打造芯片,除了性能和功耗的領先,Apple還能將它過去積累的諸多技術優勢,整合進新的 Mac。M1 搭載了的神經引擎,讓 Mac 也能擁有強大的機器學習性能。同時,M1 還能配合最新的 macOS Big Sur,提供更好的安全、加密功能。

  以往Apple每一次切換芯片架構,緊接著而來的就是硬件設計的顛覆。切換芯片架構是一件非常麻煩、非常困難、代價非常大的事情,很少有哪個電腦廠商,會像Apple這樣頻繁切換。但Apple的每一次切換,都相當於一次‘解封’,更強的芯片,能解放產品設計師的想像力,推動 Mac 朝著更遠的地方進化。

  在這場發佈會的末尾,庫克說:‘我們對 2021 年充滿期待,將會給用戶帶來更多驚喜體驗。’

  畢竟,這隻是 Mac 自研芯片時代的第一天。

  本文來自極客公園

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