苹果3nm芯片计划背后

近日，The Information报道了苹果最新的芯片路线图，其中最引人瞩目的是预计用于Mac系列的定制CPU。随着用于MacBook的第一代自研M1芯片大获成功，M系列芯片后续的发展也成了众人关注的焦点。而在该报道中指出，苹果预期在2023年发布的基于3nm的第三代M系列芯片，该系列芯片的代号为‘Ibiza’, ‘Lobos’和‘Palma’。同时，在第三代M系列芯片中，高端版本计划有高达40个处理器核心，并且将使用多晶片封装技术，40个处理器核心将分布在四片晶片上。2023年量产3nm处理器的计划也与之前台积电发布的3nm时间表相吻合，而是用3nm工艺节点可望给第三代M系列芯片带来较大的综合性能提升。

该报道同时也涉及了第二代M系列芯片的计划，根据报道，2022年苹果将发布第二代M系列芯片，该芯片计划使用台积电增强版5nm工艺制造，因此半导体工艺角度带来的提升较小，但是第二代M系列芯片至少会有一个高端版本会使用双晶片的封装形式。

在该报道中，我们可以看到苹果M系列芯片的演进思路，即使用最先进的工艺（包括半导体工艺和封装工艺），并且进一步走高性能路线。

第三代M系列芯片的主要工艺亮点

台积电3nm将成为苹果第三代M系列芯片的主要亮点。根据台积电今年夏天公布的3nm工艺特性，3nm最大的提升来自于逻辑门密度，预计可达5nm节点的1.7倍；同时功耗相比5nm也有高达30%的改善，同时晶体管速度方面也有10-15%的提升。

台积电3nm工艺的提升中，逻辑门密度是最大的，同时晶体管速度的提升却较小，这也能解释苹果在第三代M系列芯片中，采取多核心设计的原因：苹果计划使用更多的晶体管来取得整体处理器性能的提升，而非依靠更快的时钟频率。由于3nm拥有更高的逻辑门密度，我们预计也会在第三代M系列芯片中看到更复杂的IP设计，甚至有可能会集成一些M1以及传统CPU中没有的专用加速单元来实现整体性能的提升。同时，3nm工艺带来的功耗改善预计也将继续帮助第三代M系列处理器保持非常好的能效比，毕竟“省电”是M1芯片的重要亮点之一。

在使用3nm工艺的同时，第三代M系列芯片的另一个工艺亮点是使用多晶片集成（multi-die），计划使用高达4个晶片集成在一个封装中。这样的做法将会使第三代M系列芯片的设计更加接近AMD使用Chiplet的Zen系列架构。在M1芯片中，苹果并没有使用这样的多晶片设计，而是使用了类似手机芯片SoC的设计。由于M1是苹果的第一代自研Mac芯片，使用接近苹果擅长的A系列SoC设计是风险最小的技术路径，同时也带来了很好的能效比。而到了第三代M系列芯片时，使用多晶片集成将使得苹果能更容易地实现高性能计算所需要的多核架构，这也预计成为苹果进一步上攻高性能计算的技术支柱。

苹果M系列芯片的新思路

苹果M系列芯片给处理器行业带来了许多新的思路。

首先，由于苹果对于Mac生态和软件拥有很强的控制力，因此使用了类似SoC的芯片设计。在传统的处理器设计中，由于芯片厂商对于处理器上运行的软件没有太大的话语权，无法预计在处理器上会跑什么样的应用，因此传统的思路是加强通用计算的处理能力。而苹果由于对于软件生态有很强的话语权，因此能够有针对性地在M系列处理器上集成对应的专用处理模块IP（例如AI，图像编解码等）。由于专用处理模块的效率比起通用处理器要高很多（无论是绝对性能还是功耗），因此我们看到了M1系列芯片在跑常见应用时有非常高的性能和很低的功耗，而这也是处理器SoC化思路带来的优势，当然其前提是需要能对于软件生态有很强的把握能力。

而到了第三代M系列芯片中，我们进一步看到了苹果在将其“处理器SoC化”的思路进一步与当前高性能处理器芯片中的多晶片/chiplet方法做了整合。如前所述，多晶片设计在处理器领域的主要优势是能够支持多核心设计。通过将多个核心分布在不同的晶片上，首先可以增加良率，因为芯片的良率和晶片的尺寸有直接关系，晶片尺寸越大，则良率越低，而多晶片/chiplet设计相当于是等效减小了晶片尺寸，从而改善了良率，并降低了成本。这对于成本高昂的最先进半导体节点有重要意义。此外，使用多晶片设计可以较为简单地实现多个不同核心数量版本的处理器设计。如果使用传统的单晶片设计，那么如果需要实现拥有不同核心数版本的多个处理器时，需要同时设计和生产多个芯片掩模；而如果使用多晶片设计，那么只需要设计一个版本的晶片，而在封装时集成不同数量的晶片即可实现不同核心数量的处理器版本。这样可以非常简单地实现多核心数的处理器设计（例如根据报道第三代M系列芯片可拥有高达40个处理器核心）。

在第三代M系列芯片的设计中，我们看到苹果的思路是结合原有的SoC式设计来确保高能效比，同时采用多晶片设计来赋能针对高性能计算市场的多核心设计。这样做的目的，我们认为是能帮助苹果的M系列芯片继续覆盖高性能端，并且通过SoC式的设计思路带来的高能效比来实现差异化竞争（例如电池续航强同时又有强计算能力的笔记本电脑）。

多核心与苹果的野心

如果说苹果使用3nm作为第三代M系列芯片的工艺时意料之中的常规操作，那么采用极具野心的四十核处理器设计背后的长期目的则给了我们不少想象空间。

首先，苹果MacBook系列的定位本来就是高端市场。随着M1芯片的发布，如前面所分析，M1芯片SoC化设计带来的能效比提升使得苹果在注重能效比（电池续航）的轻薄笔记本市场获得了相对于使用Intel芯片的绝对优势。然而，在需要高性能计算的桌面电脑市场，相对于Intel和AMD来说苹果尚未通过M1建立绝对优势。因此，通过走多核心路线，苹果可以进一步上攻长期为Intel和AMD占领的高性能处理器市场。

而除了消费电子市场之外，多核心M系列芯片的另一种可能赋能方向是苹果的服务市场。随着苹果进一步强化游戏、视频、以及AR/VR等市场，在云端的一些相关服务加速（例如视频编解码，游戏乃至ARVR等）使用自研芯片也将是非常自然地选择：毕竟目前有大量云端数据中心任务的互联网厂商，包括谷歌、亚马逊、字节跳动、腾讯等都在自研芯片，随着苹果在云端运行任务需要的计算量上升，第三代M系列芯片的SoC（专用化加速）+ 多晶片多核架构（强通用计算能力）将会为这类应用的自研芯片打下坚实基础。未来的具体发展，让我们拭目以待。

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