从ARM到A4 苹果是如何一步一步颠覆了移动处理器行业的格局

个人电脑最初40年的历史在很大程度上是由操作系统来定义和发展的：苹果早期在Mac上的领先地位随后被微软的Windows取代，iOS之后又被谷歌Android取代。但是这种情况并不能解释比另外一种中间软件平台更强大的力量：那就是底层的硬件，特别是科技技术领域进步的最大历史驱动力：移动芯片。

在2010年代的最后10年里，微软和谷歌已经采用了各种移动处理器，包括高通Snapdragon、英伟达Tegra、德州仪器OMAP、三星Exynos和英特尔Atom，它们都试图尽可能为Windows和Android移动设备提供支持。

苹果的移动战略并没有将其投资分散在广泛的处理器上，而是只专注于一家芯片设计公司，从而产生了巨大的规模经济，使一家公司受益。这极大地改变了整个行业的局面。

然而，苹果最近从A4到最新的A13仿生处理器的移动soc开发，并不是该公司首次涉足定制处理器领域。几十年前的早期努力，在当时看来并不十分成功，但这帮助苹果为其现代发展调整了方向。

事情是这样开始的。

当你设定了有点疯狂的目标时，神奇的事情就会发生

上个月，苹果首席执行官蒂姆?库克(Tim Cook)在Ceres 30周年庆典上发表了演讲。Ceres是一家非营利的可持续能源推广机构。

库克发表了一篇评论，专门描述了苹果最近在可持续性方面的努力，但这也适用于苹果在决定打造移动设备的未来时开始的激进而雄心勃勃的转变，苹果需要定制设计自己的芯片。

库克说:“我发现，当你设定的目标让你觉得有点疯狂时，就会发生一些神奇的事情。努力会把你带到你没有预料到的地方，但结果几乎总是比你一开始认为可能的要好。”

对软件很认真

当史蒂夫·乔布斯在2007年发布iPhone时，他引用了一句名言:“真正重视软件的人应该自己制造硬件。”从某种意义上说，它反映了Kay十年前说过的另一句话:“预测未来的最佳方式是创造未来。”

20世纪80年代早期，Kay的工作对苹果公司产生了重大影响，当时苹果公司正在开发主流的消费类硬件，这些硬件能够以一种商业上可行的方式传递图形桌面概念。

施乐投资苹果是为了将其先进的计算理念应用于一款成功的消费产品。1984年的苹果机必须批量生产，价格适中，而并非是价格非常昂贵的手工组装工作站，对研究人员来说没有任何成本限制。这使得苹果开始使用了摩托罗拉的68000微处理器。

Mac最初的销量只有几十万台，远远低于苹果最初的预期。这使得苹果公司完全依赖于摩托罗拉来开发和改进新一代的68000芯片，并使苹果公司与其他使用摩托罗拉芯片的公司直接竞争。

然而，随着苹果进入盈利的黄金时代，它越来越自由地追求雄心勃勃的想法，包括移动平板电脑的未来，以及功能强大得多的新工作站，这两者都是由RISC处理器的新兴发展推动的。苹果很早就决定要设计自己的定制处理器。

雄心壮志让苹果承担了更多风险

两个RISC芯片项目刚刚在苹果的旧金山湾区的后院开始，斯坦福大学的MIPS和加州大学伯克利分校的RISC，后来被Sun商业化为SPARC。当时IBM正在开发后来的POWER，惠普有PA-RISC, DEC后来开发了Alpha。所有这些项目都采用了一种新的微处理器设计方法，这可能会使现有的CISC芯片过时，包括用于DOS PC的英特尔x86芯片和用于Mac的摩托罗拉68000芯片。

在1986年,年轻的史蒂夫之间的权力斗争在苹果开发工作，同时积极推动新的Mac作为商业和教育最终说服董事会将乔布斯作为苹果公司的董事长，并且追求更保守的扩展战略，以及更有利可图的Apple II销售等待Mac来证明自己。

那一年，乔布斯离开苹果公司，在一家新成立的公司NeXT外部开发他的雄心勃勃的想法。斯卡利的苹果公司对其现有的电脑进行了改进，包括新的16位的苹果IIGS电脑，以及由摩托罗拉680×0芯片驱动的更像Mac II电脑。与此同时，斯卡利还成立了一个更具前瞻性的先进技术小组，负责思考遥远未来的可能性。

除了ATG，苹果80年代中期的利润，在图形计算方面没有任何真正的竞争——也使得公司可以从容地向Hobbit投入数百万美元，Hobbit是另一种起源于伯克利的RISC芯片，由AT&T公司开发。

在90年代早期，Hobbit芯片被认为功能强大，足以运行手写识别和其他基于手写的计算概念。然而，根据Daniel Nenni和Don Dingee撰写的关于ARM处理器发展历史的半维基 站“Mobile”，AT&T一直在努力提供功能性的芯片。

苹果的转变

当苹果陷入极其复杂和极其昂贵的未来主义研究项目时，越来越明显的是，商业成功的关键是要取得渐进的、切实的进展。苹果公司未能独立开发或投资一款实用的RISC处理器，这迫使它不得不寻找现有的替代品，以适应自己的需要。

当苹果花费数百万美元投资于复杂的、未来主义的RISC概念，但最终无果而终的时候，规模小得多的英国个人电脑制造商Acorn开始开发比摩托罗拉的68000更便宜的替代产品，而且预算有限。其结果是一个简单、优雅的RISC处理器，它在80年代末开始为其32位Archimedes个人电脑提供动力。

Acorn原本希望通过出售ARM芯片来分担开发芯片的费用，这些芯片将用于其他公司的商用电脑，比如英特尔的x86或摩托罗拉的68000。但人们对另一种与现有处理器不兼容的新型个人电脑芯片平台兴趣不大。然而在个人电脑之外，人们对需要更低功耗的电池供电便携式系统的兴趣日益增长，这促使ARM实施了一种新的静态设计，允许CPU时钟在空闲时减慢甚至暂停，而不会丢失数据。

Acorn越来越担心为其功能臂芯片设计提供资金，而其他人都没有使用。苹果担心继续为AT&T的Hobbit芯片提供资金，这是它所需要的，但仍然无法正常工作。两家公司都在使用的芯片制造厂，超大规模集成电路公司(VLSI)建议双方讨论合作事宜。

Acorn的芯片与Mac上的摩托罗拉68000处理器一样强大，但由于其干净、高效、现代的RISC架构，它需要的晶体管要少得多。苹果公司认为，“Acorn RISC机器”可以在其设计的新一代牛顿移动设备中有效使用。1990年，这三家公司成立了一家合资企业，并聘请摩托罗拉前高管罗宾·萨克斯比(Robin Saxby)负责运营，成立了瑞斯克机器有限公司。

公开许可的一切

苹果和Acorn都没有强烈的意识到ARM应该是为他们自己的需求之外的任何人而设计的，但是Saxby有把ARM架构转变成任何人都可以采用的全球嵌入式标准的远见，有点像芯片的UNIX。Saxby早些时候曾写过一份商业计划，建议摩托罗拉将其微处理器业务剥离出来，为第三方提供设计服务。摩托罗拉将这一理念传承下去，所以Saxby有效地将这一理念引入了新的部门。

ARM首先着手为Acorn的个人电脑和苹果的Newton平板电脑构建增量式芯片增强功能。在证明自己是一个有能力的架构之后，ARM把它的CPU核授权给了德州仪器，德州仪器把ARM的CPU核放在自己的DSP核旁边，提供了一个基带“芯片上的系统”，能够为诺基亚领导的新一代2G GSM手机供电。

在DEC，Alpha RISC芯片设计师Dan Dobberpuhl成立了一个设计小组，将Alpha的性能与ARM的功率效率结合起来，形成了为苹果第二代牛顿处理器提供动力的StrongARM架构。

公开授权技术的明显成功促使苹果公司将Newton平台授权给其他硬件制造商，包括摩托罗拉和西门子。Cirrus Logic授权ARM设计公司开发“牛顿兼容”芯片组，苹果公司的授权商可以用这些芯片组来制造他们自己的移动设备。苹果还开始将经典的Mac OS授权给第三方硬件制造商，包括万代的Pippin游戏系统。

“开放的总是赢家”的新兴想法也促使构建一个家庭视频游戏平台,一个音频DSP和ARM处理器搭配使用专门的硬件图形加速器,像苹果的牛顿可以授权给硬件制造商竞争替代专用游戏机由索尼和任天堂。

之后,苹果也开始与IBM合作和摩托罗拉IBM服务器级别的缩减,64位POWER架构用于台式电脑、PowerPC、名义,目的是让苹果Mac升级到Unix工作站性能强大的联盟,已经使用先进的RISC处理器如DEC Alpha,芯片谷图形的MIPS, Sun SPARC。

目标联盟事实上PowerPC发表公开许可“通用的硬件参考平台”,意欲取代英特尔x86 PC架构和本质上可以运行任何操作系统:苹果的Mac OS, IBM AIX UNIX,OS/2, Sun Solaris,BeOS, NeXTSTEP,Microsoft Windows NT,以及现代新操作系统被苹果和IBM联合开发。

开放并不总是代表胜利

然而，尽管历史选择性地记住了微软在Windows软件授权方面的巨大成功，却很容易忘记了一系列实际上摧毁了它们的制造者的授权程序。尽管3DO获得了CES大奖，并获得了包括松下、LG、AT&T和三星在内的众多授权商的支持，但更先进的索尼PlayStation的销量还是超过了3DO。

对苹果来说，操作系统授权对扩大其Mac或Newton平台的市场份额几乎没有帮助。相反，苹果的专业授权机构基本上从苹果的目标市场中榨取了大部分的利润，使得公司只能为销量更高但利润更低的入门级Mac销售服务。

与此同时，历史也选择性地将英特尔的x86视为现代个人电脑时代最重要的芯片家族。实际上，ARM架构在不需要x86兼容性的各种嵌入式应用程序中得到了显著的发展。在不同的授权商中，ARM芯片的总销量远远超过了x86处理器。然而，PowerPC的公开许可性质并没有取得同样的成功。

在20世纪90年代剩下的时间里，苹果在芯片领域的努力都被认为是失败的，与苹果日益增长的围攻毫无希望地联系在一起。ARM 只是略微成功在苹果的销售牛顿消息垫和eMates慢慢继续,和PowerPC未能获得牵引力以外的苹果的mac电脑,不可能离开公司困境试图跟上Windows电脑的规模经济,享受与英特尔x86芯片。

苹果的两个明显失败案例

然而，有趣的发展后来从苹果在定制芯片的努力。开放许可的ARM架构带来了比英特尔的x86更节能的移动CPU，使得它在嵌入式应用程序和由诺基亚和其他公司推广的手机中非常有用。为了在手机上工作，ARM将其32位指令集缩小到16位“拇指”，这使得手机制造商可以在更少的内存下运行。

超节能的设计,苹果在1990年代初开始创建新的手持牛顿芯片产品,在2000年代它是非常重要的，那时全天的电池续航能力成为了更有价值的卖点。

到2000年，已经有很多芯片制造商使用ARM授权的设计，有几家公司获得了架构许可，允许它们定制优化与ARM兼容的CPU内核，包括德州仪器和xscale，更名为StrongARM集团的英特尔在1997年接管了它们。

苹果对创始公司ARM的参与还导致其在1998年至2003年期间以超过11亿美元的价格出售股票，帮助掩盖了苹果财务状况的严重程度，同时也给了公司时间来执行Mac的现代化战略和推出iPod。

具有讽刺意味的是，2001年的iPod标志着苹果重新开始使用ARM处理器。Fabless芯片设计公司PortalPlayer已经开发了一款随时可用的媒体播放器SoC，其中包含了两个通用的ARM核心，苹果可以使用“现成的”来交付新产品。

类似地，许多从事专业工作的公司也采用了干净、现代的PowerPC体系结构，而Intel的x86在处理这些工作时不是最优的。其中包括索尼、东芝和IBM在2000年合作生产用于索尼Playstation 3的Cell处理器;随后2003年IBM和微软合作开发相关XCPU芯片驱动的Xbox 360,和2000年代中期建立TI-backed制程芯片设计师P.A. Semi,在另一个Dobberpuhl领导的研究小组开发了一种新的超快,超能效PWRficient PA6T架构设计为嵌入式用途,包括信 处理、图像处理和存储阵列。

在这些开发之前，PowerPC最初被期望提供支持桌面pc的超高速芯片，与Intel的x86直接竞争。但在整个20世纪90年代，微软和摩托罗拉在让Windows在PowerPC上运行良好方面都失败了。其他类似的将现有桌面平台移植到PowerPC上的失败意味着苹果最终成为唯一一家能够在PowerPC上运行的重要PC制造商。

上世纪90年代中期，初创公司exponent Technology开始着手开发比IBM和摩托罗拉更快的PowerPC架构版本，结果开发出了x704芯片，该芯片有望卖给苹果，为其mac电脑提供动力。指数公司的x704芯片融合了双极晶体管和CMOS存储器在一个芯片上，通过定制的芯片设计优化调整，使其运行速度达到533mhz，远远快于摩托罗拉的第二代，200到300MHz的PowerPC 604e芯片，后者是1997年苹果Power mac的动力。

摩托罗拉说服苹果公司，指数化公司无法提供足够可靠的速度更快的芯片，从而限制指数化公司将其超高速芯片卖给更小的Mac复制机。摩托罗拉的下一代新一代PowerPC 3G芯片，以及乔布斯试图扼杀Mac克隆许可证的举动，抹去了指数公司未来的业务。

然而，指数工程师把他们的定制芯片加速技术带到一家新公司，后来被命名为Intrinsity。该公司开发了一个名为“Fast14”的技术组合，它证明可以加速各种现有芯片架构到“FastCore”版本。然而，这些调整也被认为是昂贵和耗时的交付，需要对每个新流程节点进行重新处理。

芯片设计者通常依赖于更小的进程节点来提供“免费”的速度优势，简单地通过缩小芯片设计。因此，Intrinsity对每个流程节点的逻辑布局进行自定义调整的想法并没有得到热情的采纳。

2007年，Intrinsity与ARM合作，将Fast14应用于Cortex-R4核心，但ARM并没有进一步与ARM合作。据 道，ARM甚至建议三星不要使用过于复杂的Cortex-A8核心“Fast14”，因为它不会取得比德州仪器内部定制的OMAP 3更好的结果。

AnandTech在2010年对该公司的技术进行了评估，详细说明了这家初创公司在最初的10年里已经消耗了1亿美元的资金，但仍然未能吸引到足够的关注，也未能实现盈利。投资者对投入更多资金在一套似乎不切实际的技术上失去了兴趣。

该苹果了

与最初的配备了PortalPlayer开发的硬件的iPod不同，苹果最初的三款iPhone使用的是ARM的soc，这些soc是“定制的”，因为苹果特别定制了一些功能，比如比典型的GPU更强大、比当时大多数其他智能手机的内存大得多。

与现有的手机不同，苹果的iPhone提供了更强大的应用程序处理器。成对一个ARM CPU核心与权力VR图像,连接到128 mb的内存,使其能够运行一个精简版的苹果的Mac OS x桌面新iPhone还包含一个单独的基带处理器,配对的一只ARM CPU与2G DSP在一个单独的包由英飞凌。它独立运行自己的操作系统，处理移动 络流量，并像调制解调器连接传统PC那样与应用处理器通信。

第二年，iPhone 3G使用了相同的AP，缩小到一个新的进程节点和一个新的3G基带处理器调制解调器与GPS。明年的iPhone 3GS基本上使用相同的调制解调器，但采用了更快的AP。为了保持竞争力，很明显，苹果需要在新的芯片速度和性能上实现更快的节奏。

苹果很快就会购买一些定制加速的ARM应用处理器设计，包括高通的新款骁龙SoC。据 道，这款芯片耗时四年，造价3亿美元。它将高通的定制ARM CPU与该公司的Adreno GPU配对，并将CDMA/GSM调制解调器全部集成到一个单独的包中。

德州仪器也在准备使用PowerVR显卡的OMAP 3。PowerVR显卡是为诺基亚最先进的“互联 平板电脑”移动设备提供动力的芯片家族。Nvidia还打算推出Tegra，这是一款新的ARM SoC，融合了它从PortalPlayer获得的设计，并搭配一个缩小版的桌面GPU。

英特尔也冲进了手机市场，带来了缩小版的x86架构芯片，但是依然错误被拒绝为iPhone在它到来之前构建芯片。

2006年，在从PowerPC向x86的过渡中，英特尔刚刚赢得了苹果的Mac业务，人们普遍认为，英特尔也会满足苹果在其他领域的芯片需求。英特尔自己的ARM业务XScale被出售给了Marvell，而此时苹果正开始大幅增加对ARM芯片的需求。随着苹果计划推出平板电脑的传言四起，英特尔希望与Atom达成协议。

然而，多年来，苹果一直依赖于摩托罗拉和IBM来提供未能实现的PowerPC芯片，后来又遇到了与PortalPlayer同样的问题，接着英特尔又拒绝制造iPhone芯片，因此不难看出，苹果为什么希望拥有自己未来的移动芯片供应。苹果很早就决定，需要从根本上加快为未来的iphone和即将推出的iPad开发新的处理器。

苹果是在推出App Store的同时推出这一举措的。回想起来,有趣的是,外部观察人士当时说,苹果没有移动速度不够快,它应该打开应用程序商店,它不能延迟macOS版本,甚至几个月,或者真的应该努力得到Sun Java或者Adobe Flash在iPhone,或工作等一些其他优先MMS消息。

2008年初，苹果收购了P.A. Semi，并与Intrinsity和三星合作开发最终成为A4的产品。它推出这个雄心勃勃的项目时，iPhone刚刚证明自己，在一个竞争激烈的市场，充满了根深蒂固的移动竞争对手，现在吸引了新进入者的注意，他们也比苹果更大，资金也更充裕。

“业界普遍认为，”AnandTech在2010年写道，“在苹果的要求下，三星要求Intrinsity开发一款适用于A4的快核版Cortex-A8，在分摊了成本后，三星最终将其用于S5PC110/S5PV210(Exynos 3)。”

当Intel在移动设备上积极争取对x86 Atom的支持时，AMD已经赢得了两个基于x86的CPU订单，用于新的索尼PS4和微软Xbox One主机，从而终止了IBM的Cell和XCPU设计。这为苹果提供了一个从IBM挖走世界级芯片设计人才的机会。

苹果公司的秘密

2009年，三星公开宣布与Intrinsity合作开发“蜂鸟”(Hummingbird)处理器。该公司称，Intrinsity将Fast14技术应用于ARM的通用Cortex-A8 CPU核心，以提供一种芯片，能够将ARM的通用核心频率从原本的650兆赫(mhz)提升至1GHz。

《EETimes》援引Intrinsity首席执行官鲍勃·拉索(Bob Russo)的话称:“我们可能会生产出迄今为止速度最快的(Cortex-A8)部件，其每瓦耗电量达到最佳兆赫，漏电量最低。”拉索还表示，“我们在12个月内完成了蜂鸟的一小部分”，据 道高通骁龙的成本为3亿美元。

然而，尽管与Intrinsity密切合作，并充分意识到其技术的潜力，但在2010年决定收购该公司的不是三星，而是苹果。尽管在乔布斯于2010年iPad发布会上宣布A4尺寸之前，公开 道中并没有提及苹果公司的参与，但这是有意为之。苹果也曾秘密开发过A4的移动图像。

2008年，AppleInsider独家 道称， Imagination Technologies宣布了一项协议，根据一项多用途许可协议，将其“下一代图形和视频IP核心授权给一家国际电子系统公司”，之后又称三星只拥有这些技术的生产许可。这意味着苹果将定制三星只生产的PowerVR GPU。

虽然苹果和三星平分了蜂鸟/A4芯片的研发成本，但苹果2010年收购intrinsitit的交易——在iPad发布之前就宣布了——意味着苹果获得了独有的技术，使其CPU速度超越了ARM参考设计。然而，苹果并没有独家访问PowerVR图形;任何人都可以授权那个GPU。

很明显三星没有。

同样有趣的是，当时的多份 告将苹果描述成一个绝望、困惑的公司，它收购了一些芯片设计公司，却把“大部分”员工输给了竞争对手。Anandtech和其他公司的 道呼应了这一观点:“大多数P.A.半导体工程师已经从苹果转到一家名为Agnilux(最近被谷歌收购)的初创公司工作。”

该 告还总结道:“总而言之，不能说苹果收购Intrinsity是一件轻而易举的事情。”

苹果没有透露A4的细节

“我们有一个叫A4的芯片，”乔布斯在iPad发布会上说，“这是我们做过的最先进的芯片，为iPad提供动力。”它有处理器，图形，I/O，内存控制器，所有的一切都在这个芯片上。”

不过，苹果没有提供有关A4的具体细节。Ars Technica的乔恩·斯托克斯(Jon Stokes)当时写道，A4的设计“没什么值得大书特书的地方”，他显然认为，如果新iPad没有摄像头，A4就不会有图像信 处理器，因此不适合为智能手机供电。

但是而不是野生的,投机的月球探测器尝试只是提供平板电脑芯片,A4已经一个精心的计划策略能够生产高容量芯片支持多种设备,包括视 膜显示iPhone 4 FaceTime视频会议的能力,和一个全新的ios系统年底苹果电视。这一点在战略实施之前并不明显。

苹果后来还透露，其A4项目始于2008年。它由Johny Srouji领导，他曾“在Intel和IBM的处理器开发和设计领域担任高级职位”。Srouji从IBM POWER7部门被当时的硬件主管鲍勃·曼斯菲尔德(Bob Mansfield)挖走，专门负责A4的开发。

吸引顶尖人才需要一个雄心勃勃且意义重大的项目。A4的想法是三星芯片,苹果只是虚荣心作祟,这是一个营销的概念，苹果只是一个假的营销公司,不能创新”。当时，包括《华尔街日 》、《彭博》等多家媒体多 道了今日看起来非常滑稽的 道。

苹果2008年收购P.A.Semi，实际上为苹果现有的40人左右的芯片工程团队带来了约150名新员工。P.A. Semi的一些主要成员确实离开了，创建了谷歌收购的Agnilux初创公司。但这只涉及一个大约10人的团队，因此，有关苹果正在收购公司，所有人才都离开去加入谷歌或去其他地方的说法纯属无稽之谈。

Dobberpuhl在苹果收购P.A. Semi的五年前创立了这家公司，后来在A4交付之前从苹果退休。Dobberpuhl因开发了最初的DEC Alpha而闻名，同时也是DEC的设计中心，该中心授权ARM并开发了苹果上一代牛顿使用的StrongARM芯片。他还领导了一个MIPS SoC的开发，为他在半导体行业已经是传奇的地位做出了贡献。但当苹果收购P.A. Semi时，多伯普已经60多岁了。媒体幻想他会冷落苹果，离开苹果去为谷歌制造全新一代的芯片，让Android变得不可触碰，这是荒谬的。

这么多年过去了，人们一直以为谷歌为其Nexus、chromebook和pixel开发的定制芯片从未实现，而苹果公司却变成了一家领先的芯片设计公司，拥有最大的移动设备安装基础，使用的是最先进的芯片材料。

苹果移动设备的巨大销量使其能够迅速推出先进的新技术，从Metal图形架构到计算摄影技术，再到主流的增强现实技术，再到支持面部识别和人像照明的深度传感器。而未来苹果将着眼于新的移动芯片战略，而这正是苹果从一开始就与竞争对手不同的优势。