苹果Mac全面改用ARM架构,意味着什么?
2020-06-12 17:11

苹果Mac全面改用ARM架构,意味着什么?

一段15年的情谊即将走向尽头。 


15年前,苹果 CEO Steve Jobs 对众人说道:我们向 PowerPC 过渡已经十年了,我们认为 Intel 的技术将帮助我们在未来十年创造出最好的个人电脑。 


于是,苹果旗下的Mac 系列从IBM 的PowerPC 架构转向 Intel 的CPU 处理器架构。Jobs 对 Intel 技术的预期是 10 年——但到目前为止,基于 Intel 的技术,苹果已经在 Mac 上深耕了 15 年。 


15年后,英特尔在芯片性能和制造工艺方面的优势已经无法满足其对Mac的需求,Mac再度转向ARM,这是继摩托罗拉 、IBM以及英特尔之后,苹果迎来的Mac首款自研芯片,也将开启新的发展路线蓝图。 


本文来自微信公众号:机器之能(ID:almosthuman2017),作者:力琴,编辑:四月,头图来自Apple


很长一段时间里,个人电脑Mac系列是苹果旗下唯一不采用自家处理器的产品线。 


而iPhone和iPad、Apple Watch和Apple TV都搭载着苹果的自研芯片,分别包括A系列、S系列。当然,很快,Mac 芯片的空白将会填补。 


从英特尔的转向自研芯片,将使苹果对Mac电脑的性能、功能和推出时间有更多的控制权,因为它将不再需要在英特尔每次推出新的处理器时更新机型。


如今,弃用英特尔,而选择自研芯片更直接的原因在于,英特尔在芯片性能和制造工艺方面的优势已经无法满足苹果对Mac的需求。 


例如,MacBook、iMac和Mac mini的提升速度缓慢,而需要高性能处理的iMac Pro和Mac Pro台式机难以找到更好的“替代品”。与此同时,苹果最新的基于ARM的iPhone和iPad已经在性能方面广泛超越竞争对手,因此在Mac产品线中采用ARM芯片并不稀奇。 


一、Mac处理器的前两次变革 


早在1988年,史蒂夫·乔布斯声称所有的计算机架构、所有的计算机系统都有10年的寿命期限。“计算机的核心架构决定了计算机的性能,最终每种架构都会达到其性能极限,也终将被取代。”


在从PowerPC转移到英特尔处理器时,史蒂夫·乔布斯对英特尔技术的预期是 10 年。但现在算起来,基于英特尔处理器,苹果已经在 Mac 上深耕了 15 年。


2005年6月6日,乔布斯与穿着宇航服的英特尔前CEO保罗·欧德宁共同宣布,Mac将抛弃IBM的PowerPC转向Intel的X86架构,半年后搭载了Intel Core 2 Duo处理器的新款MacBook Pro亮相。紧接着苹果公司在2006年1月推出了第一批基于英特尔处理器的Mac。 


事实上,Mac 经历过几次重大变革。苹果前两次在Mac中更改了整个处理器架构:从68000架构更改为PowerPC,然后从PowerPC更改为英特尔。如果苹果在2020年加入到ARM阵营,那么这将是Mac第三次重要的变革,为之后的技术发展路线奠定基础。


在Mac 问世之前,乔布斯和苹果公司设计了第一台个人电脑 Apple Lisa,这也是苹果第一台基于图形用户界面的计算机,也是Macintosh的前辈。Lisa对苹果本身的影响深远,苹果于1984年发布的一款PC Macintosh延续了Lisa的诸多功能,尤其是将图形用户界面应用到个人电脑上。乔布斯也因此加入到了Macintosh的开发小组。 


原始Macintosh电脑


当时Lisa 已经使用上了摩托罗拉 68000 处理器。直到 1984 年,Macintosh电脑问世,也继续延续使用摩托罗拉 68000 的处理器,在它之后的 MAC 电脑也沿袭了相同的处理器选择方案。 


但是由于摩托罗拉68000处理器价格昂贵,运行速度缓慢。时隔10年,苹果公司从摩托罗拉的 68K 系列架构,转向 PowerPC 架构。为了让所有的机器都转而使用 PowerPC,苹果公司让软件开发人员重构、有时甚至重写他们的软件。1994年3月,苹果发布了搭载IBM PowerPC 601 处理器的Power Macintosh 6100电脑。 


为了鼓励人们购买新机,苹果公司开放经典模式。经典模式让用户可以在新机器上很好地运行较老的应用程序,在用户过渡到 PowerPC 处理器的过程中,这样的做法很有用。保留经典模式至关重要。保留经典模式的一个真正的原因是:MAC 的核心功能(被称为 Toolbox)十分复杂,而苹果无法及时实现对它们的转换。 


直到现在,苹果要从英特尔处理器架构脱离也是如此,兼容以及使用户安全过渡至关重要。因为它不可能期望所有的开发者都转而使用同一种方式开发应用程序。相反,它必须满足那时开发者使用的所有编程环境的需求。 


同样从PowerPC更改为英特尔亦如此。摩托罗拉的 68000 系列处理器从 1984 年持续生产到了 1994 年。从那时起,PowerPC 就一直统治着市场。直到 2005 年,苹果又一次宣布将改变计算机架构。  


那一年,乔布斯宣布了一项计划:在接下来的一年中,每一款苹果的 MAC 产品都会转而使用英特尔处理器。在苹果看来,它需要更快的处理器,它想要的是拥有有前景的发展路线图的处理器,尤其是运行起来更“cool”的处理器。显然,PowerPC 还不够好。 


放眼于当下,英特尔现在的处境与之前PowerPC面临的变革惊人地相似。


英特尔可能也曾设想过,苹果有一天将放弃它们的芯片,转而使用ARM芯片来生产Mac电脑。然而,这一变化可能不会对英特尔的销售造成太大削减,这并不是英特尔的主战场。根据最新的Gartner数据,Mac目前占美国PC市场的12%。据估计,苹果的笔记本电脑业务占英特尔销售额的2%至4%。


二、Mac 转向 ARM 架构,意味着什么?


现在,苹果公司计划将整个Mac产品线过渡到ARM架构处理器。更改 Mac 架构,真的很容易吗?Mac 的架构转型影响多大?从系统自身出发,首先要看是否会影响macOS软件在ARM处理器上的运行效果,以及从外部生态出发,是否会对整个 Mac 软硬件生态变化产生剧烈影响。


首先是兼容性。我们回顾下前两次苹果更换CPU架构的经历就可知道答案。


当年,苹果从68000架构过渡到PowerPC时,并没有大幅度改变操作系统。PowerPC支持在System 7.1中出现,而对68000系列Mac的支持则在System 8.5中结束。到2012年苹果过渡到Mac OS X时,该公司已经多年没有销售基于68000的Mac了。


同样的事情也发生在PowerPC向英特尔处理器过渡的过程中。在PowerPC向英特尔过渡的过程中,苹果推出了Rosetta,该软件可以让英特尔Mac运行许多为PowerPC编写的应用程序。为了缓解过渡期,Apple 使用软件模拟那些没有重新编写以支持新架构的应用程序。


相比之下,苹果自研Mac处理器的过渡应该也是类似的。即将推出的macOS 10.16可能会在搭载英特尔和苹果处理器的Mac上出货,苹果会提供某种软件翻译功能,使一些x86处理器的软件能够在ARM处理器上运行。自然不必过度担心软件兼容性的问题。


其次是整个 Mac 软硬件生态变化,这方面并不容易,尤其要拉拢开发者。


 当时在WWDC 2005 上,苹果并未推出基于英特尔架构的新品,而是发布了一个面向开发者的 Developer Transiton Kit 系统。后来到了 2006 年,苹果发布了基于 Intel 处理器的 iMac 设备,开发者可以用Developer Transiton Kit直接换一台。中间还需要通过各种方式拉拢大量开发者从 PowerPC 转向 X86。


而苹果此次要调整Mac 处理器架构,同样也需要做大量类似的工作。不过鉴于苹果如今如此强大的市场地位和影响力,在这方面不用过分担忧。


对于此次架构的调整,苹果还为外部开发者考虑周到,将为外部开发者留出时间,让他们在2021年新Mac推出前做调整。因此芯片调整的计划可能会有所推迟。苹果自研处理器使用的是ARM架构技术,这一架构不同于英特尔芯片所使用的底层技术,所以开发者需要时间为新芯片优化他们的软件。


三、新的Mac芯片发展蓝图


苹果弃用英特尔处理的决心已经非常明显,英特尔在芯片性能和制造工艺方面的优势已经无法满足苹果对Mac的需求。苹果需要的是,更具发展前景的处理器,透过彭博社和venturebeat的报道,我们可以略知一二。


据彭博社报道,苹果正在研发至少三款基于ARM架构的 Mac 处理器,已获得ARM处理器的许可技术,采用与iPad和iPhone处理器相同的技术。 


首款Mac芯片基于A14芯片拓展,由台积电基于5纳米制造工艺生产,采用8个高性能CPU核心和至少4个节能核心,共计12个核心。 



而目前iPad Pro所使用的A12Z芯片拥有8个核心,分别4个高性能核心和4个节能核心。 


此次首款Mac芯片采用的是基于 ARM 架构的 A 系列芯片。目前,最新款 iPhone 内置的 A13 Bionic 芯片堪称是业界性能最强的 ARM 架构芯片,出现在iPad 平板电脑产品线上。 


第一款搭载基于ARM处理器的Mac将在2021年问世。新的Mac电脑将继续运行macOS,而不用切换到iOS,这与现有使用高通ARM处理器的Windows笔记本电脑的做法类似。由于首批定制的Mac芯片性能较低,无法达到英特尔为高端MacBook Pro、iMac和Mac Pro台式计算机提供的性能,所以首批使用定制芯片的会是新的非专业级电脑。


实际上,早在2018年,苹果就基于当年的iPad Pro A12X处理器开发了一款Mac芯片原型机。这款原型机的成功被认为给了该公司信心,将转型目标定在最早的2020年。 


无论如何,这次转变将是MacBook产品线自2005年宣布改用英特尔处理器以来最大的变化。


据苹果公司对使用基于ARM的芯片的Mac进行的内部测试表明,与英特尔的芯片相比,苹果的新芯片预计也会更加强大和省电,未来的Mac将会更快更薄。另外,转用ARM有望让苹果将其处理器成本降低40%至60%。 


基于苹果与台积电多年的密切合作,以后生产的芯片会更小,且同样强大。台积电是目前全球仅有的两家拥有2纳米制造工艺的公司之一。双方近年来已经合作了多款A系列芯片,包括今年年底,即将商用的首批5纳米芯片“A14”。 


据venturebeat报道,苹果正在研发5纳米芯片可能会有两个系列,一个是用于笔记本电脑和笔记本级的Mac,另一个是用于类似iMac Pro和Mac Pro的超高性能台式机。 


苹果公司是否为这些Mac ARM处理器采用X系列,Z系列或其他芯片仍待观察。根据venturebeat梳理苹果Mac芯片在2025年之前发展的蓝图来看,可选择的Mac电脑芯片不少。 


  • 2020年:用于iPhone的5纳米A14,用于Apple Watch的S6,以及可能用于iPad的5纳米A14X。除非计划在Mac上使用A14X,否则苹果将在2021之前公布入门级Mac笔记本电脑芯片。 


  • 2021年:用于iPhone的5纳米A15,适用于Apple Watch的S7,最可能适用于iPad的A14X / A15X,可适用于商业版本的Mac笔记本电脑和台式机。 


  • 2022年:用于iPhone的3纳米A16,适用于Apple Watch的S8,可能适用于iPad的A16X,可适用于第二代Mac笔记本电脑和台式机芯片。 


  • 2023年:用于iPhone的3纳米A17,适用于Apple Watch的S9,可能适用于iPad的A17X或者第三代Mac笔记本电脑和台式机芯片以及5或3纳米Apple智能眼镜芯片。 


  • 2024/2025:用于iPhone的2纳米A18,适用于Apple Watch的S10,适用于iPad的A17X / A18X,或者第四代Mac笔记本电脑和台式机芯片,以及第二代3纳米Apple智能眼镜芯片。 


苹果处理器传承了iPhone和iPad中的A系列,这只是最合理的做法。苹果还将能够利用台积电未来更好的芯片制造技术,使用台湾的代工厂制造其芯片设计。


近年来,台积电在制造更小、更先进的芯片节点方面的优势已经领先英特尔。如果苹果能够制造出性能更好、更省电的芯片,那说明它已经能够在智能手机市场上证明了这种能力,基于ARM的Mac可能会凭借其差异化的特点在PC市场获得更大的份额。


本文来自微信公众号:机器之能(ID:almosthuman2017),作者:力琴

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