苹果换芯简史:芯片如何改变苹果的电脑产品线

Mac 走入了一个新的纪元。
今天凌晨,苹果发布了第一款用于 Mac 的自研 ARM 架构 CPU,M1。同时发布的还有三款搭载 M1 芯片的新电脑:MacBook Air、MacBook Pro、和 Mac mini。
5 个月前的 WWDC 上,苹果宣布 Mac 未来将不再使用 X86 架构的英特尔处理器,转而使用苹果自研的 ARM 架构芯片。在苹果 34 年造电脑的历史里,这样的转换发生过三次。每一次转换,紧随其后的都是一场计算机革命。
30 年后,苹果不再满足于其他厂商设计的芯片,开始自己为 Mac 打造 CPU。过去十几年苹果自研芯片的技术积累,终于在 Mac 上开花结果。

从 Apple II 到 Macintosh:性能飞跃

苹果的诞生,和一款芯片的推出密不可分。
这款芯片脱胎于 1971 年摩托罗拉公司开发的 6800 芯片。当时还没有「个人计算机」的概念,摩托罗拉希望把 6800 芯片放进面向企业的大型计算机中。所以摩托罗拉非常注重这款芯片的全面性,在内部集成了包括 ROM、RAM、各种接口,希望惠普等计算机制造商能够更方便地利用 6800 设计电脑。
但 6800 太贵了,大部分客户都望而却步。而且,当时负责设计 6800 的团队发现,大部分用户对芯片性能、指令集的需求,只相当于 6800 的一小部分。所以整个产品团队开始尝试对芯片进行精简,缩小尺寸、改进功能,以及最重要的,降低成本。
1975 年,MOS Technology 6502 处理器问世。它的价格只相当于 6800 的六分之一,远低于当时英特尔的竞品。这款芯片因为极高的「性价比」,被用于各种知名产品,包括雅达利 2600 游戏机、任天堂红白机,最终引爆了 80 年代的家用计算机革命。
苹果成为了这场革命的「排头兵」。1976 年,史蒂夫 · 沃兹尼亚克和乔布斯一起,基于 6502 这颗芯片开发了 Apple I,一年之后,他们又推出了经过改进的 Apple II,同样搭载这颗 6502。
Apple II 成为了历史上第一款大获成功的「个人电脑」,这很大程度上要归功于 6502 相对较低的价格。Apple II 的后续改款产品一直卖到 90 年代,采用的芯片也一直都是 6502 的衍生产品。

Apple II 是历史上第一款取得广泛成功的个人电脑,图中展示的是其后续改款 Apple II plus|Wikipedia
如果说 6502 开启了「个人电脑」时代,苹果的第一次芯片架构转换,则开启了「图形界面」的时代。
1984 年,苹果推出了 Macintosh 电脑。这是苹果第一款搭载图形界面,并配备鼠标的个人电脑。它开创了很多历史,搭载了第一版的 macOS(当时叫 System 1.0),和文件管理应用「访达」(Finder)。

Macintosh 电脑|Apple
一切同样要归功于 Macintosh 所搭载的芯片,Motorola 68000。它是历史上最早一批使用 32 位指令集的处理器之一。相比 Apple II 上 6502 的 8 位,改变可不是翻四倍那么简单。位元提升四倍,意味着处理器一次能处理的最大数,从 2 的 8 次方变成了 32 次方。
芯片的性能的指数增长,使「图形界面」成为了可能。尽管初代 Macintosh 因为成本居高不下等各种原因,并没有取得成功,但它打开了未来的大门。直到今天,macOS 里仍然沿用着很多初代 Macintosh 的设计。
70、80 年代芯片性能的突飞猛进,让苹果的很多产品构想,变成了现实。

PowerPC 和英特尔:效率提升

进入 90 年代,苹果开始走入低谷。
采用 68000 系的 Macintosh 虽然开创了个人电脑采用图形界面的先河,但由于成本居高不下,加上性能落后,没能成为个人电脑领域的主流。IBM 68000 系列芯片相比同时期英特尔的 80386 CPU 大幅落后,逐渐成为 Macintosh 向前发展的障碍。
1994 年,正值 Macintosh 诞生十周年之际,苹果决定转向,下一站,PowerPC。
PowerPC 诞生于 1991 年,这一次,苹果直接参与了它的创立。PowerPC 架构由苹果、IBM 和摩托罗拉三家参与创立,最早的目的是缩减指令集,以提升芯片效率,降低成本。
PowerPC 架构 CPU 因为精简的结构和指令集,使它拥有极佳的能效比。PowerPC 架构芯片后来被用在多款游戏主机上,包括任天堂的 GameCube 和 Wii、索尼 PS3 以及微软的 Xbox 360。
1994 年发布的 Power Macintosh 是第一台搭载 PowerPC 处理器的苹果电脑,它追赶上了此前几年里,苹果电脑在性能上和英特尔的差距,一经推出就备受欢迎。仅一年后,PowerMac 就几乎完全取代了此前的老 Macintosh。

早期的 PowerBook 笔记本|Apple
之后,苹果基于 PowerPC 处理器推出了一系列产品,包括多款 PowerBook 笔记本。尽管这些苹果电脑在技术和商业上都获得了一定成功,但整个个人电脑市场却在迅速「下沉」。越来越多的电脑制造商开始推出价格极低的电脑产品,加上当时微软刚刚推出了 Windows 95,极大增强了兼容机的软件功能,缩小了与 Mac 之间的体验差距。
再次陷入困局的苹果,召回了乔布斯。1996 年,乔布斯回归苹果,回归后不久,他就将 Jony Ive 提拔为设计部门的领导。两人在 PowerPC 芯片的基础上,开发了一系列具有划时代意义的 Mac 产品:包括 iMac G3、PowerBook G4 和 PowerMac G5。
多彩机身的 iMac G3 被视为苹果第一款「强调工业设计」的硬件产品,帮助苹果扭亏为盈。PowerBook G4 则第一次在笔记本电脑上采用了金属机身,视觉上已经与今天的 MacBook 有很多相似之处。至于 PowerMac G5,则确立了苹果做高性能电脑的思路,今天的 Mac Pro,很大程度上就是脱胎于 PowerMac G5。

iMac G3 成为乔布斯重新主导苹果产品设计的一个标志|Apple
出于对「能效比」的考量,苹果选择了 PowerPC,也是因为同样的原因,苹果抛弃了 PowerPC,它的功耗太高了。进入 21 世纪,乔布斯认为计算设备进化的趋势在于「轻量化」。PowerPC 架构最新的 G5  CPU 太热,笔记本电脑无法驾驭。而同时期的英特尔奔腾芯片,可以搭载更多核心,能效比更高,可以满足 MacBook 的需要。
2005 年的 WWDC 上,乔布斯宣布停止使用 PowerPC 芯片,转而使用英特尔的 X86 架构 CPU。
转变的过程并不轻松。2005 年,苹果的用户和开发者技术已经比 80 年代、90 年代扩大了太多倍,如何协调好转变的过程就至关重要。所以苹果推出了一个模拟器系统「罗赛塔」(Rosetta),用于模拟运行 PowerPC 架构下的软件。
过程虽然艰难,但苹果很快收获了它想要的结果。正式转向英特尔芯片两年后,2008 年,乔布斯从一个信封里抽出了那台令世界为之震惊的 MacBook Air,将笔记本电脑的轻薄性带入了新的纪元。此后数年里,MacBook 一直是「轻薄」和「长续航」的代名词。

将轻薄带向极致的 MacBook|Apple
2015 年,苹果发布了一款极致轻薄,采用无风扇设计的「the new MacBook」。它采用英特尔的酷睿 M 处理器,是苹果推出过最轻薄、便携的电脑产品。但因为散热、续航表现不佳,the new MacBook 在推出三代后就不再更新,并于 2019 年 7 月下架。
不少人认为,the new MacBook 在轻量化道路上探索受阻,是苹果最终决定抛弃英特尔,转而自研芯片的关键原因。

自研芯片时代

在追求「高性能,低功耗」的道路上,苹果完成了一次又一次跨越。最后,它决定「自己动手,丰衣足食。」
基于 ARM 架构,5nm 制程工艺,M1 芯片几乎碾压了之前 Mac 上搭载的英特尔处理器。
搭载 M1 的 MacBook Air,采用了无风扇散热的设计。因为 M1 只需要四分之一的功耗,就能实现 PC 笔记本的峰值性能。相比前一代 MacBook Air 搭载的英特尔处理器,M1 的峰值性能提升了 3.5 倍。
在产品宣传片里,苹果强调这款产品非常「冷静」,运行起来几乎不烫。同时,更低的功耗也让新款 MacBook 的续航得到了大幅提升。

M1 芯片标志着一个新时代的开始|Apple
过去 10 几年,苹果将 iPhone 上的 A 系列芯片,做成了同代性能最好的移动处理器。所以当苹果开始为 Mac 打造芯片,除了性能和功耗的领先,苹果还能将它过去积累的诸多技术优势,整合进新的 Mac。M1 搭载了的神经引擎,让 Mac 也能拥有强大的机器学习性能。同时,M1 还能配合最新的 macOS Big Sur,提供更好的安全、加密功能。
以往苹果每一次切换芯片架构,紧接着而来的就是硬件设计的颠覆。切换芯片架构是一件非常麻烦、非常困难、代价非常大的事情,很少有哪个电脑厂商,会像苹果这样频繁切换。但苹果的每一次切换,都相当于一次「解封」,更强的芯片,能解放产品设计师的想象力,推动 Mac 朝着更远的地方进化。
在这场发布会的末尾,库克说:「我们对 2021 年充满期待,将会给用户带来更多惊喜体验。」
毕竟,这只是 Mac 自研芯片时代的第一天。
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