Apple Silicon能有今天這樣令人矚目的成績，與其過往幾十年與芯片的不解之緣和歷史有很大的關(guān)系。有關(guān)蘋果與芯片的歷史，此前我們就已經(jīng)寫過好幾篇文章。不過其中可討論的歷史和八卦其實還非常多。
這段時間討論度異常集中的蘋果M1 Ultra，乃是一顆應(yīng)用于Mac Studio的工作站級大芯片。在Mac電腦用的芯片還沒有轉(zhuǎn)向Arm指令集與自家微架構(gòu)的時候，我們就寫過一篇文章細談了蘋果Mac設(shè)備歷史上的兩次指令集轉(zhuǎn)舵。在2005年史蒂夫喬布斯宣布與Intel正式合作以前，蘋果一直在用一種PowerPC指令集的處理器。
PowerPC與蘋果有過一段甜蜜歲月。1997年，喬布斯還曾經(jīng)說PowerPC G3比奔騰II要快2倍，跟現(xiàn)如今M1 Ultra比酷睿i9快3.5倍是否感覺還似曾相識？本文作為歷史課系列，就來回顧一下蘋果為什么在2005年拋棄了IBM/摩托羅拉，轉(zhuǎn)向了Intel。對于這個問題的理解，其實也更能幫助我們發(fā)現(xiàn)蘋果這一路以來，在個人設(shè)備及芯片需求上的延續(xù)思路。
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臺燈般的iMac?G4
《iPhone芯片前傳》一文提到過蘋果早在1986年就想過要自己組建芯片團隊，將CPU掌握在自己手里；花了2年時間做一顆多核處理器Scorpius......的一份文檔。從公開的這份文檔來看，蘋果的芯片設(shè)計思路雖然新潮大膽，但不管是當時的蘋果，還是半導(dǎo)體業(yè)界的實際發(fā)展水平，都不可能將Scorpius真正造出來。
而Scorpius計劃誕生的背景是，蘋果電腦過去一直在用摩托羅拉68k系列處理器。蘋果對于摩托羅拉多有不滿，單CPU供應(yīng)商這種模式也不是蘋果想看到的。Scorpius芯片計劃擱淺后的1990年，IBM發(fā)布了RISC System/6000處理器，應(yīng)該是首顆采用POWER指令集的處理器。有關(guān)Power ISA本身，又是個長達30年的故事，這就不是本文要談的重點了?？傊斈甑腎BM期望打造市場上基于RISC的最快處理器，就有了POWER指令集。
首顆POWER處理器，也是最早的一批超標量RISC實踐；不過這是個多芯片設(shè)計（multi-chip）的高性能產(chǎn)品。IBM認為，有必要去造個單芯版本來覆蓋更大的市場，與此同時IBM也意識到這樣的芯片有機會成為大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用于整個行業(yè)的產(chǎn)品。于是IBM聯(lián)系了蘋果，表示期望共同開發(fā)基于POWER指令集的單芯片微處理器。蘋果自然非常感興趣，很快還拉來了摩托羅拉一起準備搞個三方合作，畢竟摩托羅拉在量產(chǎn)微處理器方面的經(jīng)驗其實比IBM更豐富。AIM聯(lián)盟也就自此形成了。
當時的PC個人計算機市場，正是Intel 80386/80486風生水起的時候。AIM聯(lián)盟在屬性上也有與成長中的Wintel聯(lián)盟正面硬剛的意思。
AIM聯(lián)盟對三家公司來說都是相當符合其發(fā)展利益的存在。IBM想擴張POWER覆蓋的產(chǎn)品范圍。而蘋果要更牢固地掌控CPU產(chǎn)品及供應(yīng)鏈的想法得到滿足——雖說對這一時期的“蘋果芯片”而言，蘋果的角色充其量也就是出點錢，并買買奶茶。
對摩托羅拉而言，只需要低很多的設(shè)計成本就能廣泛出售CPU產(chǎn)品，緊密了和蘋果之間的關(guān)系；IBM也能發(fā)展成不錯的客戶。另外，當時摩托羅拉有自己的88k處理器，但對該系列可投入的資源相當匱乏，從開發(fā)進度來看自己都深陷泥潭。蘋果其實已經(jīng)做了88k的原型機，88k在通信應(yīng)用領(lǐng)域也有了一些嵌入式設(shè)計的design-in。
摩托羅拉當時想的是，如果說POWER單芯片版能夠在硬件級實現(xiàn)和88k的總線可兼容性，那么蘋果和摩托羅拉就都能更快地讓產(chǎn)品上市。1991年，各方面的需求最終造就了PowerPC。PowerPC指令集脫胎于POWER指令集。從維基百科的資料介紹來看，PowerPC實際上雜糅了88k的一些特性。與此同時摩托羅拉也在這一年停止了88k的研發(fā)。
在用摩托羅拉68k處理器的Macintosh
PowerPC指令的處理器，自然而然地應(yīng)用到了蘋果的Power Macintosh、PowerBook、iMac、iBook、Xserve等產(chǎn)品線上，而且延續(xù)了從1994年到2006年12個年頭，稱得上是比較長期的合作了。
合作中的甜蜜期就不多做闡述了，尤其1994年Mac之上的PowerPC多少也是讓Mac用戶感到了驚艷的，畢竟相比摩托羅拉原本的68k要彪悍太多了。當時的Computer Chronicles節(jié)目評價PowerPC，談到Macintosh Quadra 950（1992年）預(yù)覽一個復(fù)雜的圖形需要1分鐘，而新發(fā)布的PowerPC只需要10秒。
PowerPC于蘋果Mac發(fā)揮的最高潮在2003年喬布斯的一段發(fā)言中。當時喬布斯說：“PowerPC G5改變了一切規(guī)則。這顆64-bit的處理器是我們?nèi)翽ower Mac G5的心臟，全球最快的桌面計算機。IBM拿出了地球上最先進的處理器設(shè)計和制造專業(yè)技能。而這還只是漫長、高效合作關(guān)系的開端?！?/span>
有沒有感覺到蘋果現(xiàn)在的市場發(fā)言風格完全繼承自喬布斯？無論是現(xiàn)在的蘋果芯片還是iPhone、Mac設(shè)備的介紹。從這段話來看，2003年的AIM聯(lián)盟似乎還相當有發(fā)展前景才對。單純從性能來說，POWER指令集處理器在歷史上也是多有高光時刻的。比如說面向服務(wù)器的IBM POWER4微處理器，成為首個商用的多核處理器，而且似乎也是最早一批突破1GHz頻率的處理器產(chǎn)品。
當然POWER4并不是面向PC的，2年之后其單核版本以PowerPC G5的姿態(tài)問世——也就是喬布斯在發(fā)言中提到的那個。那個時候Intel x86處理器都還停留在32位時代。但也是這顆G5，成為后來蘋果和IBM分道揚鑣的直接原因。
2003年，G5還沒有正式問世，喬布斯就對外宣傳說很快要發(fā)布的Mac設(shè)備，處理器主頻可以達到3GHz。“3GHz”成為彼時眾所期待的一個值，雖然不知道喬布斯是被IBM騙了，還是自己信心太足。最終的PowerPC G5（PowerPC 970）跑在了2.5GHz頻率上（后續(xù)似乎有2.7GHz版本）。
2004年的WWDC蘋果開發(fā)者大會上，喬布斯說了這樣一段話：“我想談?wù)?.5GHz的話題，因為1年以前我站在這兒說，1年內(nèi)我們要達到3GHz了。究竟發(fā)生了什么？事實就是，G5，如諸位所知是一顆很復(fù)雜的芯片。半導(dǎo)體行業(yè)要讓速度變快，一般他們就是要縮減器件尺寸，PowerPC以前是基于130nm的尺寸來造的。去年半導(dǎo)體行業(yè)從130nm發(fā)展到了90nm，速度理論上應(yīng)該會變得更快了。但實際上卻遭遇了瓶頸（hit the wall）。整個行業(yè)在90nm遭遇了瓶頸，比人們原本預(yù)期得更有難度。所以速度提升比我們過去5年看到的都要緩慢?！?/span>
雖說這一年喬布斯并沒有大說IBM（和摩托羅拉/Freescale）和PowerPC的壞話，還給出了90nm遇上瓶頸的說辭，但2005年蘋果立馬宣布拋棄PowerPC，并和Intel展開合作就知道事情發(fā)展到了怎樣的程度。
從OEM廠商的角度來看，后續(xù)Power Mac G5電腦對于PowerPC G5芯片的實施，可能比喬布斯預(yù)想得還要糟糕。G5芯片極高的功耗和發(fā)熱，讓蘋果必須重新設(shè)計G5電腦的結(jié)構(gòu)。甚至在高配版本上（雙CPU），蘋果為了處理器的散熱還特別設(shè)計了一套水冷系統(tǒng)——這在蘋果歷史上都是絕無僅有的。
隨之而來的另一個問題是，PowerPC G5的這種“火熱”表現(xiàn)，令其幾乎無望應(yīng)用于當時的蘋果筆記本PowerBook。所以PowerBook從2004年以后的連續(xù)多次升級都全部停留在“G4”這個代號上。蘋果此時的轉(zhuǎn)向顯得非常順其自然。
另外，同期還有很多小插曲發(fā)生。比如說2000-2001年摩托羅拉G5項目預(yù)備推64bit的PowerPC處理器（PowerPC 7500），是繼PowerPC G4（PowerPC 7400)之后的迭代，但摩托羅拉在這個項目上失敗了（聽說是在大規(guī)模量產(chǎn)早期階段fail），所以最終的G5就主要來自于IBM（PowerPC 970，也就是前文提到的POWER4的下放）。再比如說2004年，F(xiàn)reescale從摩托羅拉分拆出來...
在此期間，AIM的三個參與者都有了各自的心思和問題。比如摩托羅拉頻繁遭遇生產(chǎn)制造方面的問題。IBM則退出了32位嵌入式處理器市場，把對應(yīng)的PowerPC產(chǎn)品線賣給了AMCC，僅專注到64位芯片設(shè)計上，只在意自己POWER指令集的服務(wù)器和嵌入式應(yīng)用市場。蘋果對于需要長時間等待合作伙伴更新處理器也感到了厭倦，還有下文將會提到的IBM芯片價格還非常昂貴。
2005年WWDC之上，Intel與蘋果的世紀大合作基本宣告了AIM聯(lián)盟的土崩瓦解。后續(xù)IBM和Freescale的聯(lián)盟則被Power.org開放標準主體所替代，IEEE管理運營。目前Power.org的成員有IBM、Freescale、AMCC?，F(xiàn)在的Power ISA指令集已經(jīng)做了融合，早前的POWER和PowerPC合并到了一起。
淘汰PowerPC是很好理解的，蘋果自己也談到了PowerPC在發(fā)熱、能耗方面的問題，限制了芯片的性能發(fā)揮。蘋果2006年發(fā)布的13寸MacBook和15/17寸MacBook Pro采用Intel的雙核酷睿處理器，宣傳中提到性能相比iBook G4和PowerBook G4分別快了5倍，與此同時續(xù)航還提升了2個小時。（好像每次蘋果一換處理器，性能都有幾倍提升，視行業(yè)每年百分之十幾二十的提升為無物...... ）
另外值得一提的是，PowerPC的生態(tài)并不單是前文提到的這些。Windows操作系統(tǒng)甚至都還有過支持PowerPC指令集的版本，當今蘋果芯片夢之隊原始儲備（后來被蘋果收購的）P.A. Semi最早就在做Power指令集處理器。另外，現(xiàn)在的游戲主機生態(tài)雖然已經(jīng)普遍轉(zhuǎn)往x86，但游戲機市場PowerPC也是有輝煌期的。任天堂GameCube、Wii、Wii U，索尼PS3和微軟Xbox 360的CPU都基于PowerPC指令集。
這其中尤為值得一提的是索尼PS3游戲機內(nèi)部的Cell處理器，這是另一個值得大書特書的話題。Cell是由索尼、東芝、IBM共同開發(fā)（又是個聯(lián)盟）的處理器，當年的名噪一時也源于索尼在PS3宣發(fā)前期做了大量不靠譜的宣傳（雖然很可能也是被IBM給騙了）。就市場而言，Cell和PS3整體都可以認為是失敗的產(chǎn)品。但這其中比較值得一提的是PS3因為用了Cell處理器，所以多臺聯(lián)合可以構(gòu)建超級計算機。
有關(guān)PS3超級計算機的傳說很多。比如2010年美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory）用1760臺PS3打造了一臺超級計算機，達成500 TFLOPS算力......當然Cell架構(gòu)后來在游戲機之外，還發(fā)揮了不同的價值：比如Cell后續(xù)還曾應(yīng)用于醫(yī)療成像、工業(yè)檢測、通信等嵌入式應(yīng)用和服務(wù)器、加速卡之類的產(chǎn)品。
聊到這兒，不知各位是否還記得前文提到的，PowerPC G5是脫胎自IBM POWER4服務(wù)器處理器。雖然我們沒有細致研究當服務(wù)器處理器的核心微架構(gòu)下放到PC平臺時，IBM在設(shè)計上做了多少改進工作，但基本可以明確的一點是：IBM彼時的市場，其芯片始終是以大算力為基礎(chǔ)，來逐漸通過縮減規(guī)模來下放給民用領(lǐng)域。
其設(shè)計之初就并不刻意偏向算力需求沒那么高的市場，或者不怎么在意效率和功耗。所以G5的高配版，在PC平臺得上水冷才壓得住，至于筆記本這種功耗發(fā)熱敏感型設(shè)備，更是想都不用想。
這和如今蘋果芯片以手機為切入點，基于功耗敏感型設(shè)備來設(shè)計核心微架構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)進行規(guī)?；瘮U展覆蓋到了工作站級別的算力，是完全背道而馳的。M1 Ultra的規(guī)模雖然很大，但其CPU核心Firestorm實際上和iPhone 12上的A14芯片并沒有太大差別。IBM后期專注的市場基本都在工作站、服務(wù)器，那時候這些東西還不怎么需要在意功耗和發(fā)熱。
這種思路上的顯著差異，大概是導(dǎo)致蘋果拋棄PowerPC的必然和根本原因?；蛟SAIM聯(lián)盟締造之初，就有彼此方向上的巨大差異造成的隱患是不被當時的AIM所感知的。索尼PS3和Cell的失敗或許也與此有關(guān)。
PowerBook?G4
其實Intel也不是從低功耗領(lǐng)域起家的，不過Intel的發(fā)力點最初和IBM又不同。Intel最早的4004是計算機實現(xiàn)小型化非常重要的一步；而且Intel還打造了第一臺“微計算機（microcomputer）”。從這個層面來看，至少在2005年之后的十多年時間里，Intel會是更適合蘋果的。而Mac設(shè)備上的Intel處理器被蘋果換掉的根因，或許和當年蘋果換掉PowerPC也大同小異，這就是后話了。
不過除了功耗、效率以外，當年的Intel在個人計算機處理器市場還占據(jù)一大優(yōu)勢：成本。CNET十多年前寫過一篇文章，談到他們聯(lián)系到一名原IBM高層，他透露了當年蘋果拋棄PowerPC的一個重要原因：“蘋果想要更好的價格。”
據(jù)說此前蘋果給IBM芯片付出的價格是相當高昂的。不過當時PowerPC處理器的價格高也是很好理解的。我們認為，成本問題大致上有幾個關(guān)鍵點：
第一，蘋果Mac設(shè)備在整個PC市場上都是小眾的，市占率不高，導(dǎo)致其芯片需求量也高不到哪里去。我們知道，民用電子設(shè)備的處理器——尤其是采用尖端制造工藝的CPU，是需要靠走量來攤薄CapEx成本的。在量越大的情況下，成本也就對應(yīng)得越低。在半導(dǎo)體制造全面進入130nm節(jié)點以后，迭代成本之高開始顯現(xiàn)出威力；沒有量更是死路一條。
隨之而來的第二點，對IBM而言，蘋果Mac的量也實質(zhì)上成為其成本負擔。IBM需要花大量的精力在其芯片組、compiler和各種配套技術(shù)的支持上，最終能賺錢都很成問題。似乎PowerPC的誕生還一度影響到了IBM自家POWER指令集處理器的開發(fā)。
IBM的這位線人就提到，蘋果的生意后期對IBM來說，就是巨大的經(jīng)濟負擔。蘋果拿到IBM芯片的價格自然就非常高。據(jù)說當時IBM甚至想過，把蘋果的成本轉(zhuǎn)嫁到Cell架構(gòu)上，然后實現(xiàn)芯片設(shè)計和制造的規(guī)模化效益。這樣芯片價格更低，也能賺更多的錢。
第三，IBM的產(chǎn)品似乎一直以來就有著價格高昂的傳統(tǒng)，原POWER生態(tài)就十分高冷，開發(fā)者數(shù)量寥寥——當然這也是其產(chǎn)品面向的企業(yè)市場決定的。蘋果在PowerPC上基本屬于在消費電子領(lǐng)域的IBM翻版，蘋果的PowerPC生態(tài)對很多開發(fā)者而言是相當不友好的。這就導(dǎo)致了惡性循環(huán)，生態(tài)不怎么樣，量就上不去；量上不去，價格就下不來；價格下不來，賺錢少、買的人又少，缺乏競爭力，又影響到生態(tài)和量。
另外多插一嘴：當今Power的市場，決定了其產(chǎn)品迭代周期將遠久于活躍的市場參與者。Power最近4代產(chǎn)品的發(fā)布時間分別在2010年、2013年、2017年、2020年。2013年成立OpenPOWER基金會，到2019年P(guān)ower ISA開源，Power市場在各個領(lǐng)域的小眾化（包括超算）都是不可逆的。
而當年的Intel顯然摒棄了上述所有缺陷，包括其龐大的PC市場、海量的PC處理器出貨量，令其成本低很多，迭代周期又明顯更短——極易在生態(tài)進入良性循環(huán)以后，在性能方面輕而易舉地超越PowerPC。而且自小型機起家的傳統(tǒng)，又令I(lǐng)ntel處理器有著兼顧功耗的優(yōu)勢，這都是當時的蘋果迫切需要的。
蘋果最終轉(zhuǎn)向自家的Apple Silicon，似乎也只是這個故事的進一步續(xù)寫。
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