2005 年的 WWDC 上，喬布斯（Steve Jobs）公布了一項重要的計劃：將 Mac 從 IBM 的 PowerPC，轉(zhuǎn)移到 Intel 的 x86 架構(gòu)。然而在當(dāng)時，蘋果也在私下進(jìn)行兩件大事：開發(fā)平板電腦，以及當(dāng)時仍以 iPod 設(shè)計為基礎(chǔ)、但加入了通訊功能的原型手機。
蘋果移動設(shè)備之初：為什么是 ARM？
蘋果開發(fā)觸控式平板電腦的時間點其實比手機還早。喬布斯坦言，他是因為參加微軟高端工程師的婚禮，才打聽到微軟正在設(shè)計以觸控筆來操作的平板電腦（注 1）。當(dāng)時蘋果對手機的想法還沒有完全脫離 iPod 的轉(zhuǎn)盤，直到 Jony Ive 向喬布斯單獨簡報能用手指卷動頁面的多點觸控原型，Jobs 才拍板把原本放在平板電腦的多點觸控，改到手機。
▲ 蘋果 2004 年推出的多點觸控專利圖。
盡管為了管控風(fēng)險，iPod 風(fēng)格的轉(zhuǎn)盤版 iPhone 仍然繼續(xù)開發(fā)，但新的多點觸控原型除了同步進(jìn)行，也執(zhí)行了從檔案系統(tǒng)底層就大改寫的移動版 Mac OS X，并去除鼠標(biāo)游標(biāo)，改用手指。為了整合 OS X 以及新的多點觸控到尺寸小得多的手機，同時保留類似 Mac 的 UI 效果，蘋果發(fā)現(xiàn)自己需要一組高效省電的 CPU 與 GPU 架構(gòu)，又必須省空間把它們整合到一枚 SoC。
蘋果其實已經(jīng)有過相關(guān)經(jīng)驗的合作供應(yīng)商。當(dāng)時還占公司 40% 營收的iPod，用的是 PortalPlayer 生產(chǎn)設(shè)計的 ARM 架構(gòu)處理器，直到 2006 年因為出貨短缺，才轉(zhuǎn)單給三星。當(dāng)時，三星幾乎是唯一能整合 PowerVR，以及 ARM 架構(gòu)的 SoC 設(shè)計廠，同時還能每年穩(wěn)定出貨數(shù)百萬枚。一直到 iPhone 3GS，蘋果都還在使用三星的 ARM 架構(gòu)應(yīng)用處理器。
然而實際上，蘋果與 ARM 的關(guān)系還比想像中更早。在 1997 年喬布斯回歸蘋果前，蘋果曾在 1994 年推出一臺稱作“Newton”的掌上型電腦，并為此與 Acorn 參與了 ARM 的創(chuàng)辦，來開發(fā) Newton 的處理器底層，直到喬布斯重回蘋果停產(chǎn) Newton 并處分對 ARM 的持股（注 2）。后續(xù)，ARM 亦隨著 Nokia 的成功，成了幾乎是行動領(lǐng)域唯一的應(yīng)用處理器架構(gòu)。
Intel Atom、ARM，以及 XScale
在開始開發(fā)行動設(shè)備時，SoC 設(shè)計除了 ARM 與三星，蘋果還考慮過另一個選擇，那就是 Intel。
2005 年，蘋果剛把 Mac 從 PowerPC 轉(zhuǎn)移到 Intel x86，為了節(jié)省開發(fā)資源，喬布斯其實首先考慮在 iPad 使用 Intel 的 Atom 處理器。雖然 Atom 當(dāng)時仍在研發(fā)，但每季會與 Intel 開會一次的喬布斯卻頗信賴 Intel CEO Otellinii 的能力──放眼全球，也沒有其他廠商能做出效能比 Intel 更好的產(chǎn)品。喬布斯甚至為此在 2005 年，裁掉蘋果早年為了 Mac 籌設(shè)的芯片設(shè)計部門。
▲ 左二為 Tony Fadell 。（Source：Flickr/Fabio BiniCC BY 2.0）
不過 Tony Fadell 卻大力反對使用 Atom。Fadell 因為一手整合了 iPod 的軟硬設(shè)計，成為蘋果的二號人物。在他的堅持下，喬布斯同意改用設(shè)計更簡單、同時也更省電的 ARM 架構(gòu)（注 3）。喬布斯后來回憶：
Intel 的確有全世界最好的處理器，但前提是不在乎能耗與價格。此外，他們的芯片也只有處理器，所以還需要其他類型的芯片來配合……但多年來，我們一直告訴 Intel，他們的繪圖芯片做得很差。起初，我們合作得很好，Intel 也希望和我們一起研發(fā) iPhone 芯片，但他們動作太慢，應(yīng)變力也不夠，我們無法一直等他們；此外，我們也不打算什么事都教給 Intel，然后讓他們把東西賣給競爭者。
盡管 Intel 前 CEO Otellinii 后來表示，雙方?jīng)]有合作行動設(shè)備芯片，原因只是 Intel 不滿意蘋果的報價，同時也判斷蘋果行動設(shè)備最多百來萬臺出貨量，根本不能讓 Intel 獲利，但無論如何，Intel 的決定最終讓蘋果轉(zhuǎn)向三星設(shè)計的 ARM 架構(gòu)應(yīng)用處理器。
有趣的是，Intel 其實也有過自己的 ARM 架構(gòu)團(tuán)隊，是一間收購得來、稱作“XScale”的公司。當(dāng)時 Intel 對 iPod 以及蘋果正在秘密研發(fā)的新款行動設(shè)備仍保有興趣，同時希望透過 XScale 打入 PC 以外的市場，不過隨著蘋果在 2006 年將 iPod 轉(zhuǎn)單給三星 ARM 架構(gòu)處理器，Intel 也在 2006 年賣掉 XScale，轉(zhuǎn)攻 X86 架構(gòu)的 Atom。
三星與初代
iPhone
2007 年，蘋果發(fā)布革命性的第一代 iPhone，使用三星設(shè)計的 ARM 架構(gòu) SoC，GPU 則是透過 Imagination Technology 的 PowerVR。不過，iPhone 一發(fā)布，喬布斯就深知它的隱憂：沒有前鏡頭，只支持 AT&T 的 2G，續(xù)航力也很弱。更大的缺陷是：iPhone 雖然設(shè)計先進(jìn)，但只是整合各方資源打造的產(chǎn)品。它使用的芯片（沒有特地命名），原始設(shè)計甚至是用在三星的 DVD 播放器。
不過三星這款 SoC 確實很不錯。當(dāng)時在 ARM 架構(gòu)上執(zhí)行的行動操作系統(tǒng)，像是 Nokia 的 Symbian，微軟的 Windows CE，以及黑莓，甚至初版的 Android，都是功能相對簡單的輕量系統(tǒng)，不過三星的 SoC 卻能幫助蘋果，在 ARM 架構(gòu)執(zhí)行改寫自 Mac OS X 的 Unix 系統(tǒng)，同時還有著完整的 UI 效果。蘋果的成功，讓這些廠商重新調(diào)整了開發(fā)計劃，其中就包括蘋果日后的對手 Google Android。
喬布斯注意到潛在的競爭對手。為了加速開發(fā)效率，同時維持 iOS 的獨特性與先發(fā)優(yōu)勢，蘋果需要一款能 100% 自控的芯片，來作為 iPhone 的底層。然而，2005 年才裁掉芯片研發(fā)團(tuán)隊的蘋果，不僅沒有足夠能力的工程師來與三星交涉想要的 SoC，第一代 iPhone 使用的 SoC 盡管不錯，也不是蘋果完全認(rèn)同的設(shè)計。
于是在初代 iPhone 發(fā)布后不到一年，蘋果便秘密與 Imagination Technology、三星，簽署了 GPU 以及 SoC 開發(fā)的協(xié)定，同時也開始招募員工，重建自己的芯片團(tuán)隊。
A4：蘋果第一款自行設(shè)計的 SoC
2008 年，蘋果從 IBM 挖角了 Johny Srouji。他后來一直是蘋果芯片部門的副總裁，主管每一代蘋果 SoC 的設(shè)計。Srouji 加入不久，蘋果在 2008 年 4 月又以 2.78 億美元，秘密收購了硅谷新創(chuàng)公司 P.A Semi。這間公司的專利與團(tuán)隊，也成為蘋果日后設(shè)計 SoC 的核心，同時讓蘋果的芯片團(tuán)隊從 40 人增加到 150 人。到了喬布斯離世的 2011 年，蘋果的芯片工程師更超過了 1,000 人。這成了喬布斯晚年對蘋果影響最深遠(yuǎn)的決策。
2009 年喬布斯接受《時代雜志》專訪時，還曾經(jīng)簡短談到一年前買下 P.A Semi 的理由：
P.A Semi 將會專門為 iPhone 與 iPod 設(shè)計 SoC。
不過當(dāng)時喬布斯還少談了兩件事。首先，蘋果買下 P.A Semi 不只是為 iPhone 與 iPod 設(shè)計 SoC。它獨立設(shè)計的第一款 SoC，其實最初是用在蘋果 2010 年的新產(chǎn)品 iPad，而不是 iPhone 與 iPod。此外，當(dāng)時蘋果也已經(jīng)與 Imagination Technology、三星簽訂合作 SoC 的協(xié)定，因此，蘋果最初并不完全是獨立開發(fā)自己的芯片。
▲ 初代 iPad。（Source：Flickr / Lisa GilesCC BY 2.0）
2010 年隨著第一代 iPad 亮相，喬布斯簡報了蘋果設(shè)計的首枚 SoC“A4”。A4 使用 ARM 的 Cortex-A8 為 CPU 核心，以及 Imagination Technology 的 PowerVR SGX 535 當(dāng)作 GPU。盡管用的是 ARM 的 Cortex-A8，但蘋果經(jīng)由與三星、以及一間美國公司 Intrinsity 的合作最佳化了 CPU 架構(gòu)，讓 A4 的 Cortex-A8 時脈能高過其他同樣采用 Cortex-A8 的處理器，但又能完全相容 ARM 架構(gòu)。
蘋果與三星的合作也首次付出代價。不清楚是經(jīng)由與 Intrinsity 的合作關(guān)系，還是與蘋果之間的三方協(xié)定，三星后來把這個改版的 Cortex-A8 CPU 核心稱作 Hummingbird，并用在自家的 SoC“S5PC110”。后續(xù)三星又在 2011 年把 S5PC110 改稱為 Exynos 3，成了三星最早以“Exynos”命名的自家 SoC，并搭載在第一代 Galaxy S、Galaxy Tab，以及 Google 的二代 Nexus S。而早在 iPad 發(fā)布前，三星就已經(jīng)把 Hummingbird，用在自家兩款手機的 SoC。
于是，或許是為了提防與三星間的競爭，蘋果在第一代 iPad 發(fā)布后 3 個月，便緊急收購了 Intrinsity。
而事實上，Exynos 3 的設(shè)計也幾乎與 A4 相同，只是兩者的電路設(shè)計稍有區(qū)別。這起事件或許也標(biāo)示了庫克（Tim Cook）接手蘋果 CEO 后，與三星的一系列侵權(quán)訴訟的前奏。實際上，使用 Exynos 3 的 Galaxy S，后來也被蘋果控告抄襲 iPhone 3GS。
A5 到 A10：更進(jìn)一步
之后的幾年間，蘋果逐步加大芯片研發(fā)的力度。2011 年以后，蘋果每年的研發(fā)經(jīng)費投入都在增加，2014 年起，更是以每年 20 億美元的幅度成長，最終在 2016 年突破 100 億美元。其中，芯片、電動車，以及穿戴設(shè)備，被認(rèn)為是蘋果研發(fā)投入的三項重心；蘋果的 CFO Luca Maestri 也曾表示，這些投入多數(shù)都集中在芯片。
A5
蘋果的第二代 SoC 是“A5”。與前代 A4 一樣，最初是用在新的 iPad 2，隨后又很快地配給 iPhone 4s。A5 是蘋果的第一款雙核心 CPU、GPU 的 SoC，這項策略一直延續(xù)至今日的 iPhone 7。A5 的體積比 A4 大了一些，也首次整合了新的 ISP 來優(yōu)化白平衡。在日后很長一段時間里，成像的白平衡一直是 iPhone 相機的強項。
為了因應(yīng) Siri，A5 也增設(shè)了一個稱作“earSmart”的區(qū)域，可能是專門用來執(zhí)行語音辨識的演算法，這導(dǎo)致沒有 earSmart 的 A4 產(chǎn)品，像是 iPhone 4，就沒辦法使用 Siri。蘋果也宣稱 A5 的 GPU 效能是 A4 的 9 倍，并且在之后將 A5 的 GPU 架構(gòu)升級到 4 核心，并改稱 A5X，搭載于首款支持 Retina Display 的 iPad 3。然而 iPad 3 因為效能不振，上市僅 7 個月就停產(chǎn)，成為最短命的 iPad。
▲ A10 Fusion 其實是蘋果的第一款 4 核心 SoC。不過它的設(shè)計是兩大核 + 兩小核，運作起來還是很類似雙核心。（Source：蘋果）
A6
第三代 SoC“A6”對蘋果來說則是一個新開始。從 A6 起，蘋果不再使用 ARM 的公版設(shè)計方案，例如先前 A4、A5 采用的 Cotex-A 系列，而是改與 ARM 簽訂指令集授權(quán)，以 ARMv7-A為基礎(chǔ)開發(fā)一個自己的 CPU 架構(gòu)“Swift”──和蘋果后來的程序語言剛好同名。這個舉動，讓蘋果成為高通以外，第二個以 ARM 指令集為基礎(chǔ)開發(fā) SoC 的公司。
A6 也從前一代 A5 的 512MB 的 LPDDR2-800 存儲器倍增到 1GB LPDDR2-1066，同時在相比 A5 小了 22% 的體積下，完成快上兩倍的 CPU、GPU 性能，還能比 A5 省電。這讓后續(xù)的 iPhone 5、iPhone 5c 相比 iPhone 4s，在升級 iOS 時有更多優(yōu)勢。
A7
2013 年搭載在 iPhone 5s 的 A7 可能是蘋果對移動產(chǎn)業(yè)影響最深遠(yuǎn)的一枚 SoC。蘋果當(dāng)時以近乎突襲的方式，將移動業(yè)界主流的 32 位架構(gòu)升級到 64 位，成為現(xiàn)代智能手機與平板電腦中，第一款 64 位 CPU 的 SoC，逼得高通宣布放棄所有 32 位產(chǎn)品的研發(fā)投入，全面跟進(jìn)蘋果。它搭載的 GPU 架構(gòu)PowerVR G6430，也讓 A7 成為繪圖性能接近 Xbox 360 以及 PS3 的產(chǎn)品。
A7 的另外一個特點是以 ARM 的 TrustZone方案為基礎(chǔ)，打造一塊稱作“Secure Enclave”的區(qū)域，來專門儲存 Touch ID 指紋資訊。至今，這個方案仍未從硬件上被破解，為日后的 Apple Pay 打下基礎(chǔ)。此外，為了處理升級 64 位產(chǎn)生的能耗，A7 也把加速度感應(yīng)器、電子羅盤和陀螺儀移除，整合到一個新的協(xié)同處理器“M7”。M7 后來也一路升級到 M10。
這之后的 A8 到 A10，蘋果則透過不斷更新，將自家 SoC 提升到 ARM 架構(gòu)下，業(yè)界效能最頂級的芯片。從 A8 開始，臺積電也開始取代三星，成為代工蘋果 SoC 的廠商。盡管在一些關(guān)鍵技術(shù)，蘋果還是不如三星，例如在 CPU 塞入調(diào)節(jié)器，但這項技術(shù)看來已在 A10 Fusion 得到一定解決。
無論如何，蘋果從 2006 年起對三星、ARM，甚至 Intel 的依賴，到開始自主設(shè)計架構(gòu)，成為高通等級的 IC 設(shè)計公司，如今看來已走進(jìn)下一個階段。蘋果甚至準(zhǔn)備好自己研發(fā) GPU，同時傳出不再采用戴樂格半導(dǎo)體的省電芯片。
日后：GPU 自己做？
2017 年 4 月，早從 2007、2008 年，就與蘋果簽訂 GPU 授權(quán)協(xié)定的 Imagination Technology，在官網(wǎng)發(fā)聲明，證實蘋果將在 15 個月至 2 年內(nèi)，終止與 Imagination Tech 的協(xié)定，轉(zhuǎn)而自行研發(fā) GPU。在 2008 年時，蘋果還曾經(jīng)與 Intel 展開幾輪持股競爭，最終讓蘋果持有 Imagination Tech 約 10% 股份，是第四大股東，并擁有 30% 營收分配。蘋果的訂單，也占了 Imagination Tech 超過 50% 營收。
從第一代 iPhone 起就一直專注使用 Imagination Tech 的 PowerVR，是蘋果的一項策略，因為這可以減輕開發(fā)者的困擾，從而在底層專注針對 iOS 優(yōu)化的 API，例如 iOS 8 的 Metal API 就是個例子。這種軟硬整合也讓 iOS 成為手游運作較流暢的平臺。
相比之下，三星 SoC 的 GPU 選擇就比較混亂，經(jīng)常在 ARM 的 Mali、PowerVR 之間游走，早年甚至還用過 VideoCore 的 GPU。高通盡管一直使用自家 Adreno，但由于操作系統(tǒng)在 Google 與各廠手上，比較沒有能力打造一致性夠強的體系。
其實蘋果想換掉 PowerVR 改用自己架構(gòu)的 GPU 已經(jīng)不是新聞。從 iPhone 6 使用的 A8 SoC 開始，蘋果就已使用自己的技術(shù)來客制一部分 GPU 的核心組成，比如 GPU 的“心臟”著色器內(nèi)核。蘋果也訂制了 CPU 上的 Compiler，以及 GPU 的圖像驅(qū)動程序，來進(jìn)一步優(yōu)化 iOS 10 上首次大改的 Metal API。
盡管 Imagination Tech 揚言要用訴訟來阻止蘋果，導(dǎo)致蘋果收購 Imagination Tech 的傳言又再度開始，甚至傳出這紙聲明只是蘋果壓低 PowerVR 報價的手段，但無論如何，在技術(shù)上，蘋果確實已經(jīng)開始累積自制 GPU 的能力。這將會讓蘋果成為高通后，第二間擁有自己 GPU 架構(gòu)的公司。
有趣的是，蘋果預(yù)告會終止 PowerVR 協(xié)定的同時，剛好也是蘋果與戴樂格半導(dǎo)體的能耗管理芯片的契約到期日。對于想讓行動設(shè)備擁有 AR 能力、同時推展 Apple Watch 等穿戴設(shè)備的蘋果，“省電”與“GPU”都是關(guān)鍵技術(shù)，這可能會讓蘋果嘗試在“自控芯片”的道路上走得更遠(yuǎn)，盡管在那之前，用戶可能會先見到 iPhone 10。
注 1：Bill Gates 也有參加那場婚禮，并對大嘴巴員工非常不滿。事實上，那名向喬布斯爆料的員工，正是過 High 的新郎本人。 注 2：喬布斯處分對 ARM 的持股，是為了變現(xiàn)。據(jù)他所述，蘋果當(dāng)時已經(jīng)快破產(chǎn)。 注 3：Tony Fadell 為了說服喬布斯放棄 Intel Atom，還不惜揚言要辭職。多年之后他也因 內(nèi)部斗爭離職，并且在 2010 年創(chuàng)辦 Nest，Nest 后來又為 Google 所并購。