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蘋果自研芯片的一段往事

2021-01-22
來源:半導體行業觀察
關鍵詞: 蘋果 芯片

  2008年4月,Apple以2.78億美元的代價,收購了一間無晶圓廠芯片設計公司 (Fabless Design House),得到150名天才工程師,那間公司叫做P.A. Semi,位于美國加州Santa Clara (也剛好是Intel總部所在地),創立于2003年,由曾在2003年獲頒IEEE Solid State Circuits Award的芯片設計大師Daniel W. Dobberpuhl所成立。今日Apple的A系列與M系列處理器之所以能夠有今天的表現與地位,除了封閉性生態系統帶來的先天優勢,P.A. Semi團隊絕對居功厥偉。

  Daniel W. Dobberpuhl早在1976年就加盟DEC,參與過80年代這間公司最成功的產品MicroVAX(將大多數的VAX復雜指令轉由軟件仿真,處理器碰到這些指令就觸發例外,讓操作系統搞定,結果芯片總面積縮小到五分之一,還足以提供90%原生VAX效能),也歷經過對后世影響深遠的DEC Alpha 21064與StrongARM。在這之前,隨著StrongARM從DEC移轉給Intel,Daniel W. Dobberpuhl也創立了SiBytes,專注于MIPS指令集的高速網絡處理器,在2000年被Broadcom并購。他本人在2019年10月26日辭世,享年74歲。

  為何筆者要特別提這件事?因為同樣待過DEC (Alpha 21164, 21264) 的「處理器游俠」Jim Keller在1999年入職SiBytes,接著在Broadcom擔任首席架構師,又在2004年轉戰P.A. Semi任職工程副總裁,在Daniel W. Dobberpuhl的領導下,累積了低功耗RISC處理器的設計經驗,直到2008年P.A. Semi被Apple并購,也仍留在Apple服務一段不短的時日,參與了A4和A5的研發工作。

  P.A. Semi當時的研發重點是名為PWRficient的產品線,顧名思義,就是追求極致能耗比的處理器,總計分成3個部份:兼容PowerPC指令集的PA6T核心、CONEXIUM芯片內鏈接架構、ENVOI I/O子系統。后來Apple自研處理器的諸多特色,都可在PWRficient摸索到其蹤跡,也可從其遺產,判斷Apple自家芯片未來的可能方向。

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  其PA6T核心在頻率2GHz時,最高功耗不超過7W,1.5GHz時更低至4W,雙核心的PA6T-1692M在頻率2GHz時,整顆標準功耗僅13W,最高也不超過25W,相較于同時期衍生于服務器應用的IBM PowerPC(如PowerPC 970家族),無論同頻率效能(SPEC CPU 2000) 和能耗比,均享有壓倒性的優勢。

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  這一頁的內容非常的震撼,只要有經歷過2005年的科科們,或多或少都知道下面的數字,代表的是什么意思,這也是Apple愿意買下這間公司的主因。

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  省電歸省電,PA6T仍是貨真價實的多指令派發、非順序執行的高校能微架構,浮點運算性能尤其出色,約為同頻率IBM PowerPC 970的2倍。也因此,當時不乏Apple將改用P.A. Semi產品的謠傳,只不過,Steve Jobs卻在2005年選擇了Intel。

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  但這并不代表Apple不重視P.A. Semi的價值,而P.A. Semi也并非如外界的刻板印象,只想作低功耗的低階產品。反之,P.A. Semi的PWRficient一開始就放眼各式各樣的應用,并具備強大的多核心延展性。根據已知的規劃,PWRficient將會有16核的版本。

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  服務器應用也是P.A. Semi鎖定的目標。換言之,P.A. Semi的野心可歸納為1條公式:StrongARM的低功耗 + Alpha等級的高效能 + PowerPC指令集兼容性。

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  不過Apple收購P.A. Semi后也并非一帆風順,雖然接收了150名天才工程師,但Dan Dobberpuhl與數名重要的工程師,據傳因對2間公司的整合方式與股票獎勵不滿,在2009年底先后離開了Apple,一起創立了Agnilux,不到1年的時間就被Google買走。這次Daniel W. Dobberpuhl并沒有跟著進入Google,而成為機器視覺廠商Movidius的董事會主席,而Movidius則在2016年成為Intel的一部分。

  Apple吃掉P.A. Semi后,卻遲遲看不到自家芯片、甚至是獨創核心微架構問世,那么他們該怎么辦?我們將時間軸拉回到Apple在2010年4月發表首款自研處理器A4(APL0398),其設計衍生于Samsung S5PC110A01,最主要的差別在于GPU換成Apple長期偏好的PowerVR SGX系列,但那完全一模一樣的ARM Cortex-A8核心卻是大有來頭—因為得到Intrinsity這間公司的技術加持,并延續了和Samsung合作 “Hummingbird” 的成果,頻率從ARM公版的650MHz,一舉推進到1GHz大關。

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  由22名業界老兵成立于1999年、設立在美國德州奧斯汀的Intrinsity,其技術強項在于優化的Wave Pipeline (無鎖存管線) 電路設計,將其命名為FastMATH。Apple認知到這間公司的重要性后,就馬上收入囊中,但過程卻極度低調,連金額都無人知悉 (據說是5000萬美元,但也有其他的版本),唯一可以確定的是,Apple的目的非常明確,就是為了A4處理器。接著,出自于P.A. Semi團隊的獨特微架構Swift,就在2012年9月的A6堂堂登場,開啟了Apple Silicon之路。

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  Intrinsity的FastMATH最有名的成功案例,是1顆超低功耗的MIPS32指令集處理器 (請各位科科務必仔細看這張簡報的內容,盲目追求簡單迅速便宜的VIA Centaur簡直是馬上遜掉了)。Apple得到Intrinsity后,更讓從P.A. Semi獲得的深厚功力,提升到更高的高度。如何將這些特殊的技術,有效應用到臺積電的最新制程和設計工具,也算是Apple厲害的地方。

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  爬文至此,各位親愛的讀者們,是否能夠以古鑒今,猜猜Apple Silicon的下一步會往哪邊走?但假使Apple當年直接用P.A. Semi的芯片打造MacBook Air,而不是連根拔起的轉進Intel,那么計算器工業界的歷史,恐怕就會被整個重新改寫,最起碼IBM的Power Everywhere看來就不會變成幻夢一場。

 

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