苹果造芯：失败、蛰伏、蓄力，然后打赢所有人

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　　文/戴老板 何律衡

　　来源/远川研究所（ID:caijingyanjiu）

　　2010年1月，癌症晚期的乔布斯在第一代iPad发布会上，首次向世人展示了苹果自研的A4芯片。

　　这枚45nm制程的芯片由三星代工，内置ARM的Cortex-A8内核，拥有1GHz的运行频率，性能突出。尽管它的历史意义重大，但在长达一个多小时的iPad发布会上，乔布斯对于A4芯片只用了寥寥数语带过，花的时间加起来还不到20秒。

　　这是一种刻意的低调，苹果在发布会前对自研芯片三缄其口，这跟苹果造芯的历史有关：作为微型计算机最重要的普及者之一，苹果跟集成电路技术几乎同时起步，在成立后的30多年里数次向芯片发起冲锋，结果却是屡战屡败。

　　果不其然，敏感的媒体嗅到了线索，并大都对苹果自研芯片这件事持嘲讽态度，普遍认为“A4芯片参考了三星设计，苹果厚着脸皮把自己牌子贴了上去”。

　　科技媒体Ars Technica则认为A4设计平庸，“没什么值得大书特书的”。

　　理性去看，苹果自研手机芯片的确困难重重。2010年的移动芯片市场早已巨头林立：高通的Snapdragon横扫千军，三星的Exynos蓄势待发，Nvidia的Tegra雄心勃勃，甚至连Intel的Atom也觉得自己能行，试图分一杯羹。

　　但人们低估了苹果想撬开铁板的决心：一年之后，苹果在iPhone4S发布会上展示了第二代芯片A5，CPU性能是A4的两倍，GPU性能是A4的9倍，性能提升巨大，这让业界意识到一个事实：苹果已经的确拿到了那张通往半导体制高点的昂贵门票。

　　遗憾的是，布局者乔布斯却没能目睹接下来的故事。在病床上看完A5亮相的直播后不久，他就撒手人寰。

　　十年后，苹果已经构建了一个包括A系列（手机&平板）、M系列（桌面PC）、H系列（耳机）、S系列（手表）等多个产品线的半导体帝国，尤其是当库克在2020年底向人们展示替代Intel的M1芯片时，人们感受到难以言表的震撼。

　　2000年之后，两个芯片行业新入局者的故事最曲折，一个是华为海思，一个就是Apple Silicon，前者呈现的是张巡守睢阳式的悲壮，后者则更像是一部描写奥德修斯返乡的荷马史诗，两者都或多或少改变了中美科技战的节奏。

　　苹果造芯是一部连续的历史，以A4为界，before和after的故事都玩味：A4之前，苹果是竹篮打水、屡战屡败；A4之后，苹果是神挡杀神、佛挡杀佛，三星、高通、Intel这些全球芯片顶级玩家，或被苹果击败，或被苹果抛弃。

　　这是一个关于商业的故事，但更是一个关于计算机这门“科学”的故事。

　　150美元的蝴蝶翅膀

　　许多年之后，面对M1芯片，史蒂夫·沃兹尼亚克（Steve Wozniak）可能会想起第一次见到Intel 8080的那个遥远的晚上。

　　作为苹果的联合创始人，沃兹尼亚克在1975年——苹果成立前的一年——的“家酿计算机俱乐部”聚会上看到了那个出现在《大众电子》1月刊封面、号称第一台个人计算机的Altair 8800，以及驱动这台电脑的Intel 8080芯片。

　　人类自1950年代末进入晶体管和集成电路时代之后，电子计算机的尺寸就在每年以肉眼可见的速度变小。这个进程由年轻的硅谷推动，无数新兴的公司在这片热土上竞赛。到了1970年代，计算机离走入寻常百姓家，只差几层窗户纸了。

　　Altair 8800被公认为点燃了微型计算机革命的火种，它启发了比尔·盖茨和保罗·艾伦推出了微软历史上的第一款产品——BASIC编程语言，也让沃兹尼亚克萌生了自己组装一台计算机的想法，唯一的问题在于：Intel 8080太贵了。

　　一台组装好的Altair 8800售价621美元，但8080散装片就要170美元，沃兹尼亚克形容“比我一个月的房租还贵”，于是他就开始寻找替代品：先是找到了摩托罗拉6800，通过熟人买只要40美元/枚，后来又找到了6800的大牌平替——MOS Technologies公司制造的MOS 6502，20美元就能上车。

　　当沃兹尼亚克把组装好的微型计算机展示给乔布斯的时候，后者大吃一惊，并意识到这可能是一次伟大的商业机会。对于沃兹尼亚克放弃Intel芯片，乔布斯也很满意，他认为“技术只是手段，最终是为了改善消费体验。”

　　这台由20美元廉价芯片驱动的微型计算机，便是苹果第一代产品Apple I。就这样，苹果的故事开始了。

　　这一年，乔布斯20岁，沃兹尼亚克25岁，计算机世界仍由IBM大型机主宰，Altair仍是极客们的玩具，英特尔还在硅周期的首次衰退中艰难生存。两个史蒂夫无法意识到：在芯片上省下的150美元，未来要花千万倍的代价补回来。

　　1977年，苹果推出第一款成熟产品Apple II，销量疯涨。它以漂亮的外观和内置键盘示人，沃兹尼亚克的编程技术和乔布斯的设计审美被体现地淋漓尽致。但这些长板掩盖了一个问题：Apple II 仍然在使用廉价的MOS 6502处理器。

　　而1981年底苹果的Apple III，CPU仍然是这款老旧的6502，而竞争对手IBM已经用上了Intel的8088芯片，性能是当年沃兹尼亚克舍弃的8080的10倍左右。简单对比：MOS 6502晶体管数量只有3000多，而Intel 8088却高达29000。

　　廉价但“够用”的芯片能够让苹果保持极高毛利率，但大前提是硬件不会成为短板，至少不能拖软件的后腿。显然，诞生在1975年的6502芯片难以支持1980年代的计算机，频繁失灵的电路板和缓慢的运行速度最终让Apple III销量惨淡。

　　来自竞争对手的压力也越来越大。1981年，IBM一改平时笨重的身段，推出了使用微软MS-DOS和Intel 8088的兼容个人计算机（又称 IBM PC），获得巨大成功，并把除苹果之外的几乎所有个人计算机厂商都拉进了“微软+Intel”阵营。

　　而那会的Intel还没有转型做牙膏，同期发布芯片性能沿着摩尔定律一日千里，1974年推出8080，1978年推出8086，1982年推出80186和80286，此后便是80386、80486以及划时代的Pentium——其中文名更是成为一整代人的回忆：奔腾。

　　但在早期错过后，以乔布斯的性格很难再重投Intel的怀抱，尤其是Intel已经是敌对阵营的核心骨干。

　　好在那会儿硅谷能跟Intel掰手腕的公司有不少，摩托罗拉就是其中之一。1976年Intel内部正在开发16位的8086，摩托罗拉得知后决定直接干一票儿大的——你既然搞16位，那我就直接上32位。经过4年的研发，1980年摩托罗拉推出了性能强悍的Motorola 68000芯片。

　　68000芯片又称“68k”，意思是芯片内部有68000个晶体管，它的性能大概是Intel 8086的两倍左右（价格也更贵），因此被广泛用在惠普、Sun、DEC的高端机以及对性能要求高的游戏机上。对于急欲寻求新芯片、又不想委身Intel的乔布斯来说，更是久旱逢甘霖。

　　因此决定苹果命运的新产品Macintosh（也就是第一代的Mac）决定使用68000芯片，项目经理Jef Raskin本来想用性能低但便宜的摩托罗拉6809，但被吃过亏的乔布斯一口否决，并亲自出马把68k的批发价从125美元/枚砍到了35美元/枚。

　　1984年1月24日，一代经典Macintosh正式发布。由《银翼杀手》导演执导的广告“1984”将苹果包装成反IBM奥威尔式统治的反叛者，惊艳了所有人，乔布斯也泪撒发布会现场。Mac的问世，给80年代的PC革命浪潮烙下了最深的印迹。

　　68000芯片的确不负众望，其强劲的性能有力支撑了炫丽的图形界面和方便的鼠标操作。但第一代Mac却在其他方面掉了链子，比如内存只有128K，后来升级到512k也仍然不够用（至少需要1000K）。经过发售前期的热销后，曾被赞誉“将计算机技术与艺术完美结合”的Mac就因为其缓慢的运行速度，销量大幅下滑。

　　1985年春，试图罢免CEO斯卡利的乔布斯被后者反将一军，联合董事会赶出了公司。

　　乔布斯走了，但他当时选定的68000芯片却被继续委以重任。从1985年到1994年，Mac的后续版本全部都采用680x0家族芯片，从68000一直到68060。摩托罗拉的680x0家族，也是当时不多地能跟Intel 80x86家族分庭抗礼的势力。

　　没有拜入Intel x86架构的阵营，让苹果避免了沦为给“Intel Inside”打工的角色——这类角色最后被惠普、Dell和联想所扮演。但这一选择也给苹果带来了潜在的隐患：当Intel沿着摩尔定律狂飙的时候，摩托罗拉这条细狗能行吗？

　　事实上，尽管680x0家族芯片在某些性能上不输Intel 80x86家族，但Intel在出货量方面碾压摩托罗拉，而当时的芯片产业基本都是IDM垂直整合模式，设计制造封测一把抓，这种模式存在一个规则：重资产导致的规模经济效应。

　　举一个例子：假如A和B两家芯片公司都生产某类型，A是行业老大B是老二，A生产了100万枚，B生产了30万枚，B的盈利会是A的30%吗？答案是否定的。不但到不了30%，可能连3%都到不了，更有可能的情况是A赚钱，B亏钱。

　　一颗CPU售价可能只有30美元，但固定成本（研发投入和生产线）可能要几亿美金，造的芯片越多，每一枚芯片上分摊的成本才能越低。而Intel x86架构芯片和摩托罗拉680x0家族芯片销量的差距，远比100万枚和30万枚的差距大。

　　这让摩托罗拉越来越难以跟上步伐，新款芯片的开发经常延期，比如原本计划要在1989年发布的68040，前后拖了整整一年，差点儿让苹果的新产品翻车。但苹果又毫无办法，还得小心伺候着摩托罗拉，享尽了受制于人的苦恼。

　　幸运或者不幸，乔布斯已经没机会站在第一线去解决这些难题了。接下来的十年，他将以一个旁观者的身份目睹了苹果陷入了一个疲于应对“Intel+微软”阵营、尝试造芯却又屡战屡败、最终市场份额被步步蚕食的恶性循环。

　　没人知道如果当年沃兹选择Intel会发生什么，但毫无疑问，那省下的150美元，一定是改变了某些历史进程的蝴蝶翅膀。

　　令人绝望的90年代

　　在两个Steve都还在苹果的1981年，同在加州的两个名叫David的人则做了一项影响深远的工作。

　　1981年，加州大学伯克利教授David Patterson和博士生David Ditzel发表了“The Case for a Reduced Instruction Set Computer”这篇论文，其中Reduced Instruction Set Computer中文译名为“精简指令计算机”，取其首字母作为缩略词，便是日后大名鼎鼎的——RISC。

　　有“精简指令计算机”，便有“复杂指令计算机”，即CISC。两者的区别可以简单理解为在采用RISC设计理念的处理器里，指令更短，长度统一，速度更快；而采用CISC设计理念的处理器里的指令大都冗长复杂，运行效率较低。

　　在微处理器刚问世的那个年代（世界上第一款商用微处理器是Intel的4004，于1971年推出），设计者通常都需要绞尽脑汁来平衡成本和性能，指令集设计的缺陷也就顾不上了，因此早期主流的微处理器包括Intel 8080和摩托罗拉 68k，都可以被归类为CISC架构。

　　这就是这篇论文出台的背景。两位作者它们重新定义了一种新的CPU设计方法——RISC，并将任何不满足RISC理念的处理器都归类为CISC。这让Intel十分沮丧，毕竟谁也不想人在家中坐，一顶“复杂”的帽子却从天上来砸了过来。

　　在Intel不爽的同时，一直在试图寻找破局点的苹果却彷佛抓住了救命稻草。

　　在80年代后期，IBM兼容机阵营（IBM、惠普、Dell等）也用上了微软的图形化操作系统——Windows，逐渐把苹果挤到了角落。尽管在桌面出版等几个高端领域仍然强势，但苹果必须不断提高硬件性能来守住最后的一亩三分地，芯片显然是一个好的突破口。

　　而在RISC理念提出后，硅谷积极响应，斯坦福的MIPS、Sun公司的SPARC、DEC的Alpha等项目都取得了一定程度上的成功。这让苹果觉得“我上我也行”，加上摩托罗拉的芯片供应经常翻车，于是苹果管理层大手一挥：自己搞芯片。

　　稳妥起见，苹果选择跟运营商AT&T合作，陆续启动了两个RISC项目：水瓶座（Aquarius）项目和霍比特人（Hobbit）项目，前者想用来替换摩托罗拉68000，作为Mac的主力芯片；后者则想用在正在研发的Newton掌上电脑上面。

　　可惜，苹果毕竟在芯片设计领域毫无经验，而AT&T也早已不是那个凭借贝尔实验室号令天下的AT&T了，两个臭皮匠合在一起凑不出半个诸葛亮，“水瓶座”和“霍比特人”先后铩羽而归，几千万美元的研发经费都打了水漂。

　　在此期间Intel x86架构却继续高歌猛进，甚至虚心学习RISC理念。在水瓶座项目被搁置的1989年，英特尔推出32位的80486，在x86系列芯片中首次使用RISC技术；1993年，英特尔推出奔腾处理器，开始了对CPU市场的长期垄断。

　　苹果将“水瓶座”和“霍比特人”的失败归结于搭档的无能，因此在1990年，苹果选择了更强大的盟友一起造芯——老冤家IBM和老朋友摩托罗拉，三者组成了当年PC产业界最受人关注的“AIM联盟”（Apple、IBM、Motorola）。

　　IBM和摩托罗拉各有各的心思：IBM搞了几年兼容PC机后，发现自己根本卷不过Dell和康柏这种后起之秀，有点后悔自己把PC芯片外包给了Intel；摩托罗拉的诉求则更简单：自己独自对抗Intel，约等于骑着雅迪去追奥迪，实在是扛不住了。

　　新联盟信心十足。IBM很早就开始了RISC技术储备（甚至早于David Patterson提出RISC），80年代更是成功研发了基于RISC的POWER架构高端芯片，在服务器和工作站领域独霸一方。这次合作的计划，就是把POWER架构“下沉”到PC机上。

　　而摩托罗拉虽然不太靠谱，但好歹拥有消费级芯片开发经验，加上苹果当时每年还能卖130万多台（1990年）终端电脑，确保新芯片的采购量能够突破盈亏平衡的规模线。因此AIM联盟决战Intel，可谓是八十万对六十万，优势在我。

　　就这样，AIM联盟于1990年启动，新的芯片被命名为：PowerPC——在IBM原先的POWER一词后加上了“PC”两个字母。第一款芯片PowerPC 601的开发于1991年10月正式开始启动，历经21个月完成，并于1993年7月开始量产。

　　值得一提的是，“换芯”是一项极其复杂的工程，大概要完成三件事：一是重写操作系统的底层代码，工程量浩大；二是搞定代码转化器，确保新芯片能兼容之前的软件；三是为软件开发商提供新的开发工具，并说服他们用起来。

　　在PowerPC 601尚在研发的时候，苹果的工程师就已经在紧锣密鼓地准备，并在芯片量产前成功地完成绝大部分工作。攒下这些“心脏移植”的经验对苹果来说非常重要，因为这虽然是它第一次“换芯”，但绝对不是最后一次。

　　1994年3月，第一代搭载PowerPC芯片的Mac在曼哈顿发布，苹果终于换芯成功，这也意味着摩托罗拉68000系列的谢幕。

　　媒体对此不吝赞美。MacWorld评价：“苹果夺回了8年前失去的性能领先地位”。

　　消费者反馈也非常积极，光是在预售阶段就卖出15万台；1995 年1月，销量突破100万台；而到了1995年年中，Power Mac几乎取代了之前所有搭载摩托罗拉680x0家族芯片的型号。

　　换芯后，苹果频繁拿同期Intel的芯片来做对比：1997年，苹果宣称PowerPC G3性能是同期奔腾II的两倍；1999年，苹果宣称PowerPC G4是同期奔腾III的2.94倍；2003年，苹果宣称PowerPC G5更是吊打奔腾4——这种“遥遥领先”的口气，连余承东老师都直呼内行。

　　Wintel阵营被吓傻了吗？没有。相反，他们的应对策略是：你打你的，我打我的。这种自信来自于哪儿？

　　自信来自产业规律。上一章提到，重资产的IDM模式导致了芯片的规模效应，跟当年鏖战680x0家族时一样，x86芯片在成本方面始终压对方一头，甚至优势还在不断扩大——Intel市占率在1985年是50%，到了1995年则已经超过80%。

　　没有规模，就没有利润；没有利润，就不可能有用来改善产品缺陷的足够资金。PowerPC由于是来自IBM服务器和工作站芯片的“下沉”，不可避免地带有功耗大，发热高的问题，但资金捉襟见肘的AIM联盟始终无法解决。

　　比如号称性能吊打奔腾4的PowerPC G5，功耗极高，发热巨大，苹果不得不重新设计机箱结构才能容纳下巨大的散热器，高配版甚至需要安装一套水冷系统，这让人很多业界人士疯狂嘲讽：这货也好意思称自己是RISC？

　　要说产品缺陷，x86架构的问题一点儿都不少，比如指令复杂，寄存器少，功耗也很高。但Intel凭借强大的资金实力，一手改善架构缺陷，一手狂砸制程工艺，不仅把RISC阵营挡在PC主流之外，还把服务器和HPC（高性能计算机）领域的份额给蚕食殆尽。

　　软件生态更是一道难以逾越的鸿沟。一个故事是：影像软件巨头Adobe靠苹果发家，第一代Photoshop就是只发在Mac系统。1993年Adobe重点转向Windows，乔布斯回归后请求Adobe多给Mac开发一些软件，比如Premiere，结果因为用户太少被当面拒绝，乔布斯至死都没原谅Adobe。

　　90年代的WinTel联盟已经进入到了自我加强的良性循环：出货量大→摊薄CapEx→众多厂商采购→软件生态繁荣→消费者认可→出货量继续大增。PowerPC在凭借IBM的技术家底和RISC的先进性取得一定成果后，还是无法打破这个循环，也无法构建自己的循环。

　　评价一款CPU是否成功主要看三点：架构、制程、软件生态。架构靠先天遗传，制程靠后天努力，软件生态则靠合纵连横。RISC架构的确给了PowerPC一些先天优势，但后面两个的短板实在差距太大，AIM联盟忙活半天，发现自己骑的还是雅迪。

　　难道真的没有破局点了吗？其实是有的。历史告诉我们，再牢固的商业壁垒和护城河，都无法做到千秋万载一统江湖。只不过苹果寻找的破局点，并不在自己身上，而是在于两个当时名气还不大的名字：一个叫台积电，一个叫ARM。

　　而后者，恰恰就是苹果在绝望的90年代埋下的一颗种子。

　　打不过要不就投降？

　　硅谷早已天下闻名，但众所不周知的是，英国有个低配版的硅谷——硅沼（Silicon Fen）。

　　硅沼指的是英国剑桥郡周边的一片区域，因为地处不列颠岛一片沼泽地（Fenlands）的南端，所以起了一个古怪的名字。这里大约等于上海的张江或者深圳的粤海街道，聚集了大批高科技公司，其中最有名的就是成立于1990年的Arm。

　　Arm的诞生跟RISC浪潮也息息相关。早在1983年，Arm公司的前身Acorn Computer受伯克利Patterson教授的RISC论文启发，想设计一款基于RISC理念的芯片，于是便启动了一个名叫Acorn RISC Machine项目，其首字母缩写便是ARM。

　　Acorn公司没有制造能力，便委托美国公司VLSI Technology代工，并在1985年成功出芯。后来苹果的工程师寻找摩托68000的替代品，有一次使用ARM2芯片在模拟68000环境运行Mac软件，发现居然跑得比68000更快，便将ARM列为备选。

　　到80年代末，苹果跟AT&T合作的Hobbit（霍比特人）项目搁浅，于是ARM芯片便成了天坑项目“Newton掌上电脑”的主芯片。苹果想干脆备胎转正吧，于是向Acorn提议成立合资公司，条件是Acorn必须向新公司转让ARM所有知识产权和12名核心员工。

　　Acorn公司店小利薄，自然一口应允，而给ARM芯片代工的VLSI表示也想上车。于是1990年，三家成立合资公司，苹果投资300万美元占股30%（后来上升到43%），新公司叫做Advanced RISC Machine（改了一个单词），缩写还是ARM。

　　跟逐渐陷入困境的苹果相比，ARM公司反而越做越顺，凭借低功耗芯片技术和特殊的商业模式（向其他公�