为什么苹果非要用自己的芯片
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苹果又来了。
这次发布会上，三款全新的 Mac 正式释出，最大的亮点，是它们都搭载了苹果自主研发的 M1 芯片。
为什么苹果要研发自己的芯片？给电脑换「芯」究竟有多难？
过去 15 年，苹果电脑使用的一直是英特尔（Intel）的芯片，这段关系一度相当亲密。
当时的英特尔风头正劲，占据 CPU 市场近六成的份额，随着 2007 年「Tick-Tock」的提出，英特尔的优势进一步扩大。
「Tick」代表更新制程，在 CPU 里容纳数量更多、体积更小的晶体管，从而提升性能；「Tock」则代表革新处理器微架构，从而支持更复杂的计算且提升计算效率，两年完成一个周期。
随着制程和微架构交替更新，英特尔处理器的性能和市场份额一直保持领先，到 2016 年已经占据了超过 80% 的市场份额。
但英特尔的危机也随之到来。
处理器制程的进步越来越难。2016 年 3 月，英特尔在财报中宣布，将「Tick-Tock」改为「APO」 ，三年一更新。
再加上英特尔在 10 nm 的技术路线选择上的错误，导致 10 nm 制程芯片一再延期，MacBook 必须在延迟更新和使用旧芯片中二选一。
面对英特尔的窘境，苹果心中「分手」的想法越来越强烈。
影响这段关系的还有其他原因：英特尔不会为了苹果定制支持新功能的芯片。
同样是在 2016 年，为了驱动 TouchBar 和指纹识别，苹果为新 Mac 加入自研的 T1 芯片。到了 2018 年，这颗芯片进化成了 T2，负责电脑安全、视频播放、剪辑和 hey Siri。
苹果也有自己的底气：iPhone 和 iPad 早就用上了苹果自家的处理器。无论是性能还是发热控制，苹果自研处理器的表现都逐渐赶超英特尔。
以 2018 年发布的 MacBook Pro 和 iPad Pro 为例，前者搭载英特尔的 Core i9 处理器，后者搭载苹果的 A12X 芯片。
从性能测试软件 Geekbench 的实测中可以看出，在完成相同的工作上，苹果处理器的性能已经十分逼近英特尔的水平了。
从这时开始，这段关系已经无法挽回了。
压倒稻草的最后一个骆驼是能耗问题。MacBook Pro 15 上的 i9 处理器最大可以产生超过 45 W 的热量，但却只靠笔记本上一根导热管和两个风扇把这些热量吹出机身，让 MacBook Pro 不仅烫手嘈杂，而且拉低性能。
相比之下，iPad Pro 上的 A12X 处理器能提供差不多的性能，热功耗只有 10 W，可以发挥全部实力。
苹果处理器节能的一个原因是采用了大小核（big.LITTLE）的架构。
大小核的本质是让合适的处理器干合适的事。当计算任务繁重时，启用大核心，追求性能；当计算任务轻松时只启动小核心，节能环保。
此外，苹果芯片还可以将所有功能整合在同一个 SoC 上，提高芯片集成度。
比如今天苹果发布的 M1 芯片不仅包括了「中央处理器 CPU」，还包括「图形处理器 GPU」、「神经处理单元 NPU」等多个组件，还代替了旧 Mac 上 T2 芯片、内存、输入输出控制器等多个元器件的功能。
在做足了分手的一切准备工作后，今年 6 月 23 日，苹果在 WWDC20 全球开发者大会上正式开启了自己的换「芯」计划。
换「芯」最大的挑战，是让苹果处理器能够顺利运行电脑端的软件。
开发者开发完软件后，需要将代码编译成机器指令，运行软件就是让处理器执行这一条条机器指令，我们把这些指令的集合叫做指令集。
英特尔处理器使用的是复杂指令集（CISC），包括了所有可能用到的指令，非常完善；而苹果芯片使用的是精简指令集（RISC），只包括最常用的指令，重视效率。
不同的指令集对应不同的应用程序，如果不解决指令集的问题，为苹果芯片开发程序的工作量相当于重新开发一遍 App，这也是 iPad 版 Photoshop 进展缓慢的原因。
为了解决这个问题，苹果提供两种解决方案：在编译时解决、在编译后补救。
利用 Universal 2，开发者花几天时间重新编译 App，得到包含两套不同指令集的程序，就能分别在英特尔和苹果的两种处理器上运行。
而对于没有被重新编译的软件，Rosetta 2 可以在应用安装时将英特尔的指令自动翻译成苹果芯片可以听懂的形式。
最后，针对开发者的切实需要，苹果还提供软件 Virtualization 来方便新电脑运行 Linux、Docker 等开发环境。
在这些工具的帮助下，苹果处理器上的应用生态也会逐渐丰富。接下来就可以开始计划的第二步了：同时发售自研处理器和英特尔处理器两种电脑。
在更高性能、更好产品形态和 iOS App 的吸引之下，用户会逐渐转向苹果处理器的设备，而使用英特尔处理器的电脑仍将获得四五年的系统软件更新支持，这是切换平台的最后一步，逐步终止对旧设备的支持。
这就是苹果一直在追求的生态，也是它更换芯片的究极原因：一次性打通三个平台，让 iPhone、iPad、Mac 运行相同的软件。
这意味着你可以用 Mac 玩王者荣耀，也可以在 iPad 上运行完整的 Photoshop 了。
庞大的用户数量将催生出优秀的 App，优秀的 App 又会吸引更多用户。这些用户可以摊平处理器的研发成本，让苹果的产品一直在性能上领先竞争对手，形成良性循环。这些用户还会为苹果的订阅服务给苹果源源不断地付费，提供源源不断的利润。
当然，这一切只是苹果的计划，能否得到市场的认可还是未知数。对于苹果来说，这一转换过程才刚刚开始。
它需要研发出足够强大的芯片，需要让同一个 App 可以被两种处理器执行，需要倾尽全力才能在计划的两年内完成过渡。
对于苹果来说，这将是艰难的一步，但对于用户来说不是。
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封面图素材来源：
Apple
参考资料：
[1] Intel Tick-Tock Model.
[2] Intel® Core™ i9-8950HK Processor.
[3] Intel. (2016). 2016 Annual Report.
[4] AnandTech. (2018). Intel Delays Mass Production of 10 nm CPUs to 2019.
[5] Apple. (2020). Apple Event — November 10.
[6] Apple. (2020). 苹果WWDC20全球开发者大会.
[7] 极客湾 Geekerwan. (2020). CPU满载功耗.
[8] Benchmark. (2020). Mac Benchmarks.
[9] Benchmark. (2020). iPhone, iPad, and iPod Benchmarks.
[10] CPU Benchmarks. (2020). AMD vs Intel Market Share.