广告

聊聊苹果M1芯片的前身,和iPhone 7的A10很像

时间:2021-07-22 作者:黄烨锋 阅读:
苹果M1芯片的一大特性就是媒体引擎的极大强化,所以今年的MacBook一经推出就受到很多vlogger的欢迎,因为剪片子堪称效率奇高。虽然今年Intel的十一代酷睿也特别加强了很多媒体格式的编解码性能,但在M1面前还是不够看。这个基调显然在T2时期就已经奠定了……
广告
电子工程专辑 EE Times China -提供有关电子工程及电子设计的最新资讯和科技趋势

苹果当年在准备为MacBook配金属外壳之时,苹果总设计师Jony Ive认为金属存在一个巨大的问题:它不透光。这就意味着如果要给MacBook加个指示灯(如笔记本上的呼吸灯),就必须给金属多开孔,但Ive认为开太多孔这有碍观瞻。

传说Ive组了个团队来特别研究解决这个问题,他们发现在铝金属上面用激光钻出很多个微小的孔,光就能透过来——而且人眼看不出钻孔。当时苹果自己没有能力去达成这种工艺,但市场调查后发现美国有家公司的激光设备能够打出这些直径20μm的孔,一台就得25万美刀。于是苹果就把这家公司买了下来。

只是为了让铝金属能够透光且兼顾美观性这一件事,就有了如此大动作。虽然这项技术现在已经不稀罕了,不过如今苹果TrackPad之类的设备上还是能够看到当年收购的遗产。

苹果做这种事可不是一次两次:芯片、显示(LTPO、microLED)、传感器(Face ID/Touch ID)、制动器(Taptic Engine)等技术,都是一言不合就收购。比如仅是为了iPhone X上的Face ID,苹果为此收购的相关企业就至少包括了3D感知技术企业PrimeSense、摄像头模块制造商LinX、AR公司Vrvana、图像传感器供应商InVisage Tech、AR眼镜制造商Akonia Holographics等。

苹果现如今自己制造(或参与制造)芯片和各种组件,和上游供应商不同之处在于,这些组件并不对外出售,而仅为自己的消费终端产品准备。苹果的思路与常规消费电子设备制造商的一大区别在于,先有功能/性能需求,然后去试图找出解决办法——如果找不到,那就试着自己造,或辅助上游厂商一起造。这种思路似乎从苹果创立之初就流传下来了。

此前我们撰文谈过A4(iPhone 4)芯片诞生之前,苹果在芯片方面的储备史。苹果如今比较知名的芯片产品包括A系列(面向iPhone/iPad)、S系列(面向Apple Watch)、W系列(蓝牙与WiFi连接)、U系列(UWB连接)、M系列(面向Mac),以及T系列(M系列的前身,面向Mac)。

苹果如今有能力造处理器,除了上世纪就组建的ASIC芯片团队,收购的企业较大宗的包括了P.A. Semi、Intrinsity等。本文谈谈苹果历史上为Mac设备所造的T系列芯片——T系列芯片上至少有苹果2011年收购一家名为Anobit的以色列企业的身影(SSD主控);Mac电脑还在用Intel处理器的时候,苹果为之官配了T系列协处理器。恰好最近Paul Boldt发布苹果T2芯片的拆解成果,我们也能借此再来谈谈苹果在造芯这件事情上的思路与历史。

2016年T1芯片的诞生

在Paul Boldt这次公开T2芯片的拆解之前,业界对于苹果T系列芯片是知之甚少的。一方面在于T系列芯片不像苹果应用于iPhone的A系列芯片那么令人瞩目,另一方面则是T系列此前应用于Mac设备——是作为Intel处理器的协处理器的角色存在的。这种造PC、还自己搞协处理器的思路,全世界应该也没几家。自然鲜有人知T系列芯片的内部真容。

另外,T系列芯片的所有功能目前都已经集成到了M系列芯片中(苹果M1),T系列可认为是M系列芯片的前身。所以未来应该不会再看到苹果T系列芯片的更新。这样的拆解和回顾,更多是给爱好者们做呈现,并且从中搞明白苹果的思路,以及苹果为什么要给Mac加T芯片。

在看拆解前,先来谈谈T系列芯片究竟是做什么用的。T1芯片最早出现在2016年的MacBook Pro上——说起来T1才是最早出现在Mac设备上的Arm芯片。当时苹果表示,T1主要对MacBook上的Touch ID、Apple Pay做支持;内部的Secure Enclave可存储和加密指纹、身份认证资料;此外,当时苹果刚在MacBook上加入所谓的Touch Bar,T1可能也用于驱动Touch Bar的那块屏幕;T1内部也包含了ISP(图像处理器)。Touch Bar跑的操作系统叫bridgeOS(据说是苹果手表watchOS的一个变体)。

如果你对加入Touch ID的iPhone 5s熟悉,应该清楚苹果对Touch ID的打造也不是一朝一夕的。当年为了搞定手机上的指纹识别,苹果不仅花3.56亿美元收购了AuthenTec,而且给iPhone 5s上的A7芯片新加了个Secure Enclave。

Secure Enclave是处理器中单独隔离开来的一个安全世界,一般的应用是无法访问这一部分的,它属于信息安全TEE(Trust Execution Environment)的某种践行方案。Touch ID或者其他身份凭证信息就加密存储在这个专门的黑匣子里。另外还需要配合操作系统层面iOS的支持,来达成Touch ID的安全实现。

Arm的Trustzone,以及谷歌Android针对这部分的安全实现差不多也是同期,不过Android阵营在指纹识别相对完整且安全的方案实现上相比苹果晚了1-2年。这是题外话了。

不过很显然,仅是从Touch ID、Apple Pay的角度来看,当Mac设备也要实现这些原本是iPone上的特性,则最简单的方案显然就是用苹果自己的芯片。不过2016年,苹果芯片应用于真正的高性能计算还颇为遥远(虽然苹果其实早在2013年就对外宣称自家处理器架构是“桌面级架构”),Intel又不大可能在自家的x86芯片上为苹果提供极具苹果特色的特性,所以T1的诞生其实是个必然。单从其Secure Enclave的加入就能看出,T1可能与A系列芯片同宗同源。

T1芯片以协处理器的身份出现,这也算是当时非常符合苹果逻辑的设定。一方面苹果要给Mac设备加上iOS设备的体验(包括Touch ID、Apple Pay等);另一方面,像苹果这种由终端功能需求(或者说“用户体验”)驱动供应链的企业,即便传统的行业上游不具备类似的组件供应商,也大概率会考虑自己做——何况此时苹果在芯片设计方面也已经有了相当的技术积累,只不过一时半会儿没法把Intel也一起换下来。

T2芯片看到M1的影子

苹果对于T系列芯片的定位始终是“安全芯片”,不过从后文的拆解来看,苹果似乎在T系列芯片的设计上“偷了懒”。2017年的Mac上,苹果开始推第二代T2芯片。T2仍然延续了T1的一些功能支持,另外可能增加了包括音频控制器、SSD主控、专用AES加密引擎之类的特性。

T2目前的资料比T1多不少,其特性包括内置ISP可对FaceTime摄像头做画面加强,如对人脸自动曝光、白平衡调整等(虽然以Mac的摄像头质量,这种加强大约也只是聊胜于无);音频控制器,对麦克风和扬声器质量做加强;增加“Hey Siri”即时响应支持。

图片来源:iFixit

另外就是前文提到的,加入了SSD主控,其中一项加强在于实现硬盘数据全盘加密的硬件加速。T2在这项特性中的优势主要表现在,硬件加速实现的全盘加密对I/O性能影响很小。此前有用户比较过,在没有T2的MacBook Pro上,FileVault全盘加密过程可能需要一整天;但在带T2的MacBook Pro上开启FileVault,几乎是秒速。

我们从苹果官方的T2安全芯片白皮书来看,T2的其他安全特性支持还包括了Secure Boot安全启动、Secure Enclave(前文提到的TEE实现),具体特性上有Touch ID支持,以及“硬件级的麦克风断连”特性——也就是在MacBook笔记本合盖的时候,立刻从硬件上禁用麦克风,阻止任何软件访问(即便是root或内核权限)。

这其中的绝大部分,已经是当代手机、PC的安全标配了;不过这在当时还算是比较前卫。就信息安全层面来看,前两年Duo Labs的两名工程师曾对T2芯片做过比较深度的分析(Inside The Apple T2,里面也包含了攻陷T2的方案),有兴趣的可以去看看。从安全性来看,T2在具体实施上,其实比近期Windows 11升级顺带炒热的TPM 2.0(Trusted Platform Module)一众实施方案要靠谱,虽然这两者在某些层面可能无法直接对比。

T2存在的本质,仍然是为了把更多iOS设备上的特性带到Mac设备上。虽然这么说很马后炮,但当时T2与Intel处理器的共存,以苹果这家公司的洁癖程度,是很难长时间容忍的。所以后来M1芯片自然而然地融入了T2的几乎所有特性。在苹果眼中,M1才是T2的完整形态。

不过“安全芯片”对用户体验的存在感始终是比较弱的,T2能够体现作为M1前身的一大特点在于,对视频编解码的加速上——虽然苹果自己似乎并未提过这项特性,国外媒体AppleInsider专门做过带T2和不带T2的Mac设备,在视频转码方面的性能对比。结果发现,T2能够极大加快H.265 HEVC的编码速度。

现在我们知道,苹果M1芯片的一大特性就是媒体引擎的极大强化,所以今年的MacBook一经推出就受到很多vlogger的欢迎,因为剪片子堪称效率奇高。虽然今年Intel的十一代酷睿也特别加强了很多媒体格式的编解码性能,但在M1面前还是不够看。

这个基调显然在T2时期就已经奠定了,大概也基于苹果对自家MacBook面向的用户对象十分了解——用MacBook做视频、音频、多媒体编辑的用户很多,这项特性也算是domain-specific的常规思路了。

T2内部长得和A10很像

最后我们来看看近期Paul Boldt(专业从事逆向工程心不改)在SemiWiki上公布的T2芯片拆解,理解一下T系列芯片的实质——这应该还是我们第一次有机会真正了解T2。

首先T2从外部来看,占板面积一点也不小,气势完全不比一旁的Intel酷睿处理器弱。另外,T2正上方PoP封装叠了一枚1GB大小的LPDDR4(2019款15寸MacBook Pro),来自美光。对于一枚“协处理器”而言,这种配置也算是奢华了。

T2 die shot, 图片来源:SemiWiki

上面这张图是T2的die shot,Boldt谈到对于线距和6T SRAM单元尺寸的分析可以确定,T2是采用台积电16nm工艺制造的——和当年苹果A10(iPhone 7)一样。事实上,将其与A10作比较,就会发现T2的CPU部分和A10是相同的设计和布局。

也就是说T2是个4核CPU,包括完整规模的2个大的Hurricane核心和2个小的Zephyr核心。GPU部分的规模相比A10则有显著缩减,核心数和核心规模似都明显变小(暂无法完全确定),毕竟作为协处理器也不需要什么图形算力——猜测可能只是为MacBook的Touch Bar图形界面准备的。

其余部分的构成尚无定论。T2整体die size为104mm²。从中我们知道了它就是一枚十分完整的苹果芯片,脱胎自A10。这么完整的一枚SoC,让当年的Intel情何以堪啊!T2的规模,对于其本身的功能特性支持,极有可能是性能过剩的。苹果之所以这么做,可能只是因为对当时A10现有设计的部分照搬,也是减少设计成本的一种体现。

有钱、任性还是可以用来形容T2的。以T2当年在Mac上实现的这些感知不强的特性,作为一枚协处理器的确是相当的奢侈。不过这也说不定是苹果在练手,为把Intel处理器替换下来做前期准备。如果从P.A. Semi收购算起,到自家芯片在Mac上练手,中间实则也经过了8年。如此前回顾苹果在芯片上的投入历史,苹果从开始有心造芯,到把芯片带到Mac上,前后经过了几十年的时间——M1的“横空出世”实在不是一朝一夕的。

有钱任性的垂直整合

EE Times美国版2018年写过一篇题为Apple Goes Vertical & Why It Matters的文章,用以描述苹果为达成某一项特性,可以不惜代价地收购、投资、建立自有团队,并做软硬配合。比如Face ID,不只是收购一堆相关图像传感器、光学技术的企业,还包括在芯片中加入Neural Engine模块,以及要配合此前的Secure Enclave,并且在系统与软件层面最快速做出支持。

谷歌早在Android 4.0时代(2012年)就在操作系统层面做过人脸识别特性,但无论从光学和传感器识别层面,还是芯片TEE环境、系统实现上,都远不到用户体验的准备就绪——谷歌作为操作系统供应商,不具备苹果这样的垂直整合能力,自然得在体验和安全上打折扣。这算是比较有代表性的例子了。更可怕的是,苹果通常在构建起某项技术的成熟应用后,顺便能带火这项技术甚至产业链,结构光和3D ToF皆有此成分(虽然也常有失败之作,比如3D touch)。

T2只是苹果造芯历史长河中的过客,却能反映苹果的产品特质:以体验(和自己的任性需求)来推动产品设计。从这个角度来说,搞芯片、显示技术、传感之类的技术,都不过是达成目的的手段罢了。像T2这么奢侈的东西,在表现这一点上可能更具典型性(反正卖得也贵…)。

责编:Luffy Liu

电子工程专辑 EE Times China -提供有关电子工程及电子设计的最新资讯和科技趋势
本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
  • 中国工程师最喜欢的10大RISC-V芯片(不包括华米黄山2S) 上周,华米发布采用双核 RISC-V 架构的可穿戴人工智能处理器黄山2S,其大核运算性能可支持图形、UI 操作等高负载计算,大核系统同时集成浮点运算单元(FPU )。上个月在上海举行的首届RISC-V中国峰会上,中科院大学教授、中科院计算所研究员包云岗发布了国产开源高性能RISC-V处理器内核—香山。除了“黄山”和“香山”外,国产RISC-V处理器内核及已经发布或量产的芯片还有那些?《电子工程专辑》分析师团队搜集整理了10家厂商的RISC-V芯片产品,筛选出“中国工程师最喜欢的10大RISC-V芯片”。请在文末评选出您最喜欢的RISC-V芯片!
  • 人工智能的演进需要高适应性的AI推理平台 随着模型增大和结构上变得更加复杂,FPGA正成为一种越来越具吸引力的基础器件来构建高效、低延迟AI推理解决方案,而这要归功于其对多种数值数据类型和数据导向功能的支持。但是,仅仅将传统的FPGA应用于机器学习中是远远不够的。机器学习以数据为中心的特性需要一种平衡的架构,以确保性能不受人为限制。
  • 人工智能如何能够改善自动光学检测? 在制造业中,检测是必不可少的功能。视觉检测可确保产品符合其预期的功能和外观,并为制造商和客户带来重要利益。最明显的是,检测结果能够提供质量保证,可以通过产品标注或标签直接传达给客户,或者在制造工厂内记录,并作为其质量控制过程的一部分。如果产品从现场退回,检测报告还可以帮助进行故障排除,并可以帮助制造商处理任何索赔。
  • 低功耗、高带宽、小尺寸...这款FPGA你爱了吗? CertusPro-NX是莱迪思在过去的18个月内推出的第四款基于Nexus技术平台的产品,在功耗设计、系统带宽、边缘处理、可靠性、封装多样性等多个方面得到了进一步提升。
  • 嵌入式视觉已到达爆发临界点 不久前,嵌入式视觉刚刚实现了前两个里程碑。深度神经网络的出现促成了技术可行性这一里程碑,它彻底改变了视觉可以完成的任务;摩尔定律、市场经济学和特定领域的架构创新则促成了第二个里程碑;第三个里程碑比较麻烦——易用性,实现它是个难题。
  • 基于FPGA的SmartNIC技术及其在数据中心的应用 今天的服务器往往把 30% 的 CPU 周期用在管理网络上。即相当于每三部生产服务器中就有一部用于组网。SmartNIC 支持系统架构师将高性能计算资源部署在服务器的边缘,也就是网络上。然后 SmartNIC就能用于保护服务器,进而保护企业,同时有力地从成本高昂得多的服务器 CPU 上卸载任务。
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  • ABLIC全新系列单节电池保护IC可将 S-82M1A/S-82N1A/S-82N1B系列单节电池保护IC,工作状态下消耗电流仅为990nA,跟以往产品相比, 无线耳机的待机时间延长了三倍,同时确保更高安全性 。
  • 航空航天应用的完美解决方案:C&K推 C&K 宣布推出 Space Splice 高可靠性四向连接器 Space Splice 系列高可靠性连接器是航空航天应用的完美解决方案 马萨诸塞州沃尔瑟姆 — 2021 年 7 月 8 日 —
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了