近日，The Information報道了蘋果最新的晶片路線圖，其中最引人矚目的是預計用於Mac系列的定製CPU。隨著用於MacBook的第一代自研M1晶片大獲成功，M系列晶片後續的發展也成了眾人關注的焦點。而在該報道中指出，蘋果預期在2023年釋出的基於3nm的第三代M系列晶片，該系列晶片的代號為‘Ibiza’, ‘Lobos’和‘Palma’。同時，在第三代M系列晶片中，高階版本計劃有高達40個處理器核心，並且將使用多晶片封裝技術，40個處理器核心將分佈在四片晶片上。2023年量產3nm處理器的計劃也與之前臺積電釋出的3nm時間表相吻合，而是用3nm工藝節點可望給第三代M系列晶片帶來較大的綜合性能提升。
該報道同時也涉及了第二代M系列晶片的計劃，根據報道，2022年蘋果將釋出第二代M系列晶片，該晶片計劃使用臺積電增強版5nm工藝製造，因此半導體工藝角度帶來的提升較小，但是第二代M系列晶片至少會有一個高階版本會使用雙晶片的封裝形式。
在該報道中，我們可以看到蘋果M系列晶片的演進思路，即使用最先進的工藝（包括半導體工藝和封裝工藝），並且進一步走高效能路線。
第三代M系列晶片的主要工藝亮點
臺積電3nm將成為蘋果第三代M系列晶片的主要亮點。根據臺積電今年夏天公佈的3nm工藝特性，3nm最大的提升來自於邏輯閘密度，預計可達5nm節點的1.7倍；同時功耗相比5nm也有高達30%的改善，同時電晶體速度方面也有10-15%的提升。
臺積電3nm工藝的提升中，邏輯閘密度是最大的，同時電晶體速度的提升卻較小，這也能解釋蘋果在第三代M系列晶片中，採取多核心設計的原因：蘋果計劃使用更多的電晶體來取得整體處理器效能的提升，而非依靠更快的時鐘頻率。由於3nm擁有更高的邏輯閘密度，我們預計也會在第三代M系列晶片中看到更復雜的IP設計，甚至有可能會整合一些M1以及傳統CPU中沒有的專用加速單元來實現整體效能的提升。同時，3nm工藝帶來的功耗改善預計也將繼續幫助第三代M系列處理器保持非常好的能效比，畢竟“省電”是M1晶片的重要亮點之一。
在使用3nm工藝的同時，第三代M系列晶片的另一個工藝亮點是使用多晶片整合（multi-die），計劃使用高達4個晶片整合在一個封裝中。這樣的做法將會使第三代M系列晶片的設計更加接近AMD使用Chiplet的Zen系列架構。在M1晶片中，蘋果並沒有使用這樣的多晶片設計，而是使用了類似手機晶片SoC的設計。由於M1是蘋果的第一代自研Mac晶片，使用接近蘋果擅長的A系列SoC設計是風險最小的技術路徑，同時也帶來了很好的能效比。而到了第三代M系列晶片時，使用多晶片整合將使得蘋果能更容易地實現高效能計算所需要的多核架構，這也預計成為蘋果進一步上攻高效能計算的技術支柱。
蘋果M系列晶片的新思路
蘋果M系列晶片給處理器行業帶來了許多新的思路。
首先，由於蘋果對於Mac生態和軟體擁有很強的控制力，因此使用了類似SoC的晶片設計。在傳統的處理器設計中，由於晶片廠商對於處理器上執行的軟體沒有太大的話語權，無法預計在處理器上會跑什麼樣的應用，因此傳統的思路是加強通用計算的處理能力。而蘋果由於對於軟體生態有很強的話語權，因此能夠有針對性地在M系列處理器上整合對應的專用處理模組IP（例如AI，影象編解碼等）。由於專用處理模組的效率比起通用處理器要高很多（無論是絕對效能還是功耗），因此我們看到了M1系列晶片在跑常見應用時有非常高的效能和很低的功耗，而這也是處理器SoC化思路帶來的優勢，當然其前提是需要能對於軟體生態有很強的把握能力。
而到了第三代M系列晶片中，我們進一步看到了蘋果在將其“處理器SoC化”的思路進一步與當前高效能處理器晶片中的多晶片/chiplet方法做了整合。如前所述，多晶片設計在處理器領域的主要優勢是能夠支援多核心設計。透過將多個核心分佈在不同的晶片上，首先可以增加良率，因為晶片的良率和晶片的尺寸有直接關係，晶片尺寸越大，則良率越低，而多晶片/chiplet設計相當於是等效減小了晶片尺寸，從而改善了良率，並降低了成本。這對於成本高昂的最先進半導體節點有重要意義。此外，使用多晶片設計可以較為簡單地實現多個不同核心數量版本的處理器設計。如果使用傳統的單晶片設計，那麼如果需要實現擁有不同核心數版本的多個處理器時，需要同時設計和生產多個晶片掩模；而如果使用多晶片設計，那麼只需要設計一個版本的晶片，而在封裝時整合不同數量的晶片即可實現不同核心數量的處理器版本。這樣可以非常簡單地實現多核心數的處理器設計（例如根據報道第三代M系列晶片可擁有高達40個處理器核心）。
在第三代M系列晶片的設計中，我們看到蘋果的思路是結合原有的SoC式設計來確保高能效比，同時採用多晶片設計來賦能針對高效能計算市場的多核心設計。這樣做的目的，我們認為是能幫助蘋果的M系列晶片繼續覆蓋高效能端，並且透過SoC式的設計思路帶來的高能效比來實現差異化競爭（例如電池續航強同時又有強計算能力的膝上型電腦）。
多核心與蘋果的野心
如果說蘋果使用3nm作為第三代M系列晶片的工藝時意料之中的常規操作，那麼採用極具野心的四十核處理器設計背後的長期目的則給了我們不少想象空間。
首先，蘋果MacBook系列的定位本來就是高階市場。隨著M1晶片的釋出，如前面所分析，M1晶片SoC化設計帶來的能效比提升使得蘋果在注重能效比（電池續航）的輕薄筆記本市場獲得了相對於使用Intel晶片的絕對優勢。然而，在需要高效能計算的桌面電腦市場，相對於Intel和AMD來說蘋果尚未透過M1建立絕對優勢。因此，透過走多核心路線，蘋果可以進一步上攻長期為Intel和AMD佔領的高效能處理器市場。
而除了消費電子市場之外，多核心M系列晶片的另一種可能賦能方向是蘋果的服務市場。隨著蘋果進一步強化遊戲、影片、以及AR/VR等市場，在雲端的一些相關服務加速（例如影片編解碼，遊戲乃至ARVR等）使用自研晶片也將是非常自然地選擇：畢竟目前有大量雲端資料中心任務的網際網路廠商，包括谷歌、亞馬遜、位元組跳動、騰訊等都在自研晶片，隨著蘋果在雲端執行任務需要的計算量上升，第三代M系列晶片的SoC（專用化加速）+ 多晶片多核架構（強通用計算能力）將會為這類應用的自研晶片打下堅實基礎。未來的具體發展，讓我們拭目以待。
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