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作者|云鹏
编辑|心缘

最近国内安卓阵营迎来了一波接一波的新机发布热潮,而在各家发布会上,苹果A17 Pro着实成了“常客”,只不过这个常客,是被各路安卓手机芯片在性能测试中赶超的对象。

是的,今天的安卓手机芯片,已经在性能和能效上双双反超苹果了。这种“委屈”,恐怕之前的苹果芯片都没受过。

相比高通、联发科手机芯片近年来的高歌猛进,苹果近两代芯片的性能提升似乎有些“挤牙膏”。

在一些业内人士来看,在这场安卓芯对苹果芯的逆袭中,苹果“跑的慢了”占了更主要因素。即使一开始差距很大,但如果对手用跑的,苹果用走的,被追上必然是迟早的事了。

前不久陆续登场的两大安卓芯王——高通骁龙8 Gen3以及联发科天玑9300,在CPU多核性能、CPU多核能效比、GPU峰值性能、GPU能效比等核心技术指标上均已领先同时期的苹果A17 Pro。

▲CPU能效曲线,黄色点为天玑9300,蓝色线为骁龙8 Gen3,绿色点为苹果A17 Pro,性能向上方增加,功耗向右侧增加,来源:极客湾

苹果芯片输了“能效比”,这放在两年前还是难以想象的,GPU方面的性能差距,一度让网友们调侃称高通和联发科用了“外星科技”。

如果说去年的A16是被“部分超越”,那么今年的A17 Pro就是被全面赶超,仅剩CPU单核性能还保有一定优势。

两年不到,手机芯片性能擂台彻底“变天了”,苹果似乎不再“遥遥领先”。

为什么安卓芯片可以在短短几年里从追赶到超越?苹果为什么跑得更慢了,而高通联发科又是如何一步步追上的?我们将从架构、工艺、人才技术等多方面入手,尝试寻找背后的深层次原因。

01.

苹果牙膏挤没了

高通联发科的牙膏踩爆了

苹果的步子真的迈的更慢了吗?通过梳理近20年来高通、联发科、苹果三家厂商发布的旗舰级自研手机芯片,我们发现事实的确如此,尤其近几年,这一趋势愈发明显。

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▲近六年高通、苹果、联发科旗舰手机芯片CPU、GPU性能和能效提升情况(部分)

▲近五年苹果、高通、联发科部分旗舰手机芯片CPU性能提升幅度情况,每年每家厂商仅选取一款旗舰芯片,部分苹果CPU性能提升为大核性能提升,趋势仅供参考

高通、联发科两家厂商的旗舰芯片,CPU每年的性能提升幅度多则60%,少则20%,而CPU能效比的提升也是同步的,通常在25%到45%之间。

至于安卓阵营提升幅度较大的GPU方面,高通和联发科芯片每年提升的幅度最高甚至可以达到80%,30%以上的提升是十分常见的,其GPU能效比的提升幅度甚至还要超过性能的提升。

简单来说,高通和联发科这边每年的旗舰芯片基本上都能在性能和能效上有显著的提升,即使偶尔有“翻车”现象发生,但并不影响长线性能提升的大势,并且“马儿跑得快,马儿还吃草少”的情况经常出现在安卓芯片阵营中。

反观苹果这边,从A15到A17 Pro,每代芯片的CPU性能提升仅有10%左右,A16一代提升幅度更小,其GPU甚至直接沿用了上代A15的规格。

向更早期追溯,从A12开始,苹果芯片性能提升幅度已经开始有放缓趋势,A14芯片GPU性能提升幅度仅有8%。

在搭载A16的iPhone 14 Pro发布之初,就有不少媒体测试发现,相比前几代iPhone产品的性能提升,iPhone 14 Pro在GPU性能方面的提升幅度极小。

最近高通骁龙8 Gen3和联发科天玑9300发布后,苹果芯片在GPU方面的差距被进一步拉大。

苹果近年A17 Pro的GPU上新增的渲染新特性以及对硬件级光线追踪的支持,都已经是高通和联发科两年前就已落地的特性。

不可否认,苹果手机芯片的步子的确走慢了,安卓手机芯片是实打实地赶上来了。

02.

架构升级不够看,工艺红利消退,逼得苹果玩起了“超频”?

提到芯片性能和能效比,大家最先想到的就是工艺和架构的影响。安卓芯片的逆袭,跟芯片制程工艺和芯片架构又有着怎样的联系?

在讨论之前,我们先要明确,通常我们说的Arm架构,是指芯片CPU内核所使用的架构,而厂商们常常说的“1+3+4”或“1+5+2”架构,则指的是CPU的内核是如何配置的,虽然都是“架构”,但实际上说的并不是一回事。

从CPU的内核配置方式来看,最近联发科提出的“全大核”架构概念引起了业内的广泛热议。天玑9300直接放弃了“小核”,采用了4个超大核+4个大核的架构。

虽然联发科的这一举措看起来很“大胆”,但当我们将时间线拉长就会发现,这种“全大核”的概念更像是一种不一样的叫法,而类似的架构设计其实在高通和联发科的芯片发展历史上都有出现过。

▲近10年高通、联发科、苹果旗舰手机芯片CPU内核配置情况

比如2014年前后联发科的MT6595、高通的骁龙810,其CPU采用的都是“4+4”的架构设计,只不过当时的“大核”,例如A17、A57,性能远不及如今的大核。

简单来说,经过多年技术迭代,当年的大核,如今只能相当于“小核”,而今天例如A55、A510这样的小核,放在多年前,也能有“大核”的地位。

而纵观近年来高通、联发科芯片在CPU架构上的调整,这种“大核越来越多”的设计,其实早有预兆,并不是突然涌现的。

在高通骁龙8 Gen2这一代上,高通将此前沿用了多年的1+3+4架构更换为1+4+3,大核增加、小核减少,而在今年的骁龙8 Gen3上,高通进一步将大核数量增加为5个,小核数量减小到2个。

在联发科一口气增加了3个超大核的同时,高通同样也在默默增加大核。并且高通的5个大核中,有3个的最高频率都已经来到了3.2GHz,这与此前的超大核频率都已十分接近。

实际上,不论是“超大核”、“大核”、“中核”、“小核”,还是“性能核”、“能效核”,这只是厂商对于产品的命名,透过架构的变动,我们能够看到的核心趋势就是,手机芯片对于性能的需求,依然在快速增加,“手机芯片性能过剩”的言论,近年来也鲜有见到。

既然如此,苹果为什么多年来一直采用的是“2+4”的6核配置,苹果芯片的性能提升又来自于哪里?

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实际上,这一方面涉及到芯片内核架构的迭代。苹果是三家厂商中对于自研内核架构这条路走的最为坚定的。从2012年苹果A6芯片改用自研内核微架构之后,苹果A系列芯片就一直采用“深度自研”的基于Arm的架构。

虽然高通也尝试推出过基于Arm指令集的一些自研CPU内核微架构,例如Scropion、Krait,但后来其还是转向了基于Arm的“半定制”设计,虽然名字为“Kryo”,但本质上仍然是“定制版Arm”,因此也很难与直接采用Arm架构的联发科芯片拉开明显差距。

一些业内人士指出,此前每代苹果A系芯片的性能提升,很大一部分来自于内核架构的改进,例如分支预测能力的提升、扩宽解码单元和执行单元。

并且值得一提的是,从芯片物理层面的晶片尺寸大小来看,苹果的“小核”,其实很多时候比安卓端的“大核”还大,苹果在芯片规格方面的“堆料”,也是其单核性能长年领先的重要方面之一。

在梳理近年三家芯片CPU核心频率的过程中,我们还发现,苹果从2021年的A15开始,似乎在芯片核心频率提升方向上有些“用力过猛”。

▲近10年高通、联发科、苹果旗舰手机芯片CPU最高频率情况

在苹果A14之前,苹果芯片的CPU最高频率往往都低于同时期的高通和联发科芯片,并且当时苹果也并没有在工艺方面有明显优势,同时期的芯片工艺通常都在同一代中。

但从A15之后,苹果芯片的最高频率突然开始显著提高,尤其是在最近的A17 Pro上,其CPU的最高频率甚至达到了惊人的3.78GHz,要知道,很多笔记本电脑上的处理器都没有这么高的运行频率。

相比之下,同时期高通和联发科芯片的最高频率都在3.3GHz左右,仅频率上的差距就达到了14.5%。

▲近十年苹果、高通、联发科部分旗舰手机芯片CPU最高单核频率情况,每年每家厂商仅选取一款旗舰芯片,趋势仅供参考

苹果芯片的单核性能的确有明显优势,但如果去掉晶体管数量和单核频率的差异,苹果单核性能的优势必然会明显缩小。

这或许也从侧面反映了苹果当下芯片性能提升的方式,已经较为局限了,甚至不惜在“超频”的路上越走越远。

今年台积电3nm工艺表现不及预期,加之苹果芯片频率的大幅提升,这代A17 Pro发热明显高于前代也就并不令人意外了。

既然提到了频率和工艺,纵观三家芯片巨头在芯片制程工艺方面的使用,我们也能发现一些特点。

实际上,在智能手机发展早年间,台积电工艺还不像如今这样抢手,苹果A4、A5、A6、A7使用的都是同时期三星的工艺,不过来到7nm及更先进节点后,台积电工艺就已占据绝对主导。

▲近20年苹果、联发科、高通旗舰手机芯片工艺情况

虽然近年来台积电在工艺制程方面的优势被不断放大,但当工艺迭代至5nm以后,工艺提升带来的性能提升已经远不及从前。这也是苹果不得不以“超频”来换取性能提升的一部分原因。

正如前文所说,从苹果A6到A12这六年间,每年苹果、高通、联发科三家使用的工艺基本上都在同一代,苹果并不是一直在工艺方面有“垄断式”的优势。

与其责怪台积电工艺不及预期,不如说,当苹果指望依靠工艺垄断来实现性能领先时,苹果就已经输了一半。

芯片性能提升不及预期,还要从苹果自身找原因。

03.

苹果芯片团队巨震,灵魂人物出走,高通联发科趁势追击

如果从苹果自身找原因,摆在明面上的就是近年来苹果芯片团队的剧烈震荡。此前外媒《信息报》(The Information)的一篇报道更是揭露了不少苹果芯片研发团队内部存在问题。

据报道,从2019年以来,苹果芯片团队中有不少人离职,这些离职的工程师有些去创业了,有的则直接跳槽到其他芯片公司就职,涉及人员有数十个之多。

其中就包括大名鼎鼎的苹果首席CPU设计师Gerard Williams III,他在2010年从Arm公司加入苹果后,就一直操盘着苹果核心的芯片研发相关工作,主持研发了A7一直到A14等诸多苹果自研芯片,苹果的M1系列首席架构师也是他。

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▲Gerard Williams III

我们对苹果硬件技术高级副总裁Johny Srouji都十分熟悉了,他经常在苹果发布会上露脸,也是苹果芯片业务当下的一把手,据报道,Williams在苹果芯片团队中的地位仅次于Srouji。

在来到苹果之前,Williams参与了诸多经典Arm CPU架构的研发,可以说是移动芯片设计领域的顶级专家。

这种级别的负责人离开,对团队的影响是很大的,尤其是他还带走了一部分苹果芯片团队的员工,跟另外两位芯片圈大佬共同创立了芯片创企NUVIA。Williams也因此吃了苹果的官司。

其实还有一家芯片创企Rivos也被苹果起诉过,这家公司更狠,直接从苹果挖走了40多人,其中还包括Ricky Wen这样的芯片圈大牛。

据报道,在Williams走后,苹果又挖来了Arm的首席架构师Mike Filippo来接替他,但无奈Filippo跟苹果团队不和,于2022年离开苹果加入了微软。

其实苹果很少直接拉外部高管来担任要职,更多都是自己“内部培养”,紧急挖来Filippo,对于苹果来说必然不是上策,同时苹果手机芯片团队的动荡,对其芯片的迭代和技术创新是有严重不利影响的。

在上述苹果芯片团队2019年前后的这一系列动荡之下,最直接的“受害者”就是苹果A16芯片。

▲iPhone 14 Pro Max主板,来源:iFixit

据《信息报》报道,苹果的A16原本计划会有“大幅飞跃式”提升,但由于原型机的功耗太高,导致机身发热严重,甚至影响了电池寿命,苹果不得不紧急做出调整,砍掉了本该在A16上就出现的光线追踪技术,同时GPU也直接沿用了前代A15的设计。

报道中的几名知情人士称,这种“乱象”在苹果公司中是前所未有的(unprecedented snafu in the group’s history)。

当时这位记者在报道中预测,如果苹果的“A17”性能提升还是如此之小,高通和联发科的芯片很可能会在性能上实现反超。

如今,一语成谶,预言成真。

值得一提的是,2021年12月,在苹果任职超过8年的M1芯片设计总监Jeff Wilcox也离开了苹果,此次苹果M3系列芯片迭代的“放缓”, 或许也同样与芯片团队的动荡有着千丝万缕的联系。

从2019年的团队动荡至今,我们并未在公开报道中看到有新的芯片圈大牛加入苹果。

相比苹果芯片团队的动荡分离,高通芯片团队则增加了不少精兵强将。

前文提到的芯片创企NUVIA,在成立仅14个月后就被高通公司以13亿美元收购。

▲从左至右:John Bruno、Gerard Williams III、Manu Gulati

除了来自苹果的芯片大佬Gerard Williams III,NUVIA的副总裁Manu Gulati也曾担任谷歌首席SoC架构师,甚至还在苹果担任了8年多的首席SoC架构师,负责过苹果A5X、A9、A12X等多款处理器的设计。

在博通和AMD的工作经历也给Gulati增加了不少PC处理器和移动芯片的研发经验。

此外,NUVIA的另一位高级副总裁John Bruno也是芯片圈的一位老兵,在ATI、AMD、苹果工作过,曾参与过AMD最早一代APU的研发设计。

集合了这么多芯片圈大牛的NUVIA,就这样被高通一口吃下,这些芯片人才都成为高通芯片研发的新力量。

收购仅仅过去了两年多,今年高通的自研CPU Oryon就已经正式亮相了,也足见收购对于高通的重要意义。

▲2023年10月骁龙峰会上高通发布的骁龙X Elite采用了高通自研的Oryon CPU

实际上,NUVIA的强项就是设计能够提高内存带宽、CPU利用效率、持续性能的CPU架构,而放弃“堆核”或者“超频”的传统思路。

据报道,NUVIA的自研CPU架构Phoenix比其他所有竞品的峰值性能都高50%到100%,功耗还更低,并且性能随着功耗增加而边际效益递减的问题也优于其他竞品。

可以说,NUVIA的强项,都是高通所需要的,高通需要做出兼顾高性能和高能效比的新自研CPU架构。

相比高通这边直接吸纳成熟团队,联发科这边大有一副从头培养优秀人才的架势。

根据联发科官方信息,从2021年年中开始,联发科就在积极招募优秀人才,招聘规模超过2000人,给硕士毕业生开出了超过46万元人民币的起步年薪,而博士毕业生的起步年薪接近60万元。

除了高薪吸纳新人才,据称联发科在内部也鼓励员工推荐优秀人才,并配以各种新人推荐奖励。

联发科一把手蔡力行曾在公开发言中说到,联发科的目标是“成为全球最具竞争力的IC设计公司”。

联发科从2021年开始研发投入有明显增加,2022年研发投入约为40亿美元,2022年四季度研发投入占比一度超过了25.9%。

众所周知,人才是芯片产业发展的基石,全球半导体产业人才储备不足问题长期存在,芯片人才无疑是一种稀缺的“战略资源”。

对于苹果、高通和联发科来说,人才争夺战,必将会持续上演。而能否把握住优秀芯片人才,也必然会成为影响后续芯片迭代的关键性因素。

04.

结语:AI大模型风浪涌起

手机芯片产业暗流涌动

安卓芯片逆袭苹果,并非一朝一夕之功,看似短短两代的反超,其实是此前多年间架构、工艺等技术博弈以及人才激烈争夺等一系列复杂因素综合作用的结果。

这次,苹果芯和安卓芯来了一次“角色互换”,作为当下“追赶者”的苹果,要如何解决人才流失的问题?高通和联发科又能否稳住当前的优势并进一步跑的更快?都成为影响手机芯片产业发展的重要变量。

今天,在手机CPU、GPU性能之外,芯片的AI能力也逐渐走到了“C位”,成为各家芯片厂商在发布会上重点宣传的方面,在AI大模型落地智能手机的过程中,高通、联发科等芯片厂商无疑承担着关键角色,芯片无疑是大模型应用的硬件基础。

手机芯片在AIGC时代又将迎来怎样的挑战,有哪些新的需求涌现出来?芯片巨头们又会如何应对,手机芯片之战,正迎来另一个精彩的高潮。