蘋果在晶片領域布下「王炸之局」,高通、三星難擺苦追宿命

在智慧型手機領域，蘋果從指令集到微架構一手打造的 64 位晶片可說打遍天下無敵手，即便是三星、高通等晶片產業龍頭，也難以撼動其市場地位。

然而，這次在 MWC 2018 中，我們可以看到包含三星、高通，都已經推出基於自有微架構的手機處理晶片，在 GeekBench 效能的測試數據中僅落後去年推出的蘋果 A11 晶片約 2 成，而不再是僅能達到其同世代產品一半性能的窘況，自研微架構可說已經帶來了一定的成果。

不過，嚴格說來，其性能差距仍是相當明顯，未來數年這個格局應該也很難被轉變。

雖然華為早些年也投入微架構的自研工作，但 2018 年 MWC 上並沒有宣布相關的信息，其最新的麒麟 970 因為基於標準 ARM 公版架構，整體效能約為 A11 的一半左右，落差相當大。

DT 君認為，華為自研微架構晶片應該會隨著年底新款高端手機一併發布，而屆時期 AI 核心也會有一定的變革，藉以應對高通和三星，甚至蘋果在高端手機市場的挑戰。

像聯發科、瑞芯微、全志等追求性能價格比的公司，基本上就和自研微架構無緣了，ARM 官方發表的架構表現如何，基本上這些公司的產品就是長怎麼樣，不會有太大意外。

也因此，落後蘋果產品一大截已經是可預見的結果，不過這些公司的目標市場本來就不是高端定位，所以也不用期待太多。

所以，當年蘋果對 ARM 指令集的布局可以說回報豐厚，其投資效益不出意外的話甚至還可繼續延續數年之久，當然，蘋果在晶片研發和布局的資本投入並不是其他晶片廠商可以相提並論的，即便占了先機，但持續的投入才是蘋果未來得以維持絕對優勢的關鍵。

蘋果布了一個「王炸之局」

無論如何，整件事情要從一個影響手機、半導體產業極為深遠，但又不為人知的老故事開始說起，然後回頭看看目前的 ARM 架構市場變化。

這一切都要由蘋果所布的局開始。

一位在半導體產業資歷極深、曾在各大處理器廠商中擔任要職的人士對 DT 君透露，蘋果自有晶片的布局，甚至要往上延伸至 IP 供貨商，也就是 ARM 身上。

那麼，身為晶片最上游的 ARM 如何受到蘋果的影響?這要從 ARM 對 64 位架構發展態度的消極開始看。

ARM 從推出高端 Cortex-A 架構之後，就一直固守在 32 位，並且強調 32 位的性能已經足夠使用，甚至在 PC 或伺服器市場也能和 X86 相提並論。

但事實上，ARM 的 32 位指令在移動市場表現雖不錯，但成長性有限，且隨著未來應用複雜度增加，其先天的 4GB 內存尋址限制將會成為整個應用生態的緊箍咒，而在伺服器市場，缺乏 64 位尋址能力的 ARM 架構，也幾乎找不到半點市場空間。

如果沒有前進到 64 位，ARM 架構不只在伺服器市場將持續空白，移動市場也可能早就被重新經營低功耗移動市場的 X86 架構給擊倒了。

2012 年，ARM 終於在其長遠的處理器列表上添加了 64 位架構，晚了 X86 架構 13 年，然而這並非完全出自 ARM 自己之手。

蘋果希望維持 A 系列處理器在移動市場上的性能優勢，且將應用擴及包含筆記本與 PC 市場，作為取代 X86 架構的武器。

但是在遲遲等不到 64 位架構到來的情況下，只好主動和 ARM 進行溝通，提供其研究多年的 64 位指令集設計建議，蘋果總共定義了 26 條 64 位指令，在 2012 年發表的 ARM v8.0a 使用了其中的 18 條指令，次年的 ARM v8.1a 則補上了其餘的 8 條指令。

談到這邊，各位應該對蘋果 A 系列晶片性能要比同時期產品更高的理由心裡有點底了吧。

當然，ARM 作為公正 IP 供應者，理論上不應該也不會偏向任何一方，雖然在大客戶的要求下，硬著頭皮推出採用蘋果建議的 64 位架構設計，但完成後也同樣對外開放授權。

蘋果無償貢獻這些指令集，最後所有晶片廠商都能藉助授權使用，乍看之下是為人作嫁衣，讓競爭者撿了便宜。

但實際上，蘋果在晶片設計方面早有深厚的基礎，且在 A5 之後轉而自行設計晶片架構，最後一款 32 位晶片 A6 更是自行設計微架構，對相關指令集所需要的配套優化架構瞭然於心，反觀套用 64 位 ARM 公版架構的廠商紛紛在市場上受挫而叫苦連天。

ARM 後續雖不斷改進其公版微架構，但蘋果已經穩居市場先機，包含高通、三星、華為等都認為繼續採用公版架構將無法拉近與蘋果的距離，因此紛紛投入研發基於 64 位 ARM 指令集的自有微架構，但市場的落差已然存在，即便到現在，蘋果仍在處理器微架構的效率表現上遙遙領先其他晶片設計廠商，甚至逼近 X86 的程度。

所以說，蘋果已為其 64 位架構布了一個非常深遠的局，而且其影響將持續下去。

不過 ，ARM 被軟銀(SoftBank)併購之後，除了在 IoT 市場推出各種相應方案，也積極布局伺服器市場，沒有死守在由蘋果開拓出來的 64 位路徑上，而是以此為基礎，增加更多的應用可能性。

然而，過去幾年被蘋果遠遠拋開的移動晶片供貨商也逐漸走出自己的路，畢竟，如果只是單純依照建議公版，那永遠也追不上蘋果。

通過自有微架構的開發，這些廠商也逐漸拉近與蘋果的距離。

蘋果不僅拔得 64 位 ARM 架構頭籌，性能亦持續領先

我們都知道，蘋果 A 系列晶片是最早進入 64 位的 ARM 架構，其他方案幾乎都晚了蘋果 1 年以上，其最主要的原因是前面提到的，蘋果早在 ARM 推出其官方 64 位架構指令集前就已經先行布局自有架構的開發。

另外還有一個原因，除了當時手機等移動平台上沒有 64 位應用開發經驗，晶片廠看不到蘋果所看到的差別，擔心最終只是落得噱頭一場，投資開發新架構可能成泡沫，且 ARM 的 64 位架構的由來也讓各大晶片廠商不怎麼放心，因此裹足不前，坐看蘋果拔得頭籌，而當蘋果取得市場關注之後，才接連引發移動市場的 64 位革命。

A4、A5 晶片採用 ARM 官方 IP，實際效能表現只能說普通，若沒有 GPU 的幫助，那跟一般 ARM 架構方案根本沒有落差。

A6 雖然轉用自行開發的 swift 微架構，但性能表現也僅略優於同時其競爭產品，真正拉開差距的，就是首代 64 位架構，也就是基於 Cyclone 架構的 A7 處理器。

與其他基於標準公版 Cortex-A57 的同時期位 ARM 架構晶片比較起來，Cyclone 架構把指令發射寬度 (issue-width) 從標準的 3 個增加到 6 個，並且大幅增加片上緩存以及存取帶寬。

而基於 A7 的終端產品從 2013 年底逐漸上市，反觀業界首款基於 64 位 ARM 架構 Cortex-A57 遲至 2015 年初才有產品上市，且因為 A57 只是在 32 位架構 A15 的基礎上增加 64 位指令，很多東西都是等比例放大，沒有經過優化，配置非常不均衡，加上晶片代工工藝跟不上，首波推出的晶片與終端方案表現可說是極為悽慘。

2015 年，蘋果也理所當然的用基於 Cyclone 二代微架構的 A8 以及 Twister 微架構的 A9 碾壓 Android 高端產品陣營，其設計理念也很一致，用大規模同步指令解碼能力取代原本的高頻設計，並且增加帶寬與緩存，讓指令集運行更有效率，而同時期的晶片廠仍持續強調運作頻率等蘋果根本看不上眼的規格。

也因此，蘋果能夠長期穩定運作在相對高效能之下，而其他產品通常只能全力運作非常短的時間，然後就碰到功耗門，被強制降頻，該時期代表作驍龍 810 甚至只能在低於一半的預設頻率下才能勉強維持穩定運作，雖然號稱 8 核心，但實際性能遠遠落後於蘋果的雙核產品。

移動領域雖稱霸，但意圖取代 X86 的大計並不成功

前面也提到，蘋果布局 64 位 ARM 架構其實目的不是只為了手機等移動終端，而是要全面取代其在 Mac 計算器上的處理器，然而理想很豐滿，現實狀況是，即便增加了 64 位指令，ARM 的基本結構本來就不適合大規模高頻率的運作方式，即便蘋果已經做了很多嘗試，但仍然事倍功半。

而英特爾過去幾年在市場上毫無敵手，core 微架構撐了十幾年仍淘汰不了，每年固定擠牙膏的作法雖然讓其包括蘋果在內的客戶非常不滿，但也只能無奈的買單。

英特爾雖然躺著賺，但也不敢忽視了蘋果的一舉一動。

只要蘋果推新架構，英特爾就會推出性能剛好領先一段距離的產品壓陣，甚至部分小改版，或者是針對特殊市場的處理器產品也會優先供應蘋果，避免蘋果真的下了要全面替換處理器的決定。

這個策略也被證實十分有效，截至目前為止，蘋果要替換處理器架構都還只是停留在傳言的階段而沒有成真。

當然，之前的確有某家代工廠已經在幫蘋果設計代工基於 ARM 架構的 NB 產品，只是最後因為市場策略調整，或是因為產品性能表現不佳，亦或者是因為來自英特爾的壓力，相關產品最終胎死腹中。

雖然蘋果相關的規划進行狀況並不順利，但未來肯定還是會繼續嘗試替換掉來自英特爾的晶片產品，畢竟蘋果的最高準則就是單一類型產品有要第二供貨來源，而英特爾已經獨占太久了。

換句話說，就是蘋果認為英特爾實在賺太多了。

不過，在 AMD 鹹魚翻身之後，或許蘋果又會有不同的決定，但一切還是要回歸市場選擇以及蘋果的策略方向。

被蘋果推向 64 位的 ARM，雖成霸主但客戶皆懷異心

ARM 雖然用了來自蘋果的架構，卻也沒有自滿於現況而裹足不前，v8.0a 到 v8.1a 都是針對移動平台跨向 64 位而設計，並且希望兼顧 PC 市場所需要的高性能表現，其隨後發表的 ARM v8.2a 是針對伺服器所需要的半精度浮點計算、增強內存模型，並且引入 RAS(可靠性可用性可服務性) 的支持與統計分析擴展，而在短短不到 3 個月的時間內，ARM 又發表了 v8.3a，改善了處理器本身的資安特性，而 2018 年推出的 v8.4a，則是再度強化加密與內存管理，從這邊也可看出，未來 ARM 已經逐漸從移動處理器的 IP 供貨商角色抽離，希望能做到包含伺服器等全方位市場的布局。

也因為這些架構上的布局，伺服器市場終於漸有起色，部分雲服務客戶也開始採用基於 ARM 架構的伺服器晶片，而不再偏好來自英特爾的架構。

另一方面，ARM 被軟銀收購之後，不只 NRE 及一次性技術許可費大漲 3 倍以上，每年也都大幅調升專利費的比重，但好在手機市場上還有個萬惡的高通以及微軟坐收高額技術許可費，所以看起來增加的幅度還不明顯，但是在其他 IoT 或者嵌入式領域中，就造成了晶片方案廠商很大的負擔。

但其實連三星都已經有點受不了了，原本三星是採用最頂級的架構訂閱模式，只要有推出新架構，三星都可以直接使用，但後來也改為只簽訂有使用到的架構授權，而非全包。

另外，ARM 當然也知道繼續一直漲價下去，很多低端嵌入式的晶片設計廠商都會受不了，於是也提出 DesignStart 項目，包含了幾款 Cortex-M0 到 M3 等低端 MCU 核心，免除了初始專利費這個門坎，乍看之下十分優惠。

不過這些架構其實都已經很古老，性能有點追不上目前 IoT 所需要的性能門檻，所以客戶如果要開發新應用，多半也不會使用 DesignStart 項目。

而 ARM 每次推出新架構，價格都會繼續往上迭加，舊方案則是每年漲價。

也因為如此，ARM 的營收也不斷成長。

市場看到 ARM 已經逐漸走向另一個巨頭的壟斷道路，也開始有所警覺，因此包括 ANDES、RISC-V 等費用較合理、甚至免費架構採用的人也越來越多，然而這些架構缺乏了關鍵的非循序 (Out-Of-Order) 執行能力，無法肩負手機等高端計算環境需求，但是在低端嵌入式環境中，已經開始有不少應用實例出現，生態也逐漸成熟，諸如聯發科、WD、華為也都成為 RISC-V 的擁護者，並開發相關方案，性能與功耗表現亦獲得市場肯定。

成為霸主的路上自然挑戰不斷，ARM 希望把自己打造成處理器 IP 界的霸主，自然也要面對各種考驗，雖然目前來看，這些考驗都還是屬於小兒科的階段，對 ARM 產生不了威脅，但霸主往往都會過於輕敵，並把自己的需求看得太重要，以致於忽視客戶的心聲，ARM 未來是否也會如此，值得觀察。