美國(guó)芯片內(nèi)戰(zhàn)

邱豪　賀乾明

盡管人人都能用上手機(jī)，但PC處理器依然是現(xiàn)代生活的計(jì)算中心：近20億人每天打開個(gè)人電腦工作、學(xué)習(xí)。這些電腦里的處理器再加上被裝在數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)里的數(shù)億顆PC處理器在無(wú)形的數(shù)據(jù)世界里計(jì)算著一切，從推薦視頻、記錄股市交易，到分析戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)，找到下一個(gè)轟炸目標(biāo)。

過去20年里，這個(gè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施的競(jìng)爭(zhēng)格局長(zhǎng)久地維持靜態(tài)。

上一場(chǎng)芯片大戰(zhàn)后，幾家頭部公司牢牢控制著自己的位置。大多數(shù)時(shí)候，英特爾控制著超過三分之二的市場(chǎng)，決定著明年CPU計(jì)算能力提升8%還是10%；英偉達(dá)是在虛擬世界里描繪畫面的首選，高通決定信號(hào)如何在空氣里傳播。三年前，蘋果M1芯片推出，一度以超出想象的性能打破平靜。但它的成功更多被外界歸因于資本實(shí)力——果然只有錢最多的公司才可能造好芯片。

這一局面在過去一周幾乎被徹底改寫，并且向世界重復(fù)了一個(gè)樸素真理：純粹的商業(yè)世界里，技術(shù)終會(huì)前進(jìn)、壟斷不可能永遠(yuǎn)持續(xù)，此前芯片市場(chǎng)的平靜不過是在等待技術(shù)積累。

七天以來(lái)，一場(chǎng)圍繞個(gè)人電腦的芯片戰(zhàn)爭(zhēng)在美國(guó)市場(chǎng)逐漸成型。至少六家市值數(shù)千億美元的公司參與其中，向本來(lái)沒有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的公司，甚至是合作伙伴發(fā)起進(jìn)攻。

10月25日，高通發(fā)布筆記本電腦芯片Snapdragon X Elite，宣稱其性能超過蘋果的M2Max和英特爾的同級(jí)別處理器，還說要為世界上其他筆記本電腦制造商提供“與蘋果競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)先解決方案”。

同一天，蘋果預(yù)熱了新的發(fā)布會(huì)，并在10月31日推出新的M3系列處理器。以別無(wú)二家的3納米技術(shù)，刷新了筆記本電腦的性能基準(zhǔn)。

與此同時(shí)，多家美國(guó)媒體報(bào)道了英偉達(dá)和AMD的新計(jì)劃：研發(fā)高性能、低功耗的筆記本電腦芯片方案，在兩年內(nèi)上市與蘋果、高通競(jìng)爭(zhēng)。

新的競(jìng)爭(zhēng)正在向同級(jí)別市場(chǎng)擴(kuò)散。英偉達(dá)要用最新的車用芯片DRIVEThor解決從車內(nèi)娛樂到自動(dòng)駕駛的一切需求。特斯拉則像蘋果一樣，一顆一顆地將自家產(chǎn)品里的芯片換成自己的。

一場(chǎng)決定未來(lái)計(jì)算形態(tài)的芯片戰(zhàn)爭(zhēng)正在爆發(fā)，而戰(zhàn)場(chǎng)又回到了硅谷。

共同的方向：手機(jī)芯片反攻電腦、汽車、服務(wù)器

不論蘋果的M3系列、還是高通的Snapdragon X Elite，它們的結(jié)構(gòu)看上去都不像是傳統(tǒng)電腦的芯片，而更像是手機(jī)芯片——雖然尺寸會(huì)大一些。

傳統(tǒng)的電腦中，不同公司生產(chǎn)的CPU、顯卡、內(nèi)存條等零件被送去工廠，焊接在電路板上。蘋果和高通的處理器都是SoC（System Ona Chip，片上系統(tǒng)）——CPU、GPU、內(nèi)存、控制器等處理器內(nèi)核都被集成在一個(gè)芯片封裝里。臺(tái)積電工廠就可以完成大部分生產(chǎn)工作。

類似的，英偉達(dá)下一代汽車芯片Thor也轉(zhuǎn)向SoC設(shè)計(jì)。對(duì)性能要求更高的服務(wù)器芯片則是下一個(gè)突破目標(biāo)。

轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在2020年底，蘋果發(fā)布采用SoC設(shè)計(jì)的M1芯片。一開始蘋果只在入門級(jí)的電腦里用了新處理器，但性能已經(jīng)追上前一年的頂級(jí)配置英特爾處理器電腦，續(xù)航還多出幾個(gè)小時(shí)。

此前14年，蘋果一直在Mac電腦上使用英特爾的CPU。從2015年起，英特爾處理器的性能提升跌入個(gè)位數(shù)的百分比。這一度被視為摩爾定律行將就木的必然結(jié)果。

“SoC里，CPU、GPU、內(nèi)存等計(jì)算單元距離最多不過1厘米，可以通過晶圓直接互通，相比傳統(tǒng)通過外部的PCB板的電路的方式，信息傳輸效率會(huì)大幅提升，也能降低功耗。”《芯片簡(jiǎn)史》作者汪波博士說。

如果把電腦完成一項(xiàng)任務(wù)看作做菜，傳統(tǒng)的電腦中調(diào)度芯片就像是去不同的超市、攤位買食材，再做菜。SoC相當(dāng)于從一個(gè)冰箱里拿食材做菜。而M1芯片的“食材”更豐富，蘋果針對(duì)人工智能、音視頻編碼、加密存儲(chǔ)等一系列特定用途訂制了專用的計(jì)算單元，以更快解決常見問題。這些功能都需要和CPU協(xié)作，縮短信息傳輸距離頗為必要。

2021年，蘋果陸續(xù)發(fā)布性能更好的M1Pro、M1Max、M1Ultra。《連線》雜志稱這些產(chǎn)品“讓摩爾定律保持了活力”。

英特爾也早早意識(shí)到了行業(yè)向SoC轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，并在2012年推出了適用于智能手機(jī)和上網(wǎng)電腦的SoC平臺(tái)Atom，但它對(duì)英特爾x86架構(gòu)、自身芯片代工廠的依賴，都讓它與蘋果、高通等公司支持的Arm架構(gòu)+臺(tái)積電競(jìng)爭(zhēng)中捉襟見肘，最終在2016年放棄嘗試。

“x86屬于復(fù)雜指令集，基于它的CPU性能強(qiáng)但功耗也大。GPU同樣是高功耗的處理器，把它們放一起做SoC，散熱會(huì)是一個(gè)極大麻煩。”汪波說。

而且Windows筆記本電腦市場(chǎng)品牌眾多、個(gè)人配置需求千變?nèi)f化，一定程度上也限制了英特爾，它要盡可能提供同時(shí)滿足多種需求、價(jià)格更低的CPU，很難像蘋果那樣迅速迭代。

英特爾CEO（首席執(zhí)行官）帕特·基辛格（PatGelsinger）同樣意識(shí)到了蘋果的威脅，他在2021年初告訴員工：“我們必須向PC生態(tài)系統(tǒng)提供比一家生活方式公司更好的產(chǎn)品。”

但它面臨的對(duì)手不只有蘋果。2020年推出搭載M1芯片的MacBook后，蘋果在筆記本電腦市場(chǎng)的銷售份額翻了一倍到11%。M1的成功讓高通等迫切想要進(jìn)入的新公司們明確了接下來(lái)該怎么做，以及找誰(shuí)做。

技術(shù)門檻降低：芯片設(shè)計(jì)民主化、臺(tái)積電解決制造

回頭看來(lái)，各種設(shè)備上的芯片向SoC進(jìn)化是理所當(dāng)然，但期間過程極其復(fù)雜。從組建芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)到推出M1，蘋果花了12年。

在此期間，蘋果通過高薪和并購(gòu)網(wǎng)羅了曾在英特爾、高通、博通、Imagination等芯片公司工作過的人才，進(jìn)而一步一步將芯片里的計(jì)算單元替換為自研產(chǎn)品。先是棄用Arm公開發(fā)售的CPU內(nèi)核設(shè)計(jì)，再是以自己的GPU取代了Imagination的設(shè)計(jì)，并自研了處理圖像、編解碼音頻和視頻、加速人工智能算法、加密存儲(chǔ)等各種專用計(jì)算單元，推動(dòng)著iPhone芯片每?jī)赡陮?shí)現(xiàn)一次性能飛躍，才有了M1超過英特爾芯片的可能。

一個(gè)偉大產(chǎn)品的誕生往往也是一場(chǎng)超長(zhǎng)馬拉松結(jié)束。蘋果第一代Mac電腦和第一代iPhone發(fā)布后，大批工程師在短時(shí)間里離職。蘋果創(chuàng)始人史蒂夫·喬布斯和微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨（微軟深度參與第一代Mac的軟件研發(fā)）都將不止一次在采訪中提及這樣的離職潮，來(lái)說明自己的團(tuán)隊(duì)付出了多么超常的努力，并最終工作到力竭。

蘋果芯片工程師則發(fā)現(xiàn)，一場(chǎng)馬拉松的結(jié)束是下一場(chǎng)的開始。

根據(jù)The Information報(bào)道，蘋果內(nèi)部的芯片項(xiàng)目數(shù)量在過去十年中從個(gè)位數(shù)增加到幾十個(gè)，但員工人數(shù)卻沒有以同樣的速度增長(zhǎng)。

10月31日的發(fā)布會(huì)就是蘋果工程師負(fù)擔(dān)持續(xù)加重的例證。M1系列芯片有四個(gè)規(guī)格，但蘋果工程師只做了兩個(gè)完整設(shè)計(jì)——M1和M1 Max，發(fā)布相隔近一年。M1 Pro是M1 Max的縮水版，而M1Ultra是M1 Max的拼接版。而10月31日蘋果則同時(shí)發(fā)布了三個(gè)完全不同的設(shè)計(jì)——M3、M3 Pro、M3 Max。這讓M3 Pro可以尺寸更小更便宜，M3Max可以追求極致性能。蘋果的芯片更精確地服務(wù)了不同價(jià)位段的產(chǎn)品，但增加了芯片團(tuán)隊(duì)的工作量。

一位蘋果芯片工程師在接受采訪時(shí)稱，為了滿足公司各個(gè)產(chǎn)品線迅速、穩(wěn)定且大幅迭代芯片的需求，蘋果的芯片工程師每周工作近80個(gè)小時(shí)——996不過是72小時(shí)，通常還有午休——才能按時(shí)完成任務(wù)。

根據(jù)多家媒體統(tǒng)計(jì)，過去兩年有數(shù)百名蘋果芯片工程師離職。他們也把做高性能處理器的經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)散開。

2019年，蘋果芯片部門平臺(tái)架構(gòu)高級(jí)總監(jiān)杰拉德·威廉姆斯三世（Gerard WilliamsIII）牽頭創(chuàng)辦了芯片公司NUVIA。他于2010年加入蘋果，此前在Arm工作了12年。在蘋果的9年，帶隊(duì)開發(fā)了蘋果所有SoC的CPU，也是蘋果M1 Pro、M1 Max的首席架構(gòu)師。

與他一起創(chuàng)辦NUVIA的另外兩位芯片專家分別是：約翰·布魯諾（John Bruno）和馬努·古拉蒂（Manu Gulati），都有豐富的芯片工作履歷。

根據(jù)NUVIA官網(wǎng)介紹，這批蘋果芯片元老的目標(biāo)是開發(fā)性能更強(qiáng)的CPU，處理指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)和不斷增長(zhǎng)的需求。他們的技術(shù)路線與蘋果一致——從頭設(shè)計(jì)一款兼容Arm生態(tài)的CPU內(nèi)核。

M1系列成功后，NUVIA得到了一批大型科技公司的收購(gòu)邀約。2021年，高通從微軟、英特爾、Meta等公司競(jìng)爭(zhēng)中勝出，花14億美元收購(gòu)。三位NUVIA創(chuàng)始人能從這筆交易中獲得數(shù)億美元收入——比蘋果CEO蒂姆·庫(kù)克（Tim Cook）的年收入還高。

NUVIA團(tuán)隊(duì)帶著上百名員工加入高通，其創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)均擔(dān)高通的高管。兩年不到，高通新處理器的性能已經(jīng)超過蘋果M2系列。

曾經(jīng)限制一家公司制造出高性能芯片的還有制造。在芯片60多年歷史的大多數(shù)時(shí)間，掌控了芯片制造工廠基本上就等于掌控了芯片本身，英特爾一度靠獨(dú)占的先進(jìn)晶圓廠壟斷了芯片市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手即使能設(shè)計(jì)出好的芯片，也沒法用先進(jìn)技術(shù)造出來(lái)。

直到2017年，英特爾建立的芯片垂直整合體系開始出現(xiàn)裂縫。靠著龐大的iPhone訂單和蘋果每?jī)赡甏蠓酒阅艿囊螅_(tái)積電的芯片制造工藝迅速超過英特爾。這一年，臺(tái)積電造出10納米制程芯片時(shí)，英特爾還在使用14納米工藝。之后幾年，臺(tái)積電按照穩(wěn)定節(jié)奏推動(dòng)7納米、5納米芯片變成現(xiàn)實(shí)，保持領(lǐng)先。

相同制程下英特爾的x86架構(gòu)芯片性能好過SoC芯片中普遍使用的Arm架構(gòu)，但雙方制程的差距給Arm方案補(bǔ)上了性能短板。蘋果在2020年發(fā)布的M1芯片使用了5納米的工藝，而同年英特爾的筆記本電腦芯片還停留在10納米（晶體管密度與臺(tái)積電7納米工藝相當(dāng)）。

臺(tái)積電的公開代工屬性決定，任何一家希望做芯片的公司，不用大幅投入就能獲得頂尖的制造工藝。高通的XElite緊跟著蘋果用上了4納米工藝，雖然比最新的M3使用3納米有一些差距，但已經(jīng)超過了M系列的其他產(chǎn)品。

研發(fā)芯片不只得有錢，還得能靠芯片持續(xù)賺錢

芯片研發(fā)需要不間斷的巨額投入，所以這也是為什么挑起競(jìng)爭(zhēng)的總是那些巨頭。巨頭們不僅需要資深的芯片管理者，還需要成百上千的工程師團(tuán)隊(duì)。因此，研發(fā)人員和工程師的薪酬、福利是研發(fā)投入的一大部分。

2019年開始，原本每年“只”愿意投50多億美元做研發(fā)的高通，研發(fā)費(fèi)用以大約每年10億美元的規(guī)模遞增。在截至今年三季度的12個(gè)月里，累計(jì)研發(fā)投入近90億美元。

支撐這些公司如此密集投入的原因各不相同，但本質(zhì)上它們都有非常穩(wěn)定的“稅”收，才有機(jī)會(huì)借著芯片技術(shù)帶來(lái)的性能提升，帶來(lái)更多收入，形成良性循環(huán)。

蘋果每年賣出2億多部iPhone，每自研一個(gè)芯片不僅提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，還能拿走原本屬于芯片供應(yīng)商的利潤(rùn)。同時(shí)它的芯片又被用于電腦、手表、耳機(jī)，以及Vision Pro。

高通依靠自己在移動(dòng)通信領(lǐng)域擁有的大量專利和領(lǐng)先地位，從幾乎每一部智能手機(jī)里收稅——也包括蘋果。根據(jù)分析機(jī)構(gòu)測(cè)算，蘋果每賣出一部iPhone就要向高通支付13美元的無(wú)線專利授權(quán)費(fèi)和25美元的基帶芯片費(fèi)用。每一年高通光是向蘋果收的“稅”差不多就撐得起全年研發(fā)費(fèi)用。高通再把這些費(fèi)用來(lái)研發(fā)更先進(jìn)的驍龍芯片，讓更多設(shè)備商離不開它。

類似的，AIGC和大模型的需求爆發(fā)意味著，計(jì)算廠商和AI初創(chuàng)公司未來(lái)幾年都需要大量采購(gòu)英偉達(dá)GPU。英偉達(dá)有了可靠的現(xiàn)金流，可以支持自研CPU，在汽車和電腦市場(chǎng)更進(jìn)一步。

一旦離開了如此高關(guān)聯(lián)度的主業(yè)支撐，再有錢的大公司也要認(rèn)真算賬。Google 2016年就想給自己的Pixel手機(jī)自研SoC，之后從高通挖來(lái)SoC工程師史蒂夫·莫洛伊（Steve Molloy）擔(dān)任芯片主管，在印度招聘了大量芯片工程師。

但Pixel系列手機(jī)發(fā)布至今七年，全球累計(jì)出貨量為3790萬(wàn)部，還趕不上iPhone一個(gè)季度的銷量。Google的創(chuàng)始人們?cè)缫褜?quán)力分給CFO（首席財(cái)務(wù)官），不會(huì)給沒有回報(bào)前景無(wú)限資源。Google自研Pixel芯片的量產(chǎn)計(jì)劃已經(jīng)推遲到2025年。

同樣不順的還有Meta。Meta于2018年組建了一個(gè)名為Facebook Agile Silicon Team的芯片團(tuán)隊(duì)，希望從易到難設(shè)計(jì)芯片，最終在Quest系列虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備用上自研芯片。但Quest持續(xù)虧損，于是Meta將定制芯片的設(shè)計(jì)任務(wù)先后外包給了三星和聯(lián)發(fā)科，最后放棄定制芯片，直接購(gòu)買高通XR芯片。

Meta Quest2已經(jīng)是迄今最暢銷的XR設(shè)備，一年也不過賣1000萬(wàn)臺(tái)左右。蘋果即將發(fā)售的VisionPro初期銷量不會(huì)比它好，但其所需要的芯片研發(fā)成本，早已被年銷2億部的iPhone和2600萬(wàn)臺(tái)的Mac攤薄。

AI、汽車和XR，新的需求、新的稅收機(jī)會(huì)

大約60年前，美國(guó)加州舊金山灣區(qū)南部的一串小城開始被稱為“硅谷”。這里一批企業(yè)推動(dòng)了晶體管和集成電路的應(yīng)用，催生芯片產(chǎn)業(yè)。他們的第一批客戶是政府和軍隊(duì)。

20世紀(jì)80年代后，隨著計(jì)算機(jī)普及、互聯(lián)網(wǎng)誕生，消費(fèi)者、企業(yè)取代政府機(jī)構(gòu)成為硅谷的最大客戶。蘋果、英偉達(dá)、Google、Meta等科技公司在此誕生。科技巨頭們盤踞一方，賺走各自行業(yè)里的大多數(shù)利潤(rùn)，也離“硅”越來(lái)越遠(yuǎn)。一度，美國(guó)最重要的科技公司都專精于軟件或互聯(lián)網(wǎng)。

如果芯片需求依舊只停留在現(xiàn)有視頻、表格、游戲，無(wú)論蘋果、高通，還是英偉達(dá)、AMD，可能都不會(huì)如此全力以赴。但AI、汽車和XR催生出新的計(jì)算需求，而消費(fèi)電子市場(chǎng)的停滯則加劇了競(jìng)爭(zhēng)的急迫性——每家公司都需要擠出更多利潤(rùn)。

目前AI已經(jīng)有一些實(shí)際應(yīng)用誕生。微軟想把名為“Copilot”的AI助手塞進(jìn)Office365、Bing搜索、Outlook郵件等幾乎一切生產(chǎn)力工具里；蘋果在用Transformer模型改進(jìn)輸入法（中文還不行）；Adobe的AI工具Firefly也將集成進(jìn)Photoshop、Illustrator、Premiere等設(shè)計(jì)軟件當(dāng)中。

但是訓(xùn)練和推理大模型的算力資源消耗和成本非常夸張。無(wú)論是自己采購(gòu)GPU、還是向云計(jì)算商租用服務(wù)器，提供AI服務(wù)的公司們都面臨嚴(yán)重的算力短缺和昂貴的運(yùn)營(yíng)成本。通過大模型普及的必經(jīng)之路是用上每臺(tái)電腦、每個(gè)手機(jī)的處理器。

這也是為什么從高通到蘋果的發(fā)布會(huì)，都在強(qiáng)調(diào)新的芯片可以更好地支持移動(dòng)設(shè)備本地跑大模型。蘋果稱M3Max能夠支持運(yùn)行包含數(shù)十億各參數(shù)規(guī)模的Transformer模型；高通則表示，首款搭載驍龍XElite的PC將支持130億參數(shù)模型的本地推理。

在可預(yù)見的未來(lái)，個(gè)人電腦依然是最重要的生產(chǎn)力工具。行業(yè)研究機(jī)構(gòu)Counterpoint預(yù)計(jì)，AI將為已經(jīng)消沉多年的PC市場(chǎng)注入新的活力，到2026年，全球AIPC的滲透率將超過一半。在這個(gè)市場(chǎng)，蘋果要用芯片留住最愿意花錢買電腦的顧客，高通要讓PC廠商賣出更多電腦給自己交稅，英偉達(dá)則要從GPU做到CPU，拿走更多PC廠商的利潤(rùn)，三家公司在這里碰撞。

另一個(gè)潛在市場(chǎng)需求來(lái)自XR。很難說這會(huì)是多大的市場(chǎng)，但蘋果今年發(fā)布的Vision Pro已經(jīng)為其他廠商指明了方向——借助屏幕“透視”功能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）效果。要讓它的視覺體驗(yàn)達(dá)到我們已經(jīng)習(xí)慣的“視網(wǎng)膜”標(biāo)準(zhǔn)，需要單眼屏幕分辨率達(dá)到6K。

Vision Pro目前還只有4K，已經(jīng)需要把M2芯片戴在頭上，再加一顆R1芯片實(shí)時(shí)處理傳感器信息，內(nèi)置風(fēng)扇、外接電池。在6K精度下的實(shí)時(shí)渲染復(fù)雜畫面，需要今天各家芯片所無(wú)法達(dá)到的性能和功耗。

汽車對(duì)于芯片算力的需求也在增長(zhǎng)。隨著電動(dòng)化和智能化的加快，以及智能座艙和自動(dòng)駕駛的普及，這些“輪子上的數(shù)據(jù)中心”吸引了一批芯片廠商的進(jìn)入。汽車芯片也已經(jīng)從原來(lái)通用、分散的單一功能芯片轉(zhuǎn)向集成的多功能SoC。

早前高通已經(jīng)借驍龍8155將7納米先進(jìn)制程帶入汽車芯片；而英偉達(dá)去年發(fā)布的下一代SoC芯片Thor，單片算力最高可以達(dá)到2000TOPS，是其現(xiàn)款產(chǎn)品Orin的近8倍。高通要參與自動(dòng)駕駛、英偉達(dá)則要做汽車的主芯片，特斯拉則不希望依賴其中任何一家。

新的環(huán)境驅(qū)動(dòng)著這些科技公司轉(zhuǎn)向芯片之爭(zhēng)，而芯片之爭(zhēng)很可能將決定之后誰(shuí)才是科技公司。