剖開(kāi)蘋(píng)果M2芯片，內(nèi)部設(shè)計(jì)曝光

表1對(duì)比了2020年11月發(fā)布的MacBook Pro，首次配備了“Apple M1”，以及2022 年6月發(fā)布的MacBook Pro，首次配備了M2。

在基板上添加加強(qiáng)金屬、散熱用熱管（散熱器）、散熱片、金屬框架等。散熱器采用覆蓋整個(gè)處理器部分的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)熱管與風(fēng)冷風(fēng)扇連接以釋放熱量。風(fēng)冷風(fēng)扇體積小，直徑46mm。它有許多葉片，而且很薄，因此可以非常順利地排出熱量。

移除熱管后，與DRAM集成的封裝中的 M2 處理器幾乎出現(xiàn)在電路板的中央。處理器右側(cè)和頂部有一塊黑色散熱片。此外，NAND閃存安裝在處理器的左上方。圖2 的左下方顯示了移除散熱片的電路板。散熱片一共三塊，其中兩塊配有電源IC，優(yōu)化處理器的供電。散熱片的第三部分（板子右側(cè)）是一個(gè)接口IC。

01.

M1/M2的處理器和外圍芯片對(duì)比

表2顯示了2020 M1 MacBook Pro和2022 M2 MacBook Pro的處理器和外圍芯片的比較結(jié)果。

處理器類(lèi)型名稱(chēng)已從“APL1102”更改為“APL1109”并且有所不同。與處理器結(jié)合的兩顆電源IC也有不同的型號(hào)名稱(chēng)（拆開(kāi)芯片后對(duì)比過(guò)內(nèi)部）。

最大的區(qū)別是與處理器配對(duì)的DRAM。M1采用LPDDR4X，M2采用高速LPDDR5。表2中未列出的其他一些芯片也已被替換。閃存仍然是日本鎧俠公司制造，但容量有所增加，是一個(gè)單獨(dú)的芯片。部分接口芯片和功率半導(dǎo)體也已更換。板子的外觀和尺寸，板上的芯片排列等幾乎一樣，但是處理器和外圍芯片都是100%更換的。

另一方面，觸摸板、音頻編****、NFC（近場(chǎng)通信）控制器、運(yùn)動(dòng)傳感器、電池充電器IC等在2020和2022版本中完全相同。由于端子位置和尺寸相同，看來(lái)只更換2020款MacBook Pro主板和2022款MacBook Pro主板就可以升級(jí)到M2版本。

02.

比較M1和M2

圖3是處理器M1和M2的比較。我們已經(jīng)完成了M2的芯片開(kāi)孔，但是硅片開(kāi)孔照片省略了。

M1基于臺(tái)積電的第一代5nm工藝制作，而M2則基于改進(jìn)的第二代5nm工藝制造。安裝的晶體管數(shù)量也增加了25%，從160億增加到200億。至于實(shí)際的硅尺寸，如圖 3 所示，M2比M1大了一個(gè)尺寸。兩個(gè)CPU核心都是8個(gè)核心（4個(gè)高速核心+4個(gè)高效核心）。

M2相比M1增加了2個(gè)GPU核心，并且有10個(gè)（10個(gè)核心）。此外，Neural Engine 的性能也從11TOPS提升到了15.8TOPS。內(nèi)存接口在很多方面都進(jìn)行了放大，比如從LPDDR4X加速到LPDDR5，讓它成為了名副其實(shí)的M2處理器。未來(lái)，將在此M2的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步演進(jìn)。

03.

圖4顯示了安裝在M2 MacBook Pro的顯示控制板上的顯示時(shí)序控制器TCON。

所有大型顯示設(shè)備肯定會(huì)使用 TCON（智能手機(jī)和智能手表除外）。

蘋(píng)果的許多產(chǎn)品都使用Parade Technologies（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Parade）的TCON（iPad也是如此）。

2021年發(fā)布的“24 英寸iMac”和 2022年發(fā)布的MacBook Pro的TCON使用的是 Parade的“DP855A”。雖然顯示器大小不同，但使用的是同一個(gè)TCON，很明顯蘋(píng)果產(chǎn)品的零件是通用的。順便說(shuō)一句，2011 年發(fā)布的MacBook的TCON是Parade的“DP615”。近10年來(lái)，Parade芯片一直在被蘋(píng)果使用。此外，雖然圖4中未顯示，但2011年發(fā)布的MacBook觸摸板IC是Broadcom的“BCM5976”。同樣的 BCM5976也用于2022款MacBook。還有其他用了10年的供應(yīng)商。

表3是過(guò)去11年MacBook型號(hào)的處理器和Thunderbolt接口芯片的相當(dāng)簡(jiǎn)短的列表（盡管我們幾乎每年都有該型號(hào)的數(shù)據(jù)）。

▲表3 MacBook外觀及主要處理器和Thunderbolt接口芯片列表 （來(lái)源：Techanarie 報(bào)告）

Thunderbolt芯片是從2011型號(hào)安裝的。從那以后，所有的Mac產(chǎn)品都使用了英特爾的Thunderbolt芯片。直到2020年5月發(fā)布的MacBook Pro，該處理器也還是由英特爾制造的。

自2020年11月發(fā)布的MacBook采用Apple M1以來(lái)，英特爾處理器就已停止使用，但許多蘋(píng)果產(chǎn)品繼續(xù)使用英特爾的Thunderbolt芯片。

不過(guò)，在2022年6月發(fā)布的MacBook Pro中，已經(jīng)換成了非英特爾的接口芯片。

04.

圖5顯示了MacBook Pro主板和主處理器M2。

▲圖5 2022年6月發(fā)布的MacBook Pro主板和M2處理器 （來(lái)源：Tekanariye Report）

M2處理器將DRAM整合到一個(gè)單獨(dú)的封裝中，并進(jìn)行了模塊化，使其成為繼“A12X”、“A12Z”和“M1”之后的第四款具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的蘋(píng)果芯片。右側(cè)有兩個(gè)DRAM，左側(cè)處理器側(cè)覆蓋有金屬LID用于散熱。金屬 LID 用粘合劑固定在處理器和封裝上，需要一些專(zhuān)業(yè)知識(shí)才能將其取下。電源IC安裝在板上處理器的上方和右側(cè)，進(jìn)行電源關(guān)閉和電壓波動(dòng)等處理。處理器和電源 IC 是芯片組的支柱，因此它們?cè)谌魏畏?Apple 系統(tǒng)中都非?？拷?。

圖6顯示了從板上拆下的M2處理器封裝的背面。與板子相連的端子（信號(hào)和電源）排列密集。終端數(shù)量超過(guò)2500個(gè)。

▲圖6 M2封裝背面（來(lái)源：Techanarie Report）

順便說(shuō)一句，目前在一個(gè)封裝中擁有最多硅的是蘋(píng)果2022年3月發(fā)布的“Mac Studio”中安裝的“M1 Ultra”。一個(gè)封裝內(nèi)嵌入了多達(dá)135塊硅片?。?/span>
隨著半導(dǎo)體小型化的推進(jìn)，管腳的數(shù)量趨于增加（并行化和電源增強(qiáng)）。因此，2D（尺寸）、2.5D、3D等封裝技術(shù)的演進(jìn)是必不可少的，但如何在功能性硅層壓的同時(shí)加入部件（電容器等）以保證特性和質(zhì)量？
未來(lái)，將制造諸如在硅中介層（用于布線(xiàn)的硅）中嵌入電容器等器件。甚至對(duì)M1 Ultra和最新的AMD 2.5D“Ryzen 7 5800X3D”的橫截面分析也表明，它不僅僅是功能上的進(jìn)化。為實(shí)現(xiàn)功能與特性并重，未來(lái)“多晶硅封裝”將繼續(xù)推進(jìn)。圖8是2020年以后蘋(píng)果產(chǎn)品（MacBook Pro、iPad Pro、iMac 24 英寸等）使用的M1和M2芯片開(kāi)口（剝線(xiàn)層）的照片對(duì)比。實(shí)際上，所有功能在照片中都清晰可見(jiàn)。▲圖8 比較M1和M2硅（來(lái)源：Tecanariye報(bào)告）

05.

蘋(píng)果借助內(nèi)部IP向前邁進(jìn)

蘋(píng)果已經(jīng)披露了M1和M2的制造工藝和晶體管數(shù)量。M1有160億個(gè)晶體管，M2有200億個(gè)晶體管，電路規(guī)模增長(zhǎng)25%。實(shí)際硅面積增長(zhǎng)率為23.8%，略低于電路規(guī)模。集成密度增加約1%。GPU從8核增加到10核，增加了被蘋(píng)果新命名為“媒體引擎”的8K處理功能，運(yùn)算單元數(shù)量增加。

算術(shù)單元由標(biāo)準(zhǔn)單元和最小單元SRAM組合而成，因此即使在硅中也具有最高的集成密度。在從M1到M2的演進(jìn)中，運(yùn)算單元中核心數(shù)量的增加和功能的增加占了大部分，因此整個(gè)硅片的集成密度趨于增加。M1 Pro和M1 Max也有更多的運(yùn)算單元（GPU等核心數(shù)量），所以集成密度略高于M1。與M1相比，M2在電路規(guī)模和集成密度上都得到了升級(jí)，當(dāng)然也在升級(jí)。

表4顯示了2020年發(fā)布的“iPhone 12”中使用的“A14”、2020 年發(fā)布的MacBook 中開(kāi)始采用的M1、2021 年發(fā)布的“iPhone 13”中的“A15”以及2022年的M2。是拆開(kāi)所有芯片封裝，剝?nèi)ゲ季€(xiàn)層，擴(kuò)大高性能CPU的一個(gè)核心的照片對(duì)比。

▲表4 蘋(píng)果處理器A14/M1/A15/M2對(duì)比（來(lái)源：Techanarie報(bào)告）

CPU內(nèi)部圖中可以看到的網(wǎng)狀部分是SRAM。黑色區(qū)域是排列邏輯單元的位置。SRAM由指令和數(shù)據(jù)組成。邏輯部分是純黑色的，但由于排列著數(shù)百萬(wàn)個(gè)邏輯單元，在照片的分辨率下看起來(lái)只是黑色。

A14和M1具有相同的CPU（形狀和大?。?，A15和M2具有相同的CPU。A14使用2個(gè)CPU，M1使用4個(gè)CPU，A15使用2個(gè)CPU，M2使用4個(gè)CPU。這張照片清楚地表明，蘋(píng)果正在理想地開(kāi)發(fā)一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)（內(nèi)部IP），該生態(tài)系統(tǒng)使用在同一家公司內(nèi)花費(fèi)時(shí)間和精力設(shè)計(jì)的資產(chǎn)。

筆者也曾在一家半導(dǎo)體廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)過(guò)CPU等多個(gè)IP，但即使在同一家公司內(nèi)，也有很多不同部門(mén)分開(kāi)開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)部IP的徹底轉(zhuǎn)換也在進(jìn)行中。由此可見(jiàn)，蘋(píng)果高度統(tǒng)一。

06.

蘋(píng)果產(chǎn)品內(nèi)部生產(chǎn)芯片的歷史

表5簡(jiǎn)要總結(jié)了蘋(píng)果產(chǎn)品的“內(nèi)部生產(chǎn)歷史”。雖然沒(méi)有在表中顯示，但蘋(píng)果也在內(nèi)部生產(chǎn)用于耳機(jī)和智能手表的Wi-Fi芯片、藍(lán)牙音頻芯片、UWB（超寬帶）通信芯片等。

▲表5 蘋(píng)果產(chǎn)品內(nèi)部生產(chǎn)芯片的歷史（來(lái)源：Techanarie 報(bào)告）

2010年，“iPhone 4”的“A4”處理器是內(nèi)部制造的，2020年，Mac的M1也是內(nèi)部制造的。2022年，Thunderbolt也將在內(nèi)部制造。內(nèi)部芯片組肯定在進(jìn)步。

作者在日語(yǔ)中將芯片組解釋為“同心圓”。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)擴(kuò)大圍繞處理器的圓圈來(lái)擴(kuò)大覆蓋范圍很重要。從處理器、電源IC甚至高速接口開(kāi)始，蘋(píng)果無(wú)疑正在擴(kuò)大其同心圓（芯片組）。

*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。