美國的「晶片內戰」:科技公司開到最後都是晶片公司?
儘管人人都能用手機,但PC 處理器依然是現代生活的運算中心:近20 億人每天打開個人電腦工作、學習。這些電腦裡的處理器再加上被裝在資料中心和超級電腦裡的數億顆PC 處理器在無形的資料世界裡計算著一切,從推薦影片、記錄股市交易,到分析戰場情報,找到下一個轟炸目標。
在過去20 年裡,這個重要的基礎設施的競爭格局長久地維持靜態。
上一場晶片大戰後,幾家頭部公司牢牢控制自己的位置。大多數時候,英特爾控制超過2/3 的市場,決定明年CPU 運算能力提升8% 還是10%;英偉達是在虛擬世界裡描繪畫面的首選,高通決定訊號如何在空氣中傳播。三年前,蘋果M1 晶片推出,一度以超越想像的性能打破平靜。但它的成功更被外界歸因於資本實力──果然只有錢最多的公司才可能造好晶片。
這一局面在過去一周幾乎被徹底改寫。並且向世界重複了一個樸素真理:純粹的商業世界裡,技術終會前進、壟斷不可能永遠持續,此前芯片市場的平靜不過是在等待技術積累。
七天以來,一場圍繞個人電腦的晶片戰爭在美國市場逐漸成形。至少有六家市值數千億美元的公司參與其中,向本來沒有競爭關係的公司、甚至是合作夥伴發動攻擊。
10 月25 日,高通發布筆記型電腦晶片Snapdragon X Elite,宣稱其性能超過蘋果的M2 Max 和英特爾的同級別處理器,還說要為世界上其他筆記型電腦製造商提供「與蘋果競爭的領先解決方案」。
同一天,蘋果預熱了新的發表會,並在本週二推出新的M3 系列處理器。以別無二家的3 奈米技術,刷新了筆記型電腦的性能基準。
同時,多家美國媒體通報了英偉達和AMD 的新計畫:研發高效能、低功耗的筆記型電腦晶片方案,在兩年內上市與蘋果、高通競爭。
新的競爭正在向同級別市場擴散。英偉達要用最新的車用晶片DRIVE Thor 解決從車內娛樂到自動駕駛的一切需求。特斯拉則像蘋果一樣,一顆一顆地將自家產品裡的晶片換成自己的晶片。
一場決定未來運算形態的晶片戰爭正在爆發,而戰場又回到了矽谷。
共同的方向:手機晶片反攻電腦、汽車、伺服器
不論蘋果的M3 系列、還是高通的Snapdragon X Elite,它們的結構看起來都不像是傳統電腦的晶片,而更像是手機晶片——雖然尺寸會比較大。
傳統的電腦中,不同公司生產的CPU、顯示卡、記憶體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 On a Chip,系統單晶片)-CPU、GPU、記憶體、控制器等處理器核心都整合在一個晶片封裝裡。在台積電的工廠裡就可以完成大部分生產工作。
類似的,英偉達下一代汽車晶片Thor 也轉向SoC 設計。對效能要求更高的伺服器晶片則是下一個突破目標。
轉捩點發生在2020 年底,蘋果發表採用SoC 設計的M1 晶片。一開始蘋果只在入門級的電腦裡使用了新處理器,但效能已經追上前一年的頂級配置英特爾處理器電腦,續航力還多出幾個小時。
前14 年,蘋果一直在Mac 電腦上使用英特爾的CPU。2015 年起,英特爾處理器的效能提升跌入個位數的百分比。這一度被視為摩爾定律行將就木的必然結果。
「SoC 裡,CPU、GPU、記憶體等運算單元距離最多不過1 厘米,可以透過晶圓直接互通,相比傳統透過外部的PCB 板的電路的方式,資訊傳輸效率會大幅提升,也能降低功耗」《晶片簡史》作者汪波博士說。
如果把電腦完成一項任務看做做菜,傳統的電腦中排程晶片就像是去不同的超市、攤位買食材,然後再做菜。SoC 相當於從冰箱拿食材做菜。而M1 晶片的「食材」 更豐富,蘋果針對人工智慧、影音編碼、加密儲存等一系列特定用途訂製了專用的運算單元,以更快解決常見問題。這些功能都需要和CPU 協作,縮短訊息傳輸距離相當必要。
第二年,蘋果陸續發表表現較好的M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra。《連線》雜誌稱這些產品「讓摩爾定律保持了活力」。
英特爾也早早意識到了產業轉移到SoC 的趨勢,並在2012 年推出了適用於智慧型手機和上網電腦的SoC 平台Atom,但它對英特爾x86 架構、自身晶片代工廠的依賴,都讓它與蘋果、高通等公司支持的Arm 架構+ 台積電競爭中捉襟見肘,最後在2016 年放棄嘗試。
「x86 屬於複雜指令集,基於它的CPU 性能強但功耗也大。GPU 同樣是高功耗的處理器,把它們放一起做SoC,散熱會是一個極大麻煩。」汪波說。
而且Windows 筆記型電腦市場品牌眾多、個人配置需求千變萬化,某種程度上也限制了英特爾,它要盡可能提供同時滿足多種需求、價格更低的CPU,很難像蘋果那樣快速迭代。
英特爾的CEO 帕特·基辛格(Pat Gelsinger)同樣意識到了蘋果的威脅,他在2021 年初告訴員工:「我們必須向PC 生態系統提供比一家生活方式公司更好的產品」。
但它面臨的對手不只蘋果。2020 年推出搭載M1 晶片的MacBook 後,蘋果在筆記型電腦市場的銷售份額增加了一倍到11%。M1 的成功讓高通等迫切想要進入的新公司們明確了接下來該怎麼做,以及找誰做。
技術門檻降低:晶片設計民主化、台積電解決製造
回頭看來,各種裝置上的晶片向SoC 進化是理所當然,但期間過程極為複雜。從組成晶片設計團隊到推出M1,蘋果花了12 年。
在此期間,蘋果透過高薪和併購網羅了曾在英特爾、高通、博通、Imagination 等晶片公司工作過的人才,進而一步一步將晶片裡的運算單元替換為自研產品。先是棄用Arm 公開發售的CPU 核心設計、再以自己的GPU 取代了Imagination 的設計,並自研了處理影像、編解碼音訊和視訊、加速人工智慧演算法、加密儲存等各種專用運算單元,推動著iPhone 晶片每兩年實現一次效能飛躍,才有了M1 超過英特爾晶片的可能。
一個偉大產品的誕生往往也是一場超長馬拉松結束。蘋果第一代Mac 電腦和第一代iPhone 發布後,大批工程師在短時間內離職。蘋果創辦人史蒂夫·賈伯斯和微軟創辦人比爾·蓋茲(微軟深度參與第一代Mac 的軟體研發)都將不只一次在訪談中提及這樣的離職潮,來說明自己的團隊付出了多麼超常的努力,最後工作到力竭。
蘋果晶片工程師則發現,一場馬拉鬆的結束是下一場的開始。
根據The Information 報導,蘋果內部的晶片專案數量在過去十年中從個位數增加到幾十個,但員工人數卻沒有以同樣的速度成長。
本週的發表會就是蘋果工程師負擔持續加重的例子。M1 系列晶片有四個規格,但蘋果工程師只做了兩個完整設計——M1 和M1 Max,發布相隔近一年。M1 Pro 是M1 Max 的縮水版,而M1 Ultra 是M1 Max 的拼接版。而本週蘋果則同時發表了三個完全不同的設計——M3、M3 Pro、M3 Max。這讓M3 Pro 可以尺寸更小更便宜,M3 Max 可以追求極致性能。蘋果的晶片更精確地服務了不同價位段的產品,但增加了晶片團隊的工作量。
M1,M1 Pro/Max 是兩個設計;M3、M3 Pro、M3 Max 用了三個設計。
一位蘋果晶片工程師在接受採訪時稱,為了滿足公司各個產品線迅速、穩定且大幅迭代晶片的需求,蘋果的晶片工程師每週工作近80 個小時——996 不過是72 小時,通常還有午休——才能準時完成任務。
根據多家媒體統計,過去兩年有數百名蘋果晶片工程師離職。他們也把做高效能處理器的經驗擴散開來。
2019 年,蘋果晶片部門平台架構資深總監傑拉德威廉斯三世(Gerard Williams III)主導創辦了晶片公司NUVIA。他於2010 年加入蘋果,此前在Arm 工作了12 年。在蘋果的9 年,帶隊開發了蘋果所有SoC 的CPU,也是蘋果M1 Pro、M1 Max 的首席架構師。
與他一起創辦NUVIA 的另外兩位晶片專家分別是:約翰·布魯諾(John Bruno)和馬努·古拉蒂(Manu Gulati),都有豐富的晶片工作履歷。
根據NUVIA 官網介紹,這批蘋果晶片元老的目標是開發性能更強的CPU,處理指數級增長的數據和不斷增長的需求。他們的技術路線與蘋果一致——從頭設計一款兼容Arm 生態的CPU 核心。
M1 系列成功後,NUVIA 得到了一群大型科技公司的收購邀約。2021 年,高通從微軟、英特爾、Meta 等公司競爭中勝出,花費14 億美元收購。三位NUVIA 創辦人能從這筆交易中獲得數億美元收入——比蘋果CEO Tim Cook(Tim Cook)的年收入還高。
NUVIA 團隊帶著上百名員工加入高通,其創始團隊均擔高通的高階主管。兩年不到,高通新處理器的效能已經超過蘋果M2 系列。
曾經限制一家公司製造出高性能晶片的還有製造。在晶片60 多年歷史的大多數時間,掌控了晶片製造工廠基本上就等於掌控了晶片本身,英特爾一度靠著獨佔的先進晶圓廠壟斷了晶片市場,競爭對手即使能設計出好的晶片,也沒辦法用先進技術造出來。
直到2017 年,英特爾建立的晶片垂直整合體系開始出現裂縫。靠著龐大的iPhone 訂單和蘋果每兩年大幅迭代晶片性能的要求,台積電的晶片製造流程迅速超過英特爾。這一年,當台積電造出10 奈米製程晶片時,英特爾還在使用14 奈米製程。之後幾年,台積電按照穩定節奏推動7 奈米、5 奈米晶片變成現實,保持領先。
相同製程下英特爾的x86 架構晶片效能好過SoC 晶片中普遍使用的Arm 架構,但雙方製程的差距給Arm 方案補上了效能短板。蘋果在2020 年發布的M1 晶片使用了5 奈米的工藝,而同年英特爾的筆記型電腦晶片還停留在10 奈米(晶體管密度與台積電7 奈米製程相當)。
台積電的公開代工屬性決定,任何一家希望做晶片的公司,不用大幅投入就能獲得頂尖的製造流程。高通的X Elite 緊跟著蘋果使用了4 奈米工藝,雖然比最新的M3 使用3 奈米有一些差距,但已經超過了M 系列的其他產品。
研發晶片不只有錢,還得能靠晶片持續賺錢
晶片研發需要不間斷的龐大投入,所以這也是為什麼挑起競爭的總是那些巨人。巨頭們不僅需要資深的晶片管理者,還需要數百上千的工程師團隊。因此,研發人員和工程師的薪資、福利是研發投入的一大部分。
2019 年開始,原本每年「只」 願意投50 多億美元做研發的高通,研發費用以大約每年10 億美元的規模遞增。在截至今年第三季的12 個月裡,累計研發投入近90 億美元。
支撐這些公司如此密集投入的原因各不相同,但本質上它們都有非常穩定的「稅」 收,才有機會藉著晶片技術帶來的性能提升,帶來更多收入,形成良性循環。
蘋果每年賣出2 億多支iPhone,每自研一個晶片不僅提升產品競爭力,還能拿走原本屬於晶片供應商的利潤。同時它的晶片又被用於電腦、手錶、耳機、以及Vision Pro。
高通依靠自己在行動通訊領域擁有的大量專利和領先地位,從幾乎每一部智慧型手機收稅—— 也包括蘋果。根據分析機構計算,蘋果每賣出一部iPhone 就要向高通支付13 美元的無線專利授權費和25 美元的基頻晶片費用。每一年高通光是向蘋果收取的「稅」 差不多就撐得起全年研發費用。高通再把這些費用來研發更先進的驍龍晶片,讓更多設備商離不開它。
類似的,AIGC 和大模型的需求爆發意味著,計算廠商和AI 新創公司未來幾年都需要大量採購英偉達GPU。英偉達有了可靠的現金流,可以支援自研CPU,在汽車和電腦市場更進一步。
一旦離開瞭如此高關聯度的主業支撐,再有錢的大公司也要認真算賬。Google 2016 年就想為自己的Pixel 手機自研SoC,之後從高通挖來SoC 工程師史蒂夫·莫洛伊(Steve Molloy)擔任晶片主管,在印度招募了大量晶片工程師。
但Pixel 系列手機發表至今7 年,全球累積出貨量為3,790 萬部,仍趕不上iPhone 一個季度的銷售量。Google 的創辦人早已將權力分給CFO,不會給沒有回報前景無限資源。Google 自研Pixel 晶片的量產計畫已延至2025 年。
同樣不順的還有Meta。Meta 於2018 年組建了一個名為Facebook Agile Silicon Team 的晶片團隊,希望從易到難設計晶片,最終在Quest 系列虛擬實境設備用上自研晶片。但Quest 持續虧損,於是Meta 將客製化晶片的設計任務先後外包給了三星和聯發科,最後放棄客製化晶片,直接購買高通XR 晶片。
Meta Quest 2 已經是迄今最暢銷的XR 設備,一年也不過賣1000 萬台左右。蘋果即將發售的Vision Pro 初期銷量不會比它好,但其所需的晶片研發成本,早已被年銷2 億部的iPhone 和2,600 萬台的Mac 攤薄。
AI、汽車和XR,新的需求、新的稅收機會
大約60 年前,美國加州舊金山灣區南部的一串小城開始被稱為「矽谷」。這裡有一批企業推動了電晶體和積體電路的應用,催生晶片產業。他們的第一批客戶是政府和軍隊。
1980 年代後,隨著電腦普及、網路誕生,消費者、企業取代政府機構成為矽谷的最大客戶。蘋果、英偉達、Google、Meta 等科技公司在此誕生。科技巨頭們盤踞一方,賺走各自產業的大多數利潤,也離「矽」 越來越遠。一度,美國最重要的科技公司都專精於軟體或網路。
如果晶片需求依舊停留在現有影片、表格、遊戲,無論蘋果、高通,或是英偉達、AMD,可能都不會如此全力以赴。但AI、汽車和XR 催生出新的運算需求,而消費性電子市場的停滯則加劇了競爭的緊迫性——每家公司都需要擠出更多利潤。
目前AI 已經有一些實際應用誕生。微軟想把名為「Copilot」 的AI 助理塞進Office 365、Bing 搜尋、Outlook 郵件等幾乎一切生產力工具裡;蘋果在用Transformer 模型改進輸入法(中文還不行);Adobe 的AI 工具Firefly 也將整合進Photoshop、Illustrator、Premiere 等設計軟體當中。
但是訓練和推理大模型的算力資源消耗和成本非常誇張。無論是自己採購GPU、還是向雲端運算商租用伺服器,提供AI 服務的公司都面臨嚴重的算力短缺和昂貴的營運成本。透過大模型普及的必經之路是用上每台電腦、每支手機的處理器。
這也是為什麼從高通到蘋果的發表會,都在強調新的晶片可以更好地支援行動裝置本地跑大模型。蘋果稱M3 Max 能夠支援運行包含數十億各參數規模的Transformer 模型;高通則表示,首款搭載驍龍X Elite 的PC 將支援130 億參數模型的本地推理。
在可預見的未來,個人電腦仍是最重要的生產力工具。產業研究機構Counterpoint 預計,AI 將為已經消沉多年的PC 市場注入新的活力,到2026 年,全球AI PC 的滲透率將超過一半。在這個市場,蘋果要用晶片留住最願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、英偉達則要從GPU 做到CPU,拿走更多PC 廠商的利潤,三家公司在這裡碰撞。
另一個潛在市場需求來自XR。很難說這會是多大的市場,但蘋果今年發布的Vision Pro 已經為其它廠商指明了方向—— 借助屏幕“透視” 功能實現擴增實境(AR)效果。要讓它的視覺體驗達到我們已經習慣的「視網膜」 標準,需要單眼螢幕解析度達到6K。
Vision Pro 目前還只有4K,已經需要把M2 晶片戴在頭上,再加一顆R1 晶片即時處理感測器訊息,內建風扇、外接電池。在6K 精度下的即時渲染複雜畫面,需要今天各家晶片所無法達到的效能和功耗。
汽車對於晶片算力的需求也在成長。隨著電動化和智慧化的加快,以及智慧座艙和自動駕駛的普及,這些「輪子上的資料中心」 吸引了一群晶片廠商的進入。汽車晶片也已經從原來通用、分散的單一功能晶片轉向整合的多功能SoC。
早前高通已經藉用驍龍8155 將7 奈米先進製程帶入汽車晶片;而英偉達去年發布的下一代SoC 晶片Thor,單片算力最高可以達到2000 TOPS,是其現款產品Orin 的近8 倍。高通要參與自動駕駛、英偉達則要做汽車的主晶片,特斯拉則不希望依賴其中任何一家。
新的環境驅動著這些科技公司轉向晶片之爭,而晶片之爭很可能將決定之後誰才是科技公司。