蘋果第一顆芯片背後的故事

當前，蘋果用於iPhone、iPad、Mac的自研SoC芯片，是這家庫比蒂諾科技巨頭競爭優勢的關鍵。

這些SoC中使用的處理器與 Arm 指令集兼容，但由 Apple 設計，其性能始終優於競爭對手的設計。

蘋果是 Acorn 創始人赫爾曼·豪瑟 (Herman Hauser) 格言的現代典範，Acorn 是蘋果在最初的Arm合資企業中的合作夥伴，“未來將有兩種類型的計算機公司，一種是具有芯片設計能力的公司，另一種是已經死亡的公司”。

翻看歷史，蘋果的造芯之路並非一帆風順，有大大小小的波折，也有力挽狂瀾的正確舉措。本文就來看看蘋果公司首次嘗試設計自己的處理器的故事和經歷。

蘋果決定开始自研芯片

這已經是在第一代 iPhone 出現之前二十多年的故事了。

隨着20世紀80年代的進展，幾乎每個半導體制造商和計算機制造商都感到需要擁有自己的處理器設計。

那是1982年，David Patterson 和加州大學伯克利分校的同事構建了兩種可用的 RISC 微處理器：RISC-I 和 RISC-II。那時，他們發表的論文表明，這些設計的性能超過了一些領先的復雜指令集計算機 (CISC) 設計，包括 VAX 11/780 小型計算機。

伯克利的這項工作得到了國防高級研究計劃局 (DARPA) 的支持，作爲其超大規模集成 (VLSI) 計劃的一部分。這種支持包括資助構建設計工具和支持 VLSI 制造服務 MOSIS 的工作。

DARPA還資助了斯坦福大學的RISC設計工作。與伯克利RISC項目的情況一樣，斯坦福大學的團隊發表了大量論文。這些再次表明 RISC 可以勝過當時領先的CISC微處理器，例如Motorola 68000。

伯克利分校和斯坦福大學的論文公开了RISC背後的想法，並揭示了 RISC 設計可以實現的性能。人們自然對RISC的興趣开始迅速增長。

伯克利和斯坦福故事的另一個特點是，他們僅使用一班研究生一年的時間就成功地生產出了具有相當競爭力的微處理器。

但很快，RISC迎來寒武紀大爆發。IBM、伯克利、斯坦福MIPS、惠普、AMD、摩托羅拉、德州儀器等幾乎每個對半導體制造感興趣的人都开始研發並擁有了自己的RISC設計。

但這些簡單的設計可以勝過大公司復雜而昂貴的計算機的想法並不總是受歡迎。爲此業界展开了一場長達數十年、有時甚至是激烈的關於 RISC 與 CISC 優劣爭論的开始，這一爭論一直持續到今天。

Mac 於 1984 年推出，採用 Motorola 68000 處理器。到 1986 年，Apple 以及其他制造 MC68000機器的公司已經看到了使用一種新型 RISC 處理器設計的性能優勢。

摩托羅拉 68000 處理器

1986年，採用MC68000 處理器的Mac乍看依然強勢，但 RISC風潮興起後（MIPS R2000 登場於1985年），以及行業巨頭英特爾的步步緊逼，摩托羅拉的芯片开發進度逐漸落後競爭對手，這直接拖累了蘋果的產品競爭力。

在這個背景下，蘋果也不例外的加入到自研芯片的隊伍當中。

史蒂夫·喬布斯 (Steve Jobs) 於 1985 年離开蘋果公司，蘋果公司當時由首席執行官約翰·斯卡利 (John Sculley) 管理。Mac部門的負責人 John-Louis Gassée 和 Sculley 被說服，蘋果應該通過自研處理器來控制自己的命運。

根據Gassée的說法：“Apple 工程師 Sam Holland 提出了另一個更長遠的想法：讓我們爲未來的 Apple 個人電腦开發一款我們自己的四處理器，該處理器將大大超過英特爾和摩托羅拉芯片开發的發展速度，從而保證 Mac 處於行業頂峰的地位。”

Holland被任命負責蘋果先進技術小組內的這個項目，即“水瓶座計劃（Project Aquarius）”。該處理器的架構被稱爲天蠍座（Scorpius Architecture）（靠近銀河系中心的星座），最初的實現被稱爲心宿二（這是天蠍座中最亮的恆星）。

使用Purple Cray進行設計

Cray對Apple使用Cray X-MP感到非常興奮。

在John Sculley的支持下，水瓶座項目獲得了廣泛的資源。

一度有超過50名員工參與設計。爲了進行模擬和其他設計任務，Sculley允許該項目購买一台Cray“超級計算機”。事實上，據傳說，Sculley本人第一個給Cray銷售團隊打電話。

據報道，Cray X-MP/48Cray X-MP/48耗資 1500 萬美元，安裝在其自己的專用大樓內，並在創紀錄的時間內完成了准備工作：“對於熟悉這個通常漫長過程的人來說，蘋果公司迅速獲得一台超級計算機似乎是一個奇跡。但我們對超級計算機能力的需求是明確的，而且公司內部缺乏官僚障礙，大大加快了這一進程。因此，Apple擁有迄今爲止最快的Cray系統安裝之一，僅用了六周時間就准備好了安裝地點。”

在這六周的大部分時間裏，工作人員三班倒、每周7天、每天24小時工作，爲系統准備機房。工作人員對建築物進行了內部清理，安裝了冷卻塔、冷凍水和高壓氟利昂管道、電线、空調、牆壁和假地板。

Aquarius項目本來應該是祕密的，但對於包含Cray這樣昂貴的計算機的專用建築來說，保密很難維持。好像新的Cray還不夠顯眼，它甚至還有自己獨特的顏色——紫色。爲了維持這種詭計，蘋果公司的管理層編造了一個幌子，稱該機器被用來爲下一代Mac電腦开發“可視化界面”。

一個敘述讓我們感受到了涉及Mac、Sun工作站、VAX小型機以及Cray的設置的復雜性：“Hyperchannel通過VAX-11/785、VAX-11/780和Sun/2將Cray連接到Apple Macintoshes的多個網絡。Mac通過AppleTalk與以太網串聯連接到VAX和Sun。以太網和AppleTalk通過Kinetics Inc的轉換器系統橋接。”

從紙面上看，Cray在那個時代看起來非常強大：高端系統是X-MP/48，它包含四個CPU，理論峰值系統性能超過800 MFLOPS和800萬字內存。

但存在多個問題。首先，設計Aquarius芯片所需的軟件在Unix下運行。因此，Apple機器成爲世界上第一台運行Unix的Cray安裝，特別是來自AT&T的Unix System V，Apple與AT&T合作設計了新處理器。

其次，Cray是一台“向量機”，旨在快速運行某一類程序：那些可以分解爲更小的任務並並行運行的程序。這不是一種可以輕松應用於水瓶座團隊所需任務的方法。在適當的時候，該團隊發現他們連接到超級計算機的Sun工作站可以像Cray本身一樣快速地運行他們的軟件。

天蠍座架構（Scorpius Architecture）

當其他公司效仿伯克利分校和斯坦福大學的开創性RISC設計時，蘋果公司卻走了一條不同的路线。

Aquarius的第一個版本根本不是RISC，而是堆棧架構設計。該設計沒有使用傳統的緩存，而是嚴重依賴軟件和編譯器來管理在需要時進出處理器的內存傳輸。當編譯器團隊表示不可能通過構建軟件來完成此任務時，設計改爲更傳統的RISC設計。

但即使在這些變化之後，Aquarius的設計仍然新穎且雄心勃勃。來自Scorpius規範的最新版本：“Scorpius是一種緊耦合的多處理器CPU，對細粒度並行性提供高效支持；該架構的开發是爲了利用單芯片VLSI實現的互連性。Scorpius旨在成爲用最少數量的組件構建的高性能個人計算機系統的處理元件。Scorpius CPU包含四個獨立處理單元 (IPU)，它們共享對單獨指令和數據緩存的訪問、一個內存管理單元和一個內存/總线接口。”

獨立處理單元（IPU 或 PU）是現代意義上的處理器核心：IPU 有一個小型的面向寄存器的指令集，其中對內存的所有數據訪問都是通過寄存器加載和存儲指令完成的。（寄存器和字大小爲 32 位。）每個 PU 有 16 個通用寄存器（CPU 總共有 64 個）和 7 個本地寄存器。本地寄存器包括乘積、余數、前綴和各種狀態保存寄存器。此外，4個PU共享8個全局寄存器。包括中斷、事件計數器和全局狀態寄存器。

Holland的背景是超級計算機，這或許影響了他購买Cray的決定。它可能也影響了Aquarius的設計，它就像超級計算機一樣，專注於具有多種並行執行模式的並行計算。例如，它具有單指令多數據（SIMD）模式：這種模式對應於通常的並行處理視圖：每個PU對不同的數據流執行相同的操作。

這一切看起來都非常具有前瞻性，但蘋果能打造出Aquarius嗎？

Aquarius Sinks

Scorpius設計中包含的所有新功能意味着它們失去了RISC方法的關鍵優勢之一：簡單性。加州大學伯克利分校和斯坦福大學以及英國Acorn的小團隊在一年多的時間裏成功設計和構建了可用的RISC處理器。在蘋果公司，即使擁有五十人的團隊，設計也難以取得進展。

盡管有CEO Sculley和Gassée 強力支持，Aquarius計劃也理所當然引起爭議，不僅需大量投資研發，更有不少員工不相信蘋果有足夠技術能力做出如假包換的產品，意思就是「蘋果再有錢也做不出來」。Holland 制定的「Scorpius」處理器架構，就如英特爾「單芯片大型主機」iAPX 432，更造成當時經驗最豐富的大型芯片設計公司也難以克服（就算今天大概也解決不了）的諸多技術難題。

到了1988 年，Aquarius計劃依舊停在紙上談兵的「簡報王」階段，失去耐心的CEO Sculley 撤換Holland，取而代之的是雅達利 (Atari) 視頻遊戲“乒乓球”(Pong) 的創造者、現在是蘋果公司研究員的阿爾·奧爾康 (Al Alcorn)，他是蘋果公司最高級的工程職位。

根據Alcorn的說法：Scorpius變得越來越難看，毫無緩慢。還有人問我，我會接手這個項目嗎？這被認爲是職業自殺。這太糟糕了，他們意識到，作爲一名蘋果研究員，我沒有什么可以證明的，所以我可以接手這樣的案子。我對非常聰明的人很感興趣，並試圖挽救這個項目。

Alcorn又從Ridge計算機公司招募了Hugh Martin，後者是早期32位RISC處理器設計的創造者。據報道，Martin稱Scorpius的設計對於Alcorn和Sculley來說都是“荒謬的”。蘋果最好專注於自己的優勢，而不是試圖與英特爾和摩托羅拉等行業巨頭競爭。

如今回頭去看，據1989年公布的文檔披露，Aquarius計劃這顆名爲Scorpius的CPU在規劃上比較獨特和激進，包括4核心、SIMD支持，還有多處理器互聯通訊特性等，種種設計無不是超越當時時代十年以上的先進思路，但畢竟Aquarius計劃是1980 年代產物，也勢必受那時某些觀念包袱拘束。

最終，Alcorn意識到這是毫無希望的，盡管“那裏有非常非常聰明的人”。他於1989年結束了Aquarius項目。

此後，Sculley 聘請Martin 設計採用現有RISC 處理器的全新Mac 產品线，領導的“捷豹”（Jaguar）計劃和另一位資深工程師Jack McHenry 的“幹邑”（Cognac）計劃，成果是改用Motorola MC88100 處理器的試作型Mac，操作系統也是基於Mach 微核心的Unix。類似MotorolaMC88000與MC68000的政治鬥爭，RISC 化的Mac 也不見容既有MC68000 體系Mac 的工程團隊，對蘋果來說，不幸的是Sculley 沒有能力解決組織爭鬥，讓此案功敗垂成，卻也奠定日後Power Mac 的基礎，包含PowerPC 處理器執行的MC68000 模擬器。

而至於現在闲置於蘋果舊總部綠谷的Cray超級電腦，拿去做知名《Pensil Test》動畫後，就如蘋果最初搪塞投資人的借口，挪去給工業設計團隊做機構建模。

對於如此強大的機器來說，這很難不說是一個“可惜”的結局。

歷史並沒有記錄該項目是否真的制造出了任何實際的硅。缺乏任何記錄或提及原型表明他們從未構建過一個可用的系統。

Aquarius失落的時代？

站在2020年代的角度來看，這似乎是一個失去的機會。如果一家小公司Acorn能夠在1985年設計自己的RISC處理器，那么蘋果公司如果構建更簡單的RISC設計也能做到。或許，我們現在使用的Mac電腦採用的是Apple已連續使用超過35年的最新版本架構。這些處理器甚至可能讓蘋果在20世紀90年代最困難的歲月中更具競爭力。

也許，試圖改寫歷史總是危險的。蘋果此時不需要自己的CPU設計。68000將被PowerPC RISC架構取代，蘋果將獲得IBM和摩托羅拉的資源，這可能是比Aquarius更好的結果。

不過引用Gassée的話：盡管處理器开發工作沒有產生直接成果，但Aquarius項目是蘋果始終渴望控制其硬件未來的早期例子...

正是這種持久的愿望爲我們帶來了2020年代的Apple Silicon。

另一方面，蘋果也從一連串“偉大的實驗”中得到了慘痛教訓，莫過於——自己做不出來還不如找人一起合作。這一理念不知不覺推動了歷史巨輪，環環相扣，與Apple Silicon 的起源有千絲萬縷淵源。

1990年11月，蘋果、Acorn RISC Machine（最初的ARM 全名）和VLSI 共同組建Advanced RISC Machines（現在的ARM，1998 年IPO 後改名ARM Ltd.）公司，蘋果擁有高達43% 股份。1993 年著名的失敗作Newton MessagePad 是蘋果第一個使用ARM 處理器的產品。

彼時，ARM 改變業務策略，轉做技術授權，帶頭逐步建立無晶圓廠芯片設計公司、晶圓代工廠和電子輔助設計（EDA）工具「三位一體」，也是現在我們熟悉的半導體產業樣貌。但由於蘋果1990 年代財務不佳，陸陸續續出脫ARM 股票。

時間來到1990年，蘋果眼見自己做處理器毫無指望，老夥伴Motorola 的RISC大冒險之路又走得險象環生，一度對充滿傳奇色彩的效能王者DEC Alpha 處理器深感興趣。但蘋果被DEC 拒絕是一回事，看到Apple Newton 進入市場，讓DEC 產生進軍低功耗處理器的念頭，那又是另一回事。

DEC主動接洽蘋果，詢問是否對高效能ARM 處理器感興趣，只得到“你們做不到，但如果你們能做，我們可能會用”的曖昧回覆，於是DEC 跟ARM 一拍既合，“最強ARM處理器”StrongARM就這樣誕生了，並成爲了後來英特爾的XScale。2006年，XScale被Marvell接手就是後話了。

能看到，蘋果第一顆芯片的故事，最終以失敗收場。胎死腹中的自研處理器計劃，也成爲了那個時代蘋果的縮影。

從第一款失敗作“水瓶座（Aquarius）”算起，蘋果用30多年時間，經過PowerPC架構、A系列，再到M1，打造了從移動端到PC的完整產品线，也事實上成爲了一個強大的“芯片帝國”，而它的成長曲线和策略，可能是值得業內公司學習的。