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2022-08-29 14:30
2022 年 6 月,蘋果發佈了採用新處理器「Apple M2」的「MacBook Pro」和「MacBook Air」。*個發佈的是 MacBook Pro 13 英寸版本。
圖1為MacBook Pro 13英寸版的包裝盒、上下部件外觀、拆下下蓋的外觀。無論是「iPhone」、「iPad」還是「MacBook」,蘋果產品無論是「iPhone」、「iPad」還是「MacBook」,無論是外形還是結構,都與過去的產品幾乎相同。
來源:Techanarie Report
新款 2022 款 MacBook Pro 的結構與之前相同,只需卸下大約 10 顆螺絲即可輕松卸下底蓋。(1)圖1右上角是3CELL電池,(2)是立體聲喇叭,(3)是熱管和風冷風扇,(4)是主處理器板,處理器板下方是鍵盤,(5))表示Wi-Fi天線,(6)表示具有TAPTIC功能的觸摸板。電池幾乎佔了一半,*板尺寸為202mm x 83mm。
表 1對比了 2020 年 11 月發佈的 MacBook Pro,*配備了「Apple M1」,以及 2022 年 6 月發佈的 MacBook Pro,*配備了 M2。
表 1 2022 年 6 月發佈的「MacBook Pro」外觀
來源:Tekanariye 報告
拆下底蓋,對比一下板子的正反面,你會發現它們幾乎是一樣的。每一個的內部排列、大小和形狀幾乎相同,佈線路線也相同。類似地,基板具有幾乎相同的尺寸、形狀和芯片佈局。大街上都説「處理器剛從M1換成M2」,其實也確實如此。您不能僅通過卸下底蓋來判斷。
但是,如果仔細看,電容的位置和數量是不同的,所以很明顯這兩個板是不同的。兩者價格都在 20 萬日元以下,但 2022 年款比 2020 年款高出 20% 左右。有處理器成本增加(同時功能增加)和內存性能提高等成本增加因素,但很可能也包括由於世界形勢的變化而導致的成本增加。
圖 2顯示瞭如何拆卸基板。許多電線從電路板進出到觸摸板、鍵盤、顯示器、揚聲器、電池、外部端子等。卸下它們並擰下將它們連接到框架的螺釘,您就可以取出電路板。
來源:Tekanariye 報告
在基板上添加加強金屬、散熱用熱管(散熱器)、散熱片、金屬框架等。散熱器採用覆蓋整個處理器部分的結構,並通過熱管與風冷風扇連接以釋放熱量。風冷風扇體積小,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 處理器幾乎出現在電路板的中央。處理器右側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,優化處理器的供電。散熱片的第三部分(板子右側)是一個接口IC。
M1/M2 的處理器和外圍芯片對比
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果。
表 2 MacBook Pro with M1 和 MacBook Pro with M2 主要芯片對比
來源:Techanarie Report
處理器類型名稱已從「APL1102」更改為「APL1109」並且有所不同。與處理器結合的兩顆電源IC也有不同的型號名稱(拆開芯片后對比過內部)。
*的區別是與處理器配對的 DRAM。M1採用LPDDR4X,M2採用高速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製造,但容量有所增加,是一個單獨的芯片。部分接口芯片和功率半導體也已更換。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、音頻編解碼器、NFC(近場通信)控制器、運動傳感器、電池充電器IC等在2020和2022版本中完全相同。由於端子位置和尺寸相同,看來只更換 2020 款 MacBook Pro 主板和 2022 款 MacBook Pro 主板就可以升級到 M2 版本。
比較 M1 和 M2
圖3是處理器M1和M2的比較。我們已經完成了M2的芯片開孔,但是硅片開孔照片省略了。
來源:Tekanariye Report
M1 基於臺積電的*代 5nm 工藝製做,而 M2 則基於改進的*代 5nm 工藝製造。安裝的晶體管數量也增加了 25%,從 160 億增加到 200 億。至於實際的硅尺寸,如圖 3 所示,M2 比 M1 大了一個尺寸。兩個CPU核心都是8個核心(4個高速核心+4個高效核心)。
M2 相比 M1 增加了 2 個 GPU 核心,並且有 10 個(10 個核心)。此外,Neural Engine 的性能也從 11TOPS 提升到了 15.8TOPS。內存接口在很多方面都進行了放大,比如從LPDDR4X加速到LPDDR5,讓它成爲了名副其實的M2處理器。未來,將在此M2的基礎上實現進一步演進。
英特爾的Thunderbolt芯片終於消失
圖 4顯示了安裝在 M2 MacBook Pro 的顯示控制板上的顯示時序控制器 TCON。
來源:Techanarie 報告
所有大型顯示設備肯定會使用 TCON(智能手機和智能手錶除外)。
Apple 的許多產品都使用 Parade Technologies(以下簡稱 Parade)的 TCON(iPad 也是如此)。
2021 年發佈的「24 英寸 iMac」和 2022 年發佈的 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TCON,很明顯蘋果產品的零件是通用的。順便説一句,2011 年發佈的 MacBook 的 TCON 是 Parade 的「DP615」。近 10 年來,Parade 芯片一直在被蘋果使用。此外,雖然圖 4 中未顯示,但 2011 年發佈的 MacBook 觸摸板 IC 是 Broadcom 的「BCM5976」。同樣的 BCM5976 也用於 2022 款 MacBook。還有其他用了10 年的供應商。
表 3是過去 11 年 MacBook 型號的處理器和 Thunderbolt 接口芯片的相當簡短的列表(儘管我們幾乎每年都有該型號的數據)。
表 3. MacBook 外觀及主要處理器和 Thunderbolt 接口芯片列表
來源:Techanarie 報告
Thunderbolt 芯片是從 2011 型號安裝的。從那以后,所有的 Mac 產品都使用了英特爾的 Thunderbolt 芯片。直到 2020 年 5 月發佈的 MacBook Pro,該處理器也還是由英特爾製造的。
自 2020 年 11 月發佈的 MacBook 採用 Apple M1 以來,英特爾處理器就已停止使用,但許多蘋果產品繼續使用英特爾的 Thunderbolt 芯片(2022 年 3 月發佈的「Mac Studio」也是英特爾製造的)。
不過,在 2022 年 6 月發佈的 MacBook Pro 中,已經換成了非 Intel 的接口芯片。英特爾終於隨着 M2 版 MacBook Pro 消失了。
M2」處理器看起來一樣,但內部卻「不同」
圖 5顯示了 MacBook Pro 主板和主處理器 M2。
來源:Tekanariye Report
M2處理器將DRAM整合到一個單獨的封裝中,並進行了模塊化,使其成為繼「A12X」、「A12Z」和「M1」之后的第四款具有類似結構的蘋果芯片。右側有兩個DRAM,左側處理器側覆蓋有金屬LID用於散熱。金屬 LID 用粘合劑固定在處理器和封裝上,需要一些專業知識才能將其取下。電源IC安裝在板上處理器的上方和右側,進行電源關閉和電壓波動等處理。處理器和電源 IC 是芯片組的支柱,因此它們在任何非 Apple 系統中都非常靠近。
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(信號和電源)排列密集。終端數量超過2500個。
來源:Techanarie Report
近年來,處理器和內存的並行化程度提高,由於電壓降低,電源必須加強,因此需要大量的 GND 引腳。因此,許多封裝有超過 2000 個引腳。有些封裝有超過 7000 個引腳。
M2有超過2500個球,球尺寸為0.28mm,間距為0.5mm。球形排列有四個孔,在這些部分中嵌入了帶有左下角端子的硅電容器。雖然有嵌入陶瓷電容器的案例(例如高通和聯發科),但許多蘋果處理器都嵌入了硅電容器。這四個電容器直接位於處理器的 DDR 接口上方,用於提高 DRAM 和處理器之間的效率。
圖 7顯示了 M2 封裝中所有的芯片。圖 6所示的另外兩種類型的硅電容器也包含在內。右邊的 DRAM 堆疊了 4 片或 8 片(用户可以根據產品規格選擇 8GB 到 24GB 的 DRAM 容量),即使是最小的配置也有 8 片 DRAM 硅片。由於總共有 1 個處理器、8 個 DRAM 硅和 11 個硅電容器,因此 M2 封裝中總共有 20 個die。
來源:Tekanariye Report
順便説一句,目前在一個封裝中擁有最多硅的是蘋果 2022 年 3 月發佈的「Mac Studio」中安裝的「M1 Ultra」。一個封裝內嵌入了多達 135 塊硅片!!
隨着半導體小型化的推進,管腳的數量趨於增加(並行化和電源增強)。因此,2D(尺寸)、2.5D、3D等封裝技術的演進是必不可少的,但如何在功能性硅層壓的同時加入部件(電容器等)以保證特性和質量?
未來,將製造諸如在硅中介層(用於佈線的硅)中嵌入電容器等器件。甚至對 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化。為實現功能與特性並重,未來「多晶硅封裝」將繼續推進。
圖 8是 2020 年以后蘋果產品(MacBook Pro、iPad Pro、iMac 24 英寸等)使用的 M1 和 M2 芯片開口(剝線層)的照片對比。實際上,所有功能在照片中都清晰可見。
來源:Tecanariye 報告
Apple 藉助內部 IP 向前邁進
蘋果已經披露了 M1 和 M2 的製造工藝和晶體管數量。M1有160億個晶體管,M2有200億個晶體管,電路規模增長25%。實際硅面積增長率為23.8%,略低於電路規模。集成密度增加約1%。GPU從8核增加到10核,增加了被蘋果新命名為「媒體引擎」的8K處理功能,運算單元數量增加。
算術單元由標準單元和最小單元 SRAM 組合而成,因此即使在硅中也具有*的集成密度。在從M1到M2的演進中,運算單元中核心數量的增加和功能的增加佔了大部分,因此整個硅片的集成密度趨於增加。M1 Pro和M1 Max也有更多的運算單元(GPU等核心數量),所以集成密度略高於M1。與M1相比,M2在電路規模和集成密度上都得到了升級,當然也在升級。
表 4顯示了 2020 年發佈的「iPhone 12」中使用的「A14」、2020 年發佈的 MacBook 中開始採用的 M1、2021 年發佈的「iPhone 13」中的「A15」以及 2022 年的 M2。是拆開所有芯片封裝,剝去佈線層,擴大高性能CPU的一個核心的照片對比。
表4:蘋果處理器 A14/M1/A15/M2 對比
來源:Techanarie 報告
CPU內部圖中可以看到的網狀部分是SRAM。黑色區域是排列邏輯單元的位置。SRAM由指令和數據組成。邏輯部分是純黑色的,但由於排列着數百萬個邏輯單元,在照片的分辨率下看起來只是黑色。
A14 和 M1 具有相同的 CPU(形狀和大小),A15 和 M2 具有相同的 CPU。A14使用2個CPU,M1使用4個CPU,A15使用2個CPU,M2使用4個CPU。這張照片清楚地表明,Apple 正在理想地開發一個生態系統(內部 IP),該生態系統使用在同一家公司內花費時間和精力設計的資產。筆者也曾在一家半導體廠商開發過CPU等多個IP,但即使在同一家公司內,也有很多不同部門分開開發的經驗,內部IP的徹底轉換也在進行中。由此可見,蘋果高度統一。
Apple 產品內部生產芯片的歷史
表 5簡要總結了 Apple 產品的「內部生產歷史」。雖然沒有在表中顯示,但蘋果也在內部生產用於耳機和智能手錶的 Wi-Fi 芯片、藍牙音頻芯片、UWB(超寬帶)通信芯片等。
表 5. Apple 產品內部生產芯片的歷史
來源:Techanarie 報告