聊聊苹果M1芯片的前身，和iPhone 7的A10很像

shuszhao

苹果当年在准备为MacBook配金属外壳之时，苹果总设计师Jony Ive认为金属存在一个巨大的问题：它不透光。这就意味着如果要给MacBook加个指示灯（如笔记本上的呼吸灯），就必须给金属多开孔，但Ive认为开太多孔这有碍观瞻。
传说Ive组了个团队来特别研究解决这个问题，他们发现在铝金属上面用激光钻出很多个微小的孔，光就能透过来——而且人眼看不出钻孔。当时苹果自己没有能力去达成这种工艺，但市场调查后发现美国有家公司的激光设备能够打出这些直径20μm的孔，一台就得25万美刀。于是苹果就把这家公司买了下来。

                               
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只是为了让铝金属能够透光且兼顾美观性这一件事，就有了如此大动作。虽然这项技术现在已经不稀罕了，不过如今苹果TrackPad之类的设备上还是能够看到当年收购的遗产。
苹果做这种事可不是一次两次：芯片、显示（LTPO、microLED）、传感器（Face ID/Touch ID）、制动器（Taptic Engine）等技术，都是一言不合就收购。比如仅是为了iPhone X上的Face ID，苹果为此收购的相关企业就至少包括了3D感知技术企业PrimeSense、摄像头模块制造商LinX、AR公司Vrvana、图像传感器供应商InVisage Tech、AR眼镜制造商Akonia Holographics等。
苹果现如今自己制造（或参与制造）芯片和各种组件，和上游供应商不同之处在于，这些组件并不对外出售，而仅为自己的消费终端产品准备。苹果的思路与常规消费电子设备制造商的一大区别在于，先有功能/性能需求，然后去试图找出解决办法——如果找不到，那就试着自己造，或辅助上游厂商一起造。这种思路似乎从苹果创立之初就流传下来了。
此前我们撰文谈过A4（iPhone 4）芯片诞生之前，苹果在芯片方面的储备史。苹果如今比较知名的芯片产品包括A系列（面向iPhone/iPad）、S系列（面向Apple Watch）、W系列（蓝牙与WiFi连接）、U系列（UWB连接）、M系列（面向Mac），以及T系列（M系列的前身，面向Mac）。

                               
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苹果如今有能力造处理器，除了上世纪就组建的ASIC芯片团队，收购的企业较大宗的包括了P.A. Semi、Intrinsity等。本文谈谈苹果历史上为Mac设备所造的T系列芯片——T系列芯片上至少有苹果2011年收购一家名为Anobit的以色列企业的身影（SSD主控）；Mac电脑还在用Intel处理器的时候，苹果为之官配了T系列协处理器。恰好最近Paul Boldt发布苹果T2芯片的拆解成果，我们也能借此再来谈谈苹果在造芯这件事情上的思路与历史。


2016年T1芯片的诞生

在Paul Boldt这次公开T2芯片的拆解之前，业界对于苹果T系列芯片是知之甚少的。一方面在于T系列芯片不像苹果应用于iPhone的A系列芯片那么令人瞩目，另一方面则是T系列此前应用于Mac设备——是作为Intel处理器的协处理器的角色存在的。这种造PC、还自己搞协处理器的思路，全世界应该也没几家。自然鲜有人知T系列芯片的内部真容。
另外，T系列芯片的所有功能目前都已经集成到了M系列芯片中（苹果M1），T系列可认为是M系列芯片的前身。所以未来应该不会再看到苹果T系列芯片的更新。这样的拆解和回顾，更多是给爱好者们做呈现，并且从中搞明白苹果的思路，以及苹果为什么要给Mac加T芯片。

                               
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在看拆解前，先来谈谈T系列芯片究竟是做什么用的。T1芯片最早出现在2016年的MacBook Pro上——说起来T1才是最早出现在Mac设备上的Arm芯片。当时苹果表示，T1主要对MacBook上的Touch ID、Apple Pay做支持；内部的Secure Enclave可存储和加密指纹、身份认证资料；此外，当时苹果刚在MacBook上加入所谓的Touch Bar，T1可能也用于驱动Touch Bar的那块屏幕；T1内部也包含了ISP（图像处理器）。Touch Bar跑的操作系统叫bridgeOS（据说是苹果手表watchOS的一个变体）。
如果你对加入Touch ID的iPhone 5s熟悉，应该清楚苹果对Touch ID的打造也不是一朝一夕的。当年为了搞定手机上的指纹识别，苹果不仅花3.56亿美元收购了AuthenTec，而且给iPhone 5s上的A7芯片新加了个Secure Enclave。
Secure Enclave是处理器中单独隔离开来的一个安全世界，一般的应用是无法访问这一部分的，它属于信息安全TEE（Trust Execution Environment）的某种践行方案。Touch ID或者其他身份凭证信息就加密存储在这个专门的黑匣子里。另外还需要配合操作系统层面iOS的支持，来达成Touch ID的安全实现。

                               
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Arm的Trustzone，以及谷歌Android针对这部分的安全实现差不多也是同期，不过Android阵营在指纹识别相对完整且安全的方案实现上相比苹果晚了1-2年。这是题外话了。
不过很显然，仅是从Touch ID、Apple Pay的角度来看，当Mac设备也要实现这些原本是iPone上的特性，则最简单的方案显然就是用苹果自己的芯片。不过2016年，苹果芯片应用于真正的高性能计算还颇为遥远（虽然苹果其实早在2013年就对外宣称自家处理器架构是“桌面级架构”），Intel又不大可能在自家的x86芯片上为苹果提供极具苹果特色的特性，所以T1的诞生其实是个必然。单从其Secure Enclave的加入就能看出，T1可能与A系列芯片同宗同源。
T1芯片以协处理器的身份出现，这也算是当时非常符合苹果逻辑的设定。一方面苹果要给Mac设备加上iOS设备的体验（包括Touch ID、Apple Pay等）；另一方面，像苹果这种由终端功能需求（或者说“用户体验”）驱动供应链的企业，即便传统的行业上游不具备类似的组件供应商，也大概率会考虑自己做——何况此时苹果在芯片设计方面也已经有了相当的技术积累，只不过一时半会儿没法把Intel也一起换下来。

                               
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从T2芯片看到M1的影子

苹果对于T系列芯片的定位始终是“安全芯片”，不过从后文的拆解来看，苹果似乎在T系列芯片的设计上“偷了懒”。2017年的Mac上，苹果开始推第二代T2芯片。T2仍然延续了T1的一些功能支持，另外可能增加了包括音频控制器、SSD主控、专用AES加密引擎之类的特性。
T2目前的资料比T1多不少，其特性包括内置ISP可对FaceTime摄像头做画面加强，如对人脸自动曝光、白平衡调整等（虽然以Mac的摄像头质量，这种加强大约也只是聊胜于无）；音频控制器，对麦克风和扬声器质量做加强；增加“Hey Siri”即时响应支持。

                               
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图片来源：iFixit

另外就是前文提到的，加入了SSD主控，其中一项加强在于实现硬盘数据全盘加密的硬件加速。T2在这项特性中的优势主要表现在，硬件加速实现的全盘加密对I/O性能影响很小。此前有用户比较过，在没有T2的MacBook Pro上，FileVault全盘加密过程可能需要一整天；但在带T2的MacBook Pro上开启FileVault，几乎是秒速。
我们从苹果官方的T2安全芯片白皮书来看，T2的其他安全特性支持还包括了Secure Boot安全启动、Secure Enclave（前文提到的TEE实现），具体特性上有Touch ID支持，以及“硬件级的麦克风断连”特性——也就是在MacBook笔记本合盖的时候，立刻从硬件上禁用麦克风，阻止任何软件访问（即便是root或内核权限）。
这其中的绝大部分，已经是当代手机、PC的安全标配了；不过这在当时还算是比较前卫。就信息安全层面来看，前两年Duo Labs的两名工程师曾对T2芯片做过比较深度的分析（Inside The Apple T2，里面也包含了攻陷T2的方案），有兴趣的可以去看看。从安全性来看，T2在具体实施上，其实比近期Windows 11升级顺带炒热的TPM 2.0（Trusted Platform Module）一众实施方案要靠谱，虽然这两者在某些层面可能无法直接对比。
T2存在的本质，仍然是为了把更多iOS设备上的特性带到Mac设备上。虽然这么说很马后炮，但当时T2与Intel处理器的共存，以苹果这家公司的洁癖程度，是很难长时间容忍的。所以后来M1芯片自然而然地融入了T2的几乎所有特性。在苹果眼中，M1才是T2的完整形态。

                               
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不过“安全芯片”对用户体验的存在感始终是比较弱的，T2能够体现作为M1前身的一大特点在于，对视频编解码的加速上——虽然苹果自己似乎并未提过这项特性，国外媒体AppleInsider专门做过带T2和不带T2的Mac设备，在视频转码方面的性能对比。结果发现，T2能够极大加快H.265 HEVC的编码速度。
现在我们知道，苹果M1芯片的一大特性就是媒体引擎的极大强化，所以今年的MacBook一经推出就受到很多vlogger的欢迎，因为剪片子堪称效率奇高。虽然今年Intel的十一代酷睿也特别加强了很多媒体格式的编解码性能，但在M1面前还是不够看。
这个基调显然在T2时期就已经奠定了，大概也基于苹果对自家MacBook面向的用户对象十分了解——用MacBook做视频、音频、多媒体编辑的用户很多，这项特性也算是domain-specific的常规思路了。

                               
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T2内部长得和A10很像

最后我们来看看近期Paul Boldt（专业从事逆向工程心不改）在SemiWiki上公布的T2芯片拆解，理解一下T系列芯片的实质——这应该还是我们第一次有机会真正了解T2。
首先T2从外部来看，占板面积一点也不小，气势完全不比一旁的Intel酷睿处理器弱。另外，T2正上方PoP封装叠了一枚1GB大小的LPDDR4（2019款15寸MacBook Pro），来自美光。对于一枚“协处理器”而言，这种配置也算是奢华了。

                               
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T2 die shot, 图片来源：SemiWiki

上面这张图是T2的die shot，Boldt谈到对于线距和6T SRAM单元尺寸的分析可以确定，T2是采用台积电16nm工艺制造的——和当年苹果A10（iPhone 7）一样。事实上，将其与A10作比较，就会发现T2的CPU部分和A10是相同的设计和布局。
也就是说T2是个4核CPU，包括完整规模的2个大的Hurricane核心和2个小的Zephyr核心。GPU部分的规模相比A10则有显著缩减，核心数和核心规模似都明显变小（暂无法完全确定），毕竟作为协处理器也不需要什么图形算力——猜测可能只是为MacBook的Touch Bar图形界面准备的。
其余部分的构成尚无定论。T2整体die size为104mm²。从中我们知道了它就是一枚十分完整的苹果芯片，脱胎自A10。这么完整的一枚SoC，让当年的Intel情何以堪啊！T2的规模，对于其本身的功能特性支持，极有可能是性能过剩的。苹果之所以这么做，可能只是因为对当时A10现有设计的部分照搬，也是减少设计成本的一种体现。
有钱、任性还是可以用来形容T2的。以T2当年在Mac上实现的这些感知不强的特性，作为一枚协处理器的确是相当的奢侈。不过这也说不定是苹果在练手，为把Intel处理器替换下来做前期准备。如果从P.A. Semi收购算起，到自家芯片在Mac上练手，中间实则也经过了8年。如此前回顾苹果在芯片上的投入历史，苹果从开始有心造芯，到把芯片带到Mac上，前后经过了几十年的时间——M1的“横空出世”实在不是一朝一夕的。

                               
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有钱任性的垂直整合

EE Times美国版2018年写过一篇题为Apple Goes Vertical & Why It Matters的文章，用以描述苹果为达成某一项特性，可以不惜代价地收购、投资、建立自有团队，并做软硬配合。比如Face ID，不只是收购一堆相关图像传感器、光学技术的企业，还包括在芯片中加入Neural Engine模块，以及要配合此前的Secure Enclave，并且在系统与软件层面最快速做出支持。
谷歌早在Android 4.0时代（2012年）就在操作系统层面做过人脸识别特性，但无论从光学和传感器识别层面，还是芯片TEE环境、系统实现上，都远不到用户体验的准备就绪——谷歌作为操作系统供应商，不具备苹果这样的垂直整合能力，自然得在体验和安全上打折扣。这算是比较有代表性的例子了。更可怕的是，苹果通常在构建起某项技术的成熟应用后，顺便能带火这项技术甚至产业链，结构光和3D ToF皆有此成分（虽然也常有失败之作，比如3D touch）。
T2只是苹果造芯历史长河中的过客，却能反映苹果的产品特质：以体验（和自己的任性需求）来推动产品设计。从这个角度来说，搞芯片、显示技术、传感之类的技术，都不过是达成目的的手段罢了。像T2这么奢侈的东西，在表现这一点上可能更具典型性（反正卖得也贵…）。

水中天

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