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剖开苹果M2芯片,内部设计曝光

2022 年 6 月,苹果发布了采用新处理器“Apple M2”的“MacBook Pro”和“MacBook…

2022 年 6 月,苹果发布了采用新处理器“Apple M2”的“MacBook Pro”和“MacBook Air”。第一个发布的是 MacBook Pro 13 英寸版本。

图1为MacBook Pro 13英寸版的包装盒、上下部件外观、拆下下盖的外观。无论是“iPhone”、“iPad”还是“MacBook”,苹果产品无论是“iPhone”、“iPad”还是“MacBook”,无论是外形还是结构,都与过去的产品几乎相同。

剖开苹果M2芯片,内部设计曝光插图

图 1 2022 年 6 月发布的“MacBook Pro”外观

来源:Techanarie Report

新款 2022 款 MacBook Pro 的结构与之前相同,只需卸下大约 10 颗螺丝即可轻松卸下底盖。(1)图1右上角是3CELL电池,(2)是立体声喇叭,(3)是热管和风冷风扇,(4)是主处理器板,处理器板下方是键盘,(5))表示Wi-Fi天线,(6)表示具有TAPTIC功能的触摸板。电池几乎占了一半,最大板尺寸为202mm x 83mm。

表 1对比了 2020 年 11 月发布的 MacBook Pro,首次配备了“Apple M1”,以及 2022 年 6 月发布的 MacBook Pro,首次配备了 M2。

剖开苹果M2芯片,内部设计曝光插图1

表 1 2022 年 6 月发布的“MacBook Pro”外观

来源:Tekanariye 报告

拆下底盖,对比一下板子的正反面,你会发现它们几乎是一样的。每一个的内部排列、大小和形状几乎相同,布线路线也相同。类似地,基板具有几乎相同的尺寸、形状和芯片布局。大街上都说“处理器刚从M1换成M2”,其实也确实如此。您不能仅通过卸下底盖来判断。

但是,如果仔细看,电容的位置和数量是不同的,所以很明显这两个板是不同的。两者价格都在 20 万日元以下,但 2022 年款比 2020 年款高出 20% 左右。有处理器成本增加(同时功能增加)和内存性能提高等成本增加因素,但很可能也包括由于世界形势的变化而导致的成本增加。

图 2显示了如何拆卸基板。许多电线从电路板进出到触摸板、键盘、显示器、扬声器、电池、外部端子等。卸下它们并拧下将它们连接到框架的螺钉,您就可以取出电路板。

剖开苹果M2芯片,内部设计曝光插图2

图 2.“M2”处理器的 MacBook Pro 拆解板

来源:Tekanariye 报告

在基板上添加加强金属、散热用热管(散热器)、散热片、金属框架等。散热器采用覆盖整个处理器部分的结构,并通过热管与风冷风扇连接以释放热量。风冷风扇体积小,直径46mm。它有许多叶片,而且很薄,因此可以非常顺利地排出热量。

移除热管后,与 DRAM 集成的封装中的 M2 处理器几乎出现在电路板的中央。处理器右侧和顶部有一块黑色散热片。此外,NAND闪存安装在处理器的左上方。图 2 的左下方显示了移除散热片的电路板。散热片一共三块,其中两块配有电源IC,优化处理器的供电。散热片的第三部分(板子右侧)是一个接口IC。

M1/M2 的处理器和外围芯片对比

表 2显示了 2020 M1 MacBook Pro 和 2022 M2 MacBook Pro 的处理器和外围芯片的比较结果。

剖开苹果M2芯片,内部设计曝光插图3

表 2 MacBook Pro with M1 和 MacBook Pro with M2 主要芯片对比

来源:Techanarie Report

处理器类型名称已从“APL1102”更改为“APL1109”并且有所不同。与处理器结合的两颗电源IC也有不同的型号名称(拆开芯片后对比过内部)。

最大的区别是与处理器配对的 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换。闪存仍然是日本铠侠公司制造,但容量有所增加,是一个单独的芯片。部分接口芯片和功率半导体也已更换。板子的外观和尺寸,板上的芯片排列等几乎一样,但是处理器和外围芯片都是100%更换的。

另一方面,触摸板、音频编解码器、NFC(近场通信)控制器、运动传感器、电池充电器IC等在2020和2022版本中完全相同。由于端子位置和尺寸相同,看来只更换 2020 款 MacBook Pro 主板和 2022 款 MacBook Pro 主板就可以升级到 M2 版本。

比较 M1 和 M2

图3是处理器M1和M2的比较。我们已经完成了M2的芯片开孔,但是硅片开孔照片省略了。

剖开苹果M2芯片,内部设计曝光插图4

图 3 M1 与 M2 对比

来源:Tekanariye Report

M1 基于台积电的第一代 5nm 工艺制做,而 M2 则基于改进的第二代 5nm 工艺制造。安装的晶体管数量也增加了 25%,从 160 亿增加到 200 亿。至于实际的硅尺寸,如图 3 所示,M2 比 M1 大了一个尺寸。两个CPU核心都是8个核心(4个高速核心+4个高效核心)。

M2 相比 M1 增加了 2 个 GPU 核心,并且有 10 个(10 个核心)。此外,Neural Engine 的性能也从 11TOPS 提升到了 15.8TOPS。内存接口在很多方面都进行了放大,比如从LPDDR4X加速到LPDDR5,让它成为了名副其实的M2处理器。未来,将在此M2的基础上实现进一步演进。

英特尔的Thunderbolt芯片终于消失

图 4显示了安装在 M2 MacBook Pro 的显示控制板上的显示时序控制器 TCON。

图 4 M2 MacBook Pro 上的 TCON(显示时序控制器)。使用与 24 英寸 iMac 相同的 TCON

来源:Techanarie 报告

所有大型显示设备肯定会使用 TCON(智能手机和智能手表除外)。

Apple 的许多产品都使用 Parade Technologies(以下简称 Parade)的 TCON(iPad 也是如此)。

2021 年发布的“24 英寸 iMac”和 2022 年发布的 MacBook Pro 的 TCON 使用的是 Parade 的“DP855A”。虽然显示器大小不同,但使用的是同一个TCON,很明显苹果产品的零件是通用的。顺便说一句,2011 年发布的 MacBook 的 TCON 是 Parade 的“DP615”。近 10 年来,Parade 芯片一直在被苹果使用。此外,虽然图 4 中未显示,但 2011 年发布的 MacBook 触摸板 IC 是 Broadcom 的“BCM5976”。同样的 BCM5976 也用于 2022 款 MacBook。还有其他用了10 年的供应商。

表 3是过去 11 年 MacBook 型号的处理器和 Thunderbolt 接口芯片的相当简短的列表(尽管我们几乎每年都有该型号的数据)。

剖开苹果M2芯片,内部设计曝光插图5

表 3. MacBook 外观及主要处理器和 Thunderbolt 接口芯片列表

来源:Techanarie 报告

Thunderbolt 芯片是从 2011 型号安装的。从那以后,所有的 Mac 产品都使用了英特尔的 Thunderbolt 芯片。直到 2020 年 5 月发布的 MacBook Pro,该处理器也还是由英特尔制造的。

自 2020 年 11 月发布的 MacBook 采用 Apple M1 以来,英特尔处理器就已停止使用,但许多苹果产品继续使用英特尔的 Thunderbolt 芯片(2022 年 3 月发布的“Mac Studio”也是英特尔制造的)。

不过,在 2022 年 6 月发布的 MacBook Pro 中,已经换成了非 Intel 的接口芯片。英特尔终于随着 M2 版 MacBook Pro 消失了。

M2”处理器看起来一样,但内部却“不同”

图 5显示了 MacBook Pro 主板和主处理器 M2。

剖开苹果M2芯片,内部设计曝光插图6

图5:2022年6月发布的MacBook Pro主板和M2处理器

来源:Tekanariye Report

M2处理器将DRAM整合到一个单独的封装中,并进行了模块化,使其成为继“A12X”、“A12Z”和“M1”之后的第四款具有类似结构的苹果芯片。右侧有两个DRAM,左侧处理器侧覆盖有金属LID用于散热。金属 LID 用粘合剂固定在处理器和封装上,需要一些专业知识才能将其取下。电源IC安装在板上处理器的上方和右侧,进行电源关闭和电压波动等处理。处理器和电源 IC 是芯片组的支柱,因此它们在任何非 Apple 系统中都非常靠近。

图 6显示了从板上拆下的 M2 处理器封装的背面。与板子相连的端子(信号和电源)排列密集。终端数量超过2500个。

剖开苹果M2芯片,内部设计曝光插图7

图6 M2封装背面

来源:Techanarie Report

近年来,处理器和内存的并行化程度提高,由于电压降低,电源必须加强,因此需要大量的 GND 引脚。因此,许多封装有超过 2000 个引脚。有些封装有超过 7000 个引脚。

M2有超过2500个球,球尺寸为0.28mm,间距为0.5mm。球形排列有四个孔,在这些部分中嵌入了带有左下角端子的硅电容器。虽然有嵌入陶瓷电容器的案例(例如高通和联发科),但许多苹果处理器都嵌入了硅电容器。这四个电容器直接位于处理器的 DDR 接口上方,用于提高 DRAM 和处理器之间的效率。

图 7显示了 M2 封装中所有的芯片。图 6所示的另外两种类型的硅电容器也包含在内。右边的 DRAM 堆叠了 4 片或 8 片(用户可以根据产品规格选择 8GB 到 24GB 的 DRAM 容量),即使是最小的配置也有 8 片 DRAM 硅片。由于总共有 1 个处理器、8 个 DRAM 硅和 11 个硅电容器,因此 M2 封装中总共有 20 个die。

剖开苹果M2芯片,内部设计曝光插图8

图7 M2芯片剖开

来源:Tekanariye Report

顺便说一句,目前在一个封装中拥有最多硅的是苹果 2022 年 3 月发布的“Mac Studio”中安装的“M1 Ultra”。一个封装内嵌入了多达 135 块硅片!!

随着半导体小型化的推进,管脚的数量趋于增加(并行化和电源增强)。因此,2D(尺寸)、2.5D、3D等封装技术的演进是必不可少的,但如何在功能性硅层压的同时加入部件(电容器等)以保证特性和质量?

未来,将制造诸如在硅中介层(用于布线的硅)中嵌入电容器等器件。甚至对 M1 Ultra 和最新的 AMD 2.5D“Ryzen 7 5800X3D”的横截面分析也表明,它不仅仅是功能上的进化。为实现功能与特性并重,未来“多晶硅封装”将继续推进。

图 8是 2020 年以后苹果产品(MacBook Pro、iPad Pro、iMac 24 英寸等)使用的 M1 和 M2 芯片开口(剥线层)的照片对比。实际上,所有功能在照片中都清晰可见。

剖开苹果M2芯片,内部设计曝光插图9

图 8 比较 M1 和 M2 硅

来源:Tecanariye 报告

Apple 借助内部 IP 向前迈进

苹果已经披露了 M1 和 M2 的制造工艺和晶体管数量。M1有160亿个晶体管,M2有200亿个晶体管,电路规模增长25%。实际硅面积增长率为23.8%,略低于电路规模。集成密度增加约1%。GPU从8核增加到10核,增加了被苹果新命名为“媒体引擎”的8K处理功能,运算单元数量增加。

算术单元由标准单元和最小单元 SRAM 组合而成,因此即使在硅中也具有最高的集成密度。在从M1到M2的演进中,运算单元中核心数量的增加和功能的增加占了大部分,因此整个硅片的集成密度趋于增加。M1 Pro和M1 Max也有更多的运算单元(GPU等核心数量),所以集成密度略高于M1。与M1相比,M2在电路规模和集成密度上都得到了升级,当然也在升级。

表 4显示了 2020 年发布的“iPhone 12”中使用的“A14”、2020 年发布的 MacBook 中开始采用的 M1、2021 年发布的“iPhone 13”中的“A15”以及 2022 年的 M2。是拆开所有芯片封装,剥去布线层,扩大高性能CPU的一个核心的照片对比。

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表4:苹果处理器 A14/M1/A15/M2 对比

来源:Techanarie 报告

CPU内部图中可以看到的网状部分是SRAM。黑色区域是排列逻辑单元的位置。SRAM由指令和数据组成。逻辑部分是纯黑色的,但由于排列着数百万个逻辑单元,在照片的分辨率下看起来只是黑色。

A14 和 M1 具有相同的 CPU(形状和大小),A15 和 M2 具有相同的 CPU。A14使用2个CPU,M1使用4个CPU,A15使用2个CPU,M2使用4个CPU。这张照片清楚地表明,Apple 正在理想地开发一个生态系统(内部 IP),该生态系统使用在同一家公司内花费时间和精力设计的资产。笔者也曾在一家半导体厂商开发过CPU等多个IP,但即使在同一家公司内,也有很多不同部门分开开发的经验,内部IP的彻底转换也在进行中。由此可见,苹果高度统一。

Apple 产品内部生产芯片的历史

表 5简要总结了 Apple 产品的“内部生产历史”。虽然没有在表中显示,但苹果也在内部生产用于耳机和智能手表的 Wi-Fi 芯片、蓝牙音频芯片、UWB(超宽带)通信芯片等。

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表 5. Apple 产品内部生产芯片的历史

来源:Techanarie 报告

2010 年,“iPhone 4”的“A4”处理器是内部制造的,2020 年,Mac 的 M1 也是内部制造的。2022 年,Thunderbolt 也将在内部制造。内部芯片组肯定在进步。

作者在日语中将芯片组解释为“同心圆”。这是因为通过扩大围绕处理器的圆圈来扩大覆盖范围很重要。从处理器、电源 IC 甚至高速接口开始,Apple 无疑正在扩大其同心圆(芯片组)。

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作者: 小蜗牛

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