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 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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　注： 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)。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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)。