剖開蘋果M2芯片，內部設計曝光
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▲圖1 2022年6月發(fā)布的“MacBook Pro”外觀（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。電池幾乎占了一半，最大板尺寸為202mm x 83mm。表1對比了2020年11月發(fā)布的MacBook Pro，首次配備了“Apple M1”，以及2022 年6月發(fā)布的MacBook Pro，首次配備了M2。
▲表1：2022年6月發(fā)布的“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(fā)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，布線路線也相同。類似地，基板具有幾乎相同的尺寸、形狀和芯片布局。大街上都說“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，但很可能也包括由于世界形勢的變化而導致的成本增加。圖2顯示了如何拆卸基板。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。卸下它們并擰下將它們連接到框架的螺釘，您就可以取出電路板。
▲圖2 “M2”處理器的 MacBook Pro 拆解板（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。散熱器采用覆蓋整個處理器部分的結構，并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(yōu)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。
01.
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”并且有所不同。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）。
最大的區(qū)別是與處理器配對的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換。閃存仍然是日本鎧俠公司制造，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****、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。由于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。
02.
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。
▲圖3 M1與M2對比（來源：Tekanariye Report）M1基于臺積電的第一代5nm工藝制作，而M2則基于改進的第二代5nm工藝制造。安裝的晶體管數量也增加了25%，從160億增加到200億。至于實際的硅尺寸，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，并且有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，讓它成為了名副其實的M2處理器。未來，將在此M2的基礎上實現進一步演進。
03.
英特爾的Thunderbolt芯片終于消失圖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。
▲圖4 M2 MacBook Pro上的TCON（顯示時序控制器）。使用與24英寸iMac相同的TCON（來源：Techanarie報告）所有大型顯示設備肯定會使用 TCON（智能手機和智能手表除外）。
蘋果的許多產品都使用Parade Technologies（以下簡稱Parade）的TCON（iPad也是如此）。
2021年發(fā)布的“24 英寸iMac”和 2022年發(fā)布的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。順便說一句，2011 年發(fā)布的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(fā)布的MacBook觸摸板IC是Broadcom的“BCM5976”。同樣的 BCM5976也用于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（盡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(fā)布的MacBook Pro，該處理器也還是由英特爾制造的。
自2020年11月發(fā)布的MacBook采用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(xù)使用英特爾的Thunderbolt芯片。
不過，在2022年6月發(fā)布的MacBook Pro中，已經換成了非英特爾的接口芯片。
04.
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。
▲圖5 2022年6月發(fā)布的MacBook Pro主板和M2處理器 （來源：Tekanariye Report）
M2處理器將DRAM整合到一個單獨的封裝中，并進行了模塊化，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用于散熱。金屬 LID 用粘合劑固定在處理器和封裝上，需要一些專業(yè)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(tǒng)中都非?？拷?/span>
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。
▲圖6 M2封裝背面（來源：Techanarie Report）
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(fā)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于處理器的DDR接口上方，用于提高 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（用戶可以根據產品規(guī)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。由于總共有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。
順便說一句，目前在一個封裝中擁有最多硅的是蘋果2022年3月發(fā)布的“Mac Studio”中安裝的“M1 Ultra”。一個封裝內嵌入了多達135塊硅片?。?/span>
隨著半導體小型化的推進，管腳的數量趨于增加（并行化和電源增強）。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，將制造諸如在硅中介層（用于布線的硅）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。為實現功能與特性并重，未來“多晶硅封裝”將繼續(xù)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。
▲圖8 比較M1和M2硅（來源：Tecanariye報告）05.
蘋果借助內部IP向前邁進蘋果已經披露了M1和M2的制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(guī)模增長25%。實際硅面積增長率為23.8%，略低于電路規(guī)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最高的集成密度。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占了大部分，因此整個硅片的集成密度趨于增加。M1 Pro和M1 Max也有更多的運算單元（GPU等核心數量），所以集成密度略高于M1。與M1相比，M2在電路規(guī)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(fā)布的“iPhone 12”中使用的“A14”、2020 年發(fā)布的MacBook 中開始采用的M1、2021 年發(fā)布的“iPhone 13”中的“A15”以及2022年的M2。是拆開所有芯片封裝，剝去布線層，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(qū)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，但由于排列著數百萬個邏輯單元，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?。?，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，蘋果正在理想地開發(fā)一個生態(tài)系統(tǒng)（內部IP），該生態(tài)系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(tǒng)一。
06.
蘋果產品內部生產芯片的歷史表5簡要總結了蘋果產品的“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于耳機和智能手表的Wi-Fi芯片、藍牙音頻芯片、UWB（超寬帶）通信芯片等。
▲表5 蘋果產品內部生產芯片的歷史（來源：Techanarie 報告）2010年，“iPhone 4”的“A4”處理器是內部制造的，2020年，Mac的M1也是內部制造的。2022年，Thunderbolt也將在內部制造。內部芯片組肯定在進步。
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