剖開蘋果M2芯片，內部設計曝光

2022 年 6 月，蘋果發布了採用新處理器“Apple M2”的“MacBook Pro”和“MacBook Air”。第一個發布的是 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。

圖 1 2022 年 6 月發布的“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 顆螺絲即可輕鬆卸下底蓋。(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，最大板尺寸為202mm x 83mm。

表 1對比了 2020 年 11 月發布的 MacBook Pro，首次配備了“Apple M1”，以及 2022 年 6 月發布的 MacBook Pro，首次配備了 M2。

表 1 2022 年 6 月發布的“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，但很可能也包括由於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。卸下它們並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）。

最大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。

圖 3 M1 與 M2 對比

來源：Tekanariye Report

M1 基於台積電的第一代 5nm 工藝製做，而 M2 則基於改進的第二代 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。

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。

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 年發布的“24 英寸 iMac”和 2022 年發布的 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 年發布的 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。從那以後，所有的 Mac 產品都使用了英特爾的 Thunderbolt 芯片。直到 2020 年 5 月發布的 MacBook Pro，該處理器也還是由英特爾製造的。

自 2020 年 11 月發布的 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 月發布的“Mac Studio”也是英特爾製造的）。

不過，在 2022 年 6 月發布的 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。

圖5：2022年6月發布的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，並進行了模塊化，使其成為繼“A12X”、“A12Z”和“M1”之後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。

圖6 M2封裝背面

來源：Techanarie Report

近年來，處理器和內存的并行化程度提高，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（用戶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。

圖7 M2芯片剖開

來源：Tekanariye Report

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 月發布的“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（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，將製造諸如在硅中介層（用於布線的硅）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。為實現功能與特性並重，未來“多晶硅封裝”將繼續推進。

圖 8是 2020 年以後蘋果產品（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

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 年發布的“iPhone 12”中使用的“A14”、2020 年發布的 MacBook 中開始採用的 M1、2021 年發布的“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。