PowerVR太渣？ 蘋果自研GPU背後的真相是

過去幾年，如果你一直關注蘋果對技術核心的垂直整合，對於其放棄英國 Imagination Technologies 公司一點也不驚訝。這家公司確實是蘋果長期的供應商，蘋果也是其股東之一，不過蘋果只是獲取其 GPU 的專利授權、IP 完善自家的 A 系列晶片設計。例如，在 A10 Fusion 中，集成的 GPU 就是 Imagination Technologies 提供的 PowerVR GT7600 圖形架構。

很多人認為蘋果應該完全將 Imagination Technologies 收入囊中，但現在最新可以確認的資訊卻正好相反。Imagination Technologies 方面已經確認，蘋果將在接下來兩年之內放棄使用後者的一切技術，包括專利和 IP 智慧財產權等等。這到底是怎麼一回事呢？下面我們就來大概捋一捋。

首先 Imagination 慘遭重創，蘋果能夠脫身？

Imagination Technologies 遭重創這是第一件已經發生的事情，在公佈蘋果有關通知的資訊之後，其股價便立馬出現了暴跌，跌幅高達 70%。更重要的是，蘋果是 Imagination Technologies 的重大客戶，從蘋果收取的授權和特許費用佔據公司營收超過一半。從 Imagination Technologies 的財報瞭解到，上一財年蘋果支付的費用是 6070 萬英鎊，而公司整個財年的營收則為 1.2 億英鎊。

毫不誇張地說，蘋果的舉措讓 Imagination Technologies 一夜回到解放前。沒有了蘋果 Imagination Technologies 基本上失去了重要的營收來源。你可能會說蘋果也是 Imagination Technologies 的股東，然而蘋果只占 8% 的股份而已，並且沒有繼續增持的意向，Imagination Technologies 如何獨立生存令人堪憂。

目前蘋果能否脫身還很難說，因為Imagination Technologies 方面不認為蘋果能夠完全避開自家的 IP 智慧財產權、專利和保密資訊，他們要求蘋果提供自主 GPU 設計沒有侵犯到公司 IP 的證據，但蘋果卻暫時拿不出手。Imagination Technologies 認為，蘋果從基礎完全重新設計 GPU 架構而不侵犯 IP，這是超級艱難的事情。

因此很顯然，一旦蘋果自主 GPU 亮相，Imagination Technologies 方面就已經做好了利用法律與蘋果作鬥爭的準備。

是因為 PowerVR GPU 太垃圾蘋果要放棄嗎？

並非如此，目前在 A10 中所採用的 PowerVR GT7600 圖形處理器單元，相比今年安卓陣營最強旗艦 Snapdragon 835 的 Adreno 540 依然不遜，甚至部分更出色。

例如在 AnandTech 對 Snapdragon 835 的測試中，跑 GFXBench 的 Onscreen 測速時 Adreno 540 GPU 和 PowerVR GT7600 打個平手，都是 60fps 的滿幀率。

而同時考量 OpenGL ES 3.1 和 Metal 性能的 Basemark ES 3.1 的跑分測試， PowerVR GT7600 在場景類比體現性能的成績一騎絕塵，領先幅度非常高。

在如此出色的性能面前，蘋果今天對 Imagination Technologies 的依賴還是不小，不僅 iPhone 和 iPad 的 A 系晶片使用了 PowerVR GPU 技術，Apple TV 和 Apple Watch 也不例外。另外，Imagination Technologies 的下一代 Furian GPU 技術很快即將在來年問世，持續在高端移動領域備受推崇也是順其自然的事情。

過去多年時間裡，Imagination Technologies 給蘋果帶來了巨大的財富，畢竟強大的 GPU 性能一直是蘋果產品與競爭對手形成差異化的特徵，蘋果也樂於將此作為 iPhone 戰略的重要部分。最早 2007 年 iPhone 所搭載的晶片，就已經是 PowerVR MBX GPU與 ARM CPU 的結合。隨後 iPad 的誕生也裡不開 Imagination Technologies 的功勞，我們可以看到每一代 iPad 的 GPU 性能都比手機強大得多了，而且高效節能，A8X、A9X 這類晶片的 GPU 設計滿足了蘋果對移動性能和續航的需求。

因此，從表面上來看，蘋果絕不是因為 Imagination Technologies 的 GPU 產品不夠出色而放棄。

蘋果自主 GPU 說來就來？

事實上，蘋果不是無情拋棄 Imagination Technologies 的優質高端 GPU，反而是過去多年時間已經做了大量鋪墊。比如今年最早的一次財報電會會議上，蘋果 CFO Luca Maestri 解釋了為什麼最近幾年研發支出急劇上漲的原因，其中談到了一個重要因素，聲稱戰略重心大力扶持蘋果內部基礎技術以帶來更多發展。

他表示，為了保持行業的差異化，事實上公司內部已經從年前開始自主基礎技術的研發積累，並擺脫更多的基礎供應商。蘋果主要圍繞處理器或感測器技術展開工作，今天內部所做的工作比過去更多了，因為這對於推動創新而言相當重要。與此同時，蘋果將能夠獲取更高的控制權，無論是成本還是品質。

很顯然，GPU 絕對有資格成為蘋果的基礎技術，特別是考慮到蘋果正在觀望或積極探索的 AR 增強現實和 VR 虛擬實境技術。不過，蘋果自主定制 CPU 內核才真正是自主 GPU 的一大伏筆，從 A4 到 A10 七年時間過去了，蘋果在自主定制 CPU 架構上取得了重大突破，可以說 A 系列晶片取得的成就，令整個行業的競爭對手都感到無比敬畏。

蘋果自身已經擁有成熟且十分成功的 CPU 內核定制經驗，例如 2013 年 A7 過度到 64 位架構，而且蘋果也十分密切關注 GPU 技術的發展，至少在硬體上。所以 ，2014 年蘋果祭出了令人驚歎改寫遊戲規則的 Metal 技術，能夠讓 CPU 和 GPU 互相配合而優化，將 GPU 性能發揮得淋漓盡致，從而能夠呈現更流暢、更複雜的視覺特效，甚至可以讓開發商將主機級別的 3D 遊戲引入移動設備。

GPU 從頭開始可不簡單，但正是這些經驗，十分有助於蘋果少走彎路，更有信心將自主 GPU 內核做得更好。

那蘋果從什麼時候開始考慮自主 GPU 的？

可以說是 2013 年甚至更早。我們都知道 A 系列晶片是 2008 年蘋果以 2.78 億美元收購了一家小型無晶圓廠半導體 P.A. Semi 打下的基礎。同時 2010 年 4 月又花費了 1.21 億美元收購了移動晶片製造商 Intrinsity。此後，蘋果對處理器和感測器技術的研發便一發不可收拾了，例如通過在已設立收購 AuthenTec 並設立研發中心，完成了 Touch ID 的研發。2012 年在德州儀器推出移動領域晶片時，還挖來了一大波晶片工程師。

到 2013 年，蘋果蘋果對自主晶片的野心更大了，一大批 AMD 圖形工程師被聘請到奧蘭多工作，為 Marvell 和華為等供應 GPU 的圖芯技術設計商 Vivante 董事 Utku Diril，也被蘋果挖走。與此同時，蘋果還開始發佈了一系列涉及 GPU 硬體的工作職位，那一年分析師開始質疑蘋果對 GPU 工程師需求的目的，因為蘋果在招聘中明確指出，希望更多優秀的工程師前來創造自主 GPU 的智慧財產權，還包括負責 GPU 架構的性能、功能、時序、面積和功耗等等工作。

2014 年的時候，由於 IBM 出售紐約等地多處晶片廠，蘋果通過更優的薪酬待遇以及開發高額補貼等方式，成功從 IBM、AMD、飛思卡爾等晶片製造商又挖來一大波圖形工程師。緊接著2015 年，蘋果還將 Nvidia 負責 GPU 架構的高級主管 John Tynefield 搶到手。更多例子就不說了，但在 2008 年到 2015 年期間，蘋果挖那麼多晶片工程師並開設那麼多研發中心做什麼？真的只是為 A 系列晶片的 CPU 設計嗎？畢竟一有晶片設計師或工程師，蘋果就立馬招攬，而且 GPU 招聘職位有增無減。

果然紙包不住火，於是到 2015 年後期終於開始有大量傳聞指出，其實蘋果內部已經保密設計 GPU 有幾年時間了，一切相關工作都“悄悄地在幕後進行中”。到了 2016 年 3 月份，雖然有傳聞認為蘋果會收購 Imagination Technologies，但蘋果始終沒有出手，讓人的疑問加深。可實際上，從 2016 年 3 月到 10 月份期間，蘋果已經從 Imagination Technologies 至少挖來了 25 名高級人才，安排負責自主 GPU 設計。

這麼多年蘋果就沒做出自主 GPU ？

雖然蘋果收購 P.A. Semi 秘密取得了架構授權，使其不僅可以進行 CPU 和 GPU 的週邊設計，還能對核心做出重要定制，但正如 Imagination Technologies 所說，從零完全重新設計 GPU 架構是極其艱難的事情。不過，蘋果並不是沒有任何成就可言，去年 10 月份在晶片領域相當牛掰的專家大衛·坎特（David Kanter），通過一篇長文介紹了蘋果自主 GPU 的進展。

該專家指出，除了 CPU 自主定制之外，更早蘋果就已經成功自主定制了 GPU 圖形處理單元。早在蘋果為 iPhone 6 系列智慧手機設計 A8 晶片的時候，就已經為其定制了首個 GPU 內核，並且蘋果在隨後設計的 A9 以及今年推出的 A10 Fusion 晶片中，還對自主定制的 GPU 進行了更新換代，這是目前蘋果所表現出來在 GPU 定制上的成就。 

接著該專家進一步解釋稱，GPU 圖形處理器單元確實比較複雜，要有固定的圖形硬體負責處理 API 命令、三角形光柵化和光柵輸出等任務。還要有著色核心，這是 GPU 的心臟和可程式設計著色器（包含頂點著色單元、圖元渲染管線等）。最後才是是驅動單元，也就是在 CPU 上運行的軟體。這些組成部分，必須協調工作才能更好地共同渲染場景。

儘管 Imagination Technologies 負責 GPU 內部大部分的技術活，但其實還是有大量工作是來自蘋果的自主定制，尤其是被譽為“心臟”的著色核心，蘋果將其換成了自己更高效、更高性能的可程式設計著色器內核，同時蘋果還開發了自己的驅動和用於生成代碼編譯器。總的來說，蘋果大體上是採用 PowerVR 硬體，但內部卻有諸多獨特的專利設計。

回到最初的問題，蘋果做自主 GPU 是為什麼呢？

蘋果 GPU 設計很長一段時間都是從 Imagination Technologies 獲取授權 ，而且往往比其他同樣獲得授權的競爭者更有優勢，比如說可以比其他競爭者更自由選擇性能更強大 GPU 配置，並在作業系統和開發工具上致力於 GPU 加速，打造最佳視覺和圖形環境，實現豐富動畫和最平滑過渡，以保證提供其他競爭者所不能及的出色性能。

其實這與 90 年代中期蘋果對 Mac 所推行的策略相似，當時蘋果 Quartz 渲染引擎技術充分利用 GPU 性能，讓 OS X 一開始領先 Windows 整整五年，所以蘋果也很重視 iPhone 的 GPU，並且我們也看到了 iOS 平臺也有類似的 Metal 技術，可繞過 OpenGL 直接使用強大的 GPU 性能。那就有人問了， Imagination Technologies 的 GPU 那麼強，而且蘋果優先採用，為何還要定制。

首先，GPU 一直是蘋果的戰略重點，蘋果投資開發新的高端 GPU 技術自然不足為奇。再者，其中必然會涉及一些需要權衡的因素。

第一個是成本因素，在既定的晶片結構中，若要集成配置更高的 GPU 集群，那麼整塊晶片的成品面積就不得不進一步擴大，這就導致了研發和製造成本的增加，所以向來蘋果都沒有選擇頂配 GPU 集群，而是使用較小或相對合理的 GPU 配置。第二則是性能因素，當 GPU 架構已完成了制定的設計，而且核心頻率不變的情況下，要想提高圖形處理性能肯定只有配置更多的內核來實現，通過堆核心的方式換取性能並不是蘋果希望看到的結果，核心越多穩定性就越差，而且功耗不易控制。

蘋果今天有了一支能力出眾的 GPU團隊，並且願意慷慨花錢投資，因此蘋果通過定制自主的 GPU 架構，將有可能實現重大的性能改進，無論是晶片面積還是性能，均可以比 Imagination Technologies 提供的 GPU 內核更合適整體晶片結構設計。屆時，不僅成本更易於掌控在自己手中，而且更利於自家軟體平臺上的視頻遊戲以及其他需要圖像技術的應用，通過深度優化進一步遙遙領先。

總之，蘋果之前已經證明了在 CPU 定制方面比其他競爭對手更為成功，現在最大得未知數是，蘋果會如何完成自主 GPU 設計，最快 15 個月左右就能亮相了嗎？ 蘋果利用自主 GPU 是否會在 AR、VR 和 AI 方面有更大的動作呢？如今蘋果的食物鏈已經足夠龐大，更多成果或許將在未來兩三年內一一呈現。