AppleM3，苹果最短命芯片？

苹果从 M2 过渡到 M3 是其硅片战略的一次巨大飞跃。作为首款采用半导体制造公司 (TSMC) 尖端 3 纳米 (nm) 工艺 N3B 制造的芯片，M3 的性能和效率将比以往任何时候都更高。这有望实现更快的 CPU 和 GPU 性能和更高的能效，以及一系列其他功能。

2023 年 10 月，苹果硬件技术高级副总裁 Johny Srouji在苹果官方新闻稿中称 M3 系列 是“有史以来最先进的个人电脑芯片”，因为它具有新的 GPU 架构、更快的神经引擎和更统一的内存。

然而，这种转变——虽然成功地为消费设备带来了全新的性能水平——却很快给苹果带来了问题，导致了普遍公认的苹果历史上微芯片的最短寿命。

苹果转向 3nm 制造工艺似乎合乎逻辑。该公司之前在台积电的 5nm 工艺上取得了巨大成功，为 M1 和 M2 提供了支持。此外，缩小晶体管尺寸理论上可以提高能效和性能，使苹果能够保持相对于当时仍采用 5nm 工艺的英特尔和AMD 的竞争优势。

苹果与台积电合作开发了 3nm 工艺的 N3B 版本。N3B 本质上是一个试验节点，虽然提供了高晶体管密度，但产量较低，并且与台积电未来的 3nm 改进不兼容。

事实证明，N3B 存在严重的生产问题，主要是由于其激进的设计规则以及引入了自对准触点等新组件来防止电气短路。这些因素导致产量下降，并给金属堆栈性能带来挑战。加剧这些问题的是，苹果希望成为第一个推出3nm 芯片的公司，这导致该公司确保了台积电3nm 芯片的全部初始生产。

这是苹果精心策划的风险，但最终适得其反，使公司面临早期采用的固有风险，包括初始产量较低和生产成本较高。据报道，台积电在早期生产这些芯片的良率低至 55%，这意味着几乎一半生产的 M3 芯片都有缺陷。如果这种低良率使 M3 成为苹果最昂贵的芯片之一，这并不奇怪，因为每片晶圆的成本已经远远高于其 5nm 前代产品。

据苹果公司称，苹果的 A17 Pro 芯片（用于iPhone 15 Pro）和 Mac M3 芯片是首批面向大众市场的 3nm 芯片，因此该公司正面应对了这些工艺节点的挑战。然而，这些极低的生产良率是无法预见的，迫使苹果和台积电进行谈判，正如一位观察人士所描述的那样，这是一项“私下交易”，苹果只需支付可用芯片的费用，而不是整片晶圆的费用。

对于半导体行业来说，这是一个不同寻常的让步，因为该行业的标准做法是芯片设计人员购买整个晶圆（即作为 M3 等集成电路基础的薄片半导体材料）——无论每个晶圆能生产出多少个功能芯片（“芯片”）。

这是该商业模式的一个基本方面，即在代工厂和客户之间公平分配风险。然而，就苹果而言，据报道他们已经预订了台积电 3nm 产能的 90%左右，这种定价安排对于他们抵消 M3 低良率带来的财务影响至关重要。

为了解决这些问题，苹果在 2025 年底迅速将 A17 Pro 转向台积电的 N3E 工艺（台积电 3nm 节点的第二个变体），用于后期周期的 iPhone 15 Pro 生产。这一转变保护了其利润率，而无需进行重大的芯片规格更改，并实现了 A18 等低端芯片的批量生产，从而扩大了苹果 iPhone 16 系列对 3nm 的采用。然而，需要花费 10 亿美元重新设计M3 系列的 CPU 集群和内存控制器。

M3 生产的 N3B 和 N3E 工艺之间的这种分歧导致了产品线的不一致。例如，基于早期 N3B 工艺制造的 M3 Pro 的内存带宽实际上比其前代 M1 和 M2 Pro 少了 25%（150GB/s vs. 200 GB/s）。Apple 通过使用窄内存总线实现了这一目标，这可能会提高芯片产量、减小芯片尺寸，甚至减少 CPU 核心数量，M3 Pro 中有六个性能核心，而 M2 Pro 中有八个。

苹果公司非典型地降低了规格，这让人感到好奇，也引起了人们的注意，因为正如人们所预料的那样，新一代芯片的性能只会有所提升。

同样，低端 M3 Max 的内存带宽上限为 300GB/s，而不是之前 Max 芯片的 400GB/s。这些非典型的规格降级令人好奇，并引起了人们的注意，因为正如您所预料的那样，新一代芯片的性能只会提高。虽然没有官方证实，但有人怀疑苹果做出这些设计调整是为了适应 N3B 工艺的现实情况，并优先考虑可制造性而不是蛮力规格。

从基础版 M3（左）到 M3 Pro（中）再到 M3 Max（右），芯片尺寸和复杂性都大幅提升。最大的 M3 Max 芯片包含 920 亿个晶体管和一个 40 核 GPU，这使得在台积电早期的 3nm 节点上生产更具挑战性。

从基础版 M3（左）到 M3 Pro（中）再到 M3 Max（右），芯片尺寸和复杂性都大幅提升。最大的 M3 Max 芯片包含 920 亿个晶体管和一个 40 核 GPU，这使得在台积电早期的 3nm 节点上生产更具挑战性。（图片来源：苹果）

N3B 工艺问题对 M3 芯片的性能和生产产生了明显影响。性能方面，M3 系列仍然实现了代际提升，尤其是在 GPU 功能方面，但这些提升并不均衡。由于采用了新的 3nm 内核，基础版 M3 的单核性能比 M2 提升了约 15%，但其内核数量的减少掩盖了 M3 Pro 的多核改进——在某些任务中，M2 Pro 几乎可以匹敌它。

在制造方面，低良率严重限制了产量，迫使苹果做出艰难的选择。

在制造方面，低良率严重限制了产量，迫使苹果做出艰难的选择。该公司似乎推迟了高端 Mac 的发布，直到 3nm 工艺成熟，Mac Studio 等机器直到 2025 年 3 月 5 日才采用 M3 架构。截至本报告发布时，Mac Pro 仍在使用 M2 Ultra 出货。

MacBook产品线也面临延迟，苹果分析师郭明池在2023年9月评论道：“看来苹果不会在今年年底之前推出新的MacBook机型（搭载M3系列处理器）。”

在高端产品中，M3 Max因其巨大的 GPU 性能提升而广受好评，其 40 核 GPU 在密集的创意工作负载中表现优于之前的MacBook Pro型号。然而，苹果决定放弃采用 N3B 工艺的 M3 Ultra 型号（该型号将为高端 Mac Studio 和 Mac Pro 台式机提供动力）在当时是一个明显的疏忽。

除了原始性能之外，效率和热管理也成为用户热议的焦点。iPhone 15 Pro 的 A17 Pro 芯片因过热问题而受到广泛批评，这导致人们猜测 M3 芯片也存在类似的低效率问题。“iPhone 15 的用户报告称，使用 30 分钟后，移动处理器的温度超过 48˚C……许多人将矛头指向台积电的 3nm 工艺，” 工程新闻网站Electropages上的 Robin Mitchell 观察到。

所有这些都说明了 N3B 与 N3E 的选择对 M3 的影响。Apple 在前沿的 N3B 上开始生产 M3，以便更快地推出 3nm Mac，但面临产量和效率障碍，导致产品有些过渡。

在高端产品中，M3 Max因其巨大的 GPU 性能提升而广受好评，其 40 核 GPU 在密集的创意工作负载中表现优于之前的 MacBook Pro 型号。然而，苹果决定放弃采用 N3B 工艺的 M3 Ultra 型号（该型号将为高端 Mac Studio 和 Mac Pro 台式机提供动力）在当时是一个明显的疏忽。

除了原始性能之外，效率和热管理也成为用户热议的焦点。iPhone 15 Pro 的 A17 Pro 芯片因过热问题而受到广泛批评，这导致人们猜测 M3 芯片也存在类似的低效率问题。“iPhone 15 的用户报告称，使用 30 分钟后，移动处理器的温度超过 48˚C……许多人将矛头指向台积电的 3nm 工艺，” 工程新闻网站Electropages上的 Robin Mitchell 观察到。

所有这些都说明了 N3B 与 N3E 的选择对 M3 的影响。Apple 在前沿的 N3B 上开始生产 M3，以便更快地推出 3nm Mac，但面临产量和效率障碍，导致产品有些过渡。

苹果历来都采用谨慎、迭代的方式来更新其 M 系列芯片，每代芯片的更新周期约为 18 个月。然而，从 M3 到 M4 的过渡速度之快前所未有，这表明苹果迫切希望摆脱 M3 面临的问题。

台积电从 N3B 工艺过渡到 N3E 工艺是这一代际转变的核心。与仅实现约 55% 良率的 N3B 不同，N3E 的良率可达约 70-80%，且可制造性得到改善，从而降低了生产成本并提高了性能。

不难想象，这或许一直是苹果的计划：推出早期的 3nm 芯片（iPhone 15 Pro 中的 A17 Pro 和 Mac 的 M3）作为过渡设计——这是开发“第一个 3nm”的必要的早期步骤，但并不是苹果认为完全优化的设计。

这种情绪反映在苹果如何迅速调整其 M3 以外的产品线并将许多主线产品（Mac Mini、Mac Studio、Mac Pro）排除在 M3 代之外，以便其下一次更新将采用 M4 芯片推出。

虽然苹果尚未公开批评自己的 M3 芯片（相反，其新闻稿赞扬了 M3 的进步），但有迹象表明内部承认了挑战。例如，与 M3 相同的 3nm 系列的 A17 Pro 芯片在 iPhone 15 Pro 发布时出现了众所周知的散热问题，一些内部人士将其归因于仓促的 3nm 工艺，而另一些人则将其归因于iOS 17 中的一个错误。

尽管苹果尚未公开批评其 M3 芯片，但有迹象表明其内部承认了存在挑战。

事实上，苹果的芯片工程师必须设计两个版本的 A17/M3 核心——一个用于早期的 N3B 节点，另一个用于更成熟的 N3E 节点——本质上是为了提高效率而进行的重新设计。

如果你仔细阅读，你会发现一些有趣的背景。当苹果 (令人惊讶地)在M3 推出仅六个月后就在iPad Pro中推出 M4 芯片时，它引起了人们的关注：“M3 芯片及其同类产品是第一代使用 3 纳米制造工艺的Apple 芯片。但该工艺存在不足，因为 M4 采用了一种全新的、重新配置的方法，”Ryan Christoffel 在9to5Mac上观察到，并补充道，“似乎原始工艺仍然存在效率低下和产量问题，而苹果不再满足于处理这些问题。”

值得注意的是，苹果强调 M4 是基于“第二代 3 纳米技术”打造的，这意味着 M3 中的第一代 3 纳米技术存在缺陷。EE Times此前的一篇报道强调，台积电正在“竭尽全力满足 3 纳米芯片的需求”，而产量困境阻碍了量产。

结果是实现了异常快速的换代，与 M1 和 M2 常见的 18 个月更新节奏相比，某媒体将其描述为“激进的更新时间表”。

上图显示了 M4 性能与其他类似笔记本电脑（包括搭载 M3 芯片的 MacBook）的比较。

台湾半导体制造公司正在亚利桑那州凤凰城北部建造的新计算机芯片工厂的鸟瞰图。台积电已为该项目投资了 400 亿美元，该项目正在通过《芯片法案》获得美国的支持。

台积电正在亚利桑那州凤凰城北侧建造的新的计算机芯片工厂的鸟瞰图。（图片来源：Skyhobo/Getty Images）

尽管 M3 面临诸多挑战，但苹果对其硅片路线图的控制仍是一大优势。然而，这些挑战也暴露了过于激进地采用新制造节点的风险。

通过全力投入台积电的 N3B 工艺，苹果面临着产量低、成本高和性能意外下降的问题——这与 M1 和 M2 之间的平稳过渡形成了鲜明对比。积极推动 3nm 早期采用在一定程度上是出于竞争，因为其他行业参与者，如英特尔（拥有 Xeon 6 和 Core Ultra 200V Lunar Lake处理器）和 AMD（拥有EPYC Turin）也在集成 3nm 技术。

展望未来，苹果已经向台积电亚利桑那州工厂投资 25 亿美元，凸显了该公司致力于确保长期供应链稳定的决心。

虽然预计亚利桑那州的工厂不会立即生产苹果的尖端芯片，但这表明台积电对未来芯片开发采取了更具战略性和可控性的方法，有可能避免再次出现像 M3 那样的仓促转型。值得注意的是，由于涉嫌虐待工人和工作场所法规的差异，台积电在亚利桑那州的工厂遇到了严重的人员配备问题。

与此同时，苹果将为下一个重大工艺做好准备：向 2nm 芯片过渡。台积电已确认 N2 将于2025 年下半年开始生产，苹果很可能是首批客户之一。然而，问题仍然存在：苹果是否会再次采取冒险的早期采用者方法，还是会等待更精细的节点版本（例如 N2P）后再全面投入？

尽管如此，苹果并没有完全放弃 M3。虽然它在 Mac Mini 和 Mac Pro 等主要产品线中没有使用这款芯片，但它确实在 2025 年 3 月初推出了 M3 Ultra Mac Studio 和iPad Air 。这自然引发了一个问题：为什么苹果会继续发布部分 M3 设备，而在其他产品上转向 M4。可能的答案在于生产可扩展性，与 MacBook 和 iPhone 相比，Mac Studio 和 iPad Air 的产量较低，因此低产量限制不再是一个问题。

最终，M3 转型可能会被铭记为一次雄心勃勃且成功的实验，但并非没有挑战——最终，这是 Apple 芯片进化的必要步骤。随着M4 MacBook Air的发布可能会让 Apple 的 M3 产品线被搁置，人们不禁会想 Apple 是否暗自乐意继续前进。

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