Giải mã thành công của Apple với các mẫu chip "tự lực cánh sinh"

Con chip đầu tiên do Apple tự thiết kế là A4, được tích hợp vào iPhone 4 ra mắt năm 2010. Giờ đây, Apple đã có hàng loạt các mẫu chip dành riêng cho từng loại thiết bị như iPhone, iPad, Apple Watch, Macbook, iPods và Vision Pro.

Giá cổ phiếu của Apple tăng vọt trong hai thập kỷ qua là nhờ các thiết bị điện tử cá nhân được người dùng ưa chuộng, bắt đầu từ iPod và iMac, sau đó là iPhone và iPad, gần đây hơn là Apple Watch và AirPods.

Nhưng Apple không chỉ có thiết bị điện tử cá nhân. Tại trụ sở chính của hãng ở Thung lũng Silicon, trong một căn phòng với vài trăm chiếc máy hoạt động và một số kỹ sư mặc áo khoác phòng thí nghiệm, Apple đang thiết kế những con chip tùy chỉnh cung cấp năng lượng cho những sản phẩm điện tử cá nhân phổ biến nhất của mình.

Apple lần đầu tiên ra mắt chip bán dẫn của hãng trên iPhone 4 vào năm 2010. Tính đến năm nay, tất cả máy tính Mac mới đều được trang bị chip của Apple, chấm dứt hơn 15 năm phụ thuộc vào chip Intel.

Ông John Ternus, Giám đốc kỹ thuật phần cứng tại Apple, cho biết: “Một trong những thay đổi sâu sắc nhất, nếu không muốn nói là lớn nhất trong dải sản phẩm của chúng tôi trong 20 năm qua, chính là chip bán dẫn”.

CNBC là đơn vị báo chí duy nhất cho đến nay được phép quay phim bên trong một trong những phòng thí nghiệm chip của Apple. Phóng viên của hãng CNBC đã có cơ hội để nói chuyện với người đứng đầu bộ phận chip bán dẫn của Apple, ông Johny Srouji, về nỗ lực của công ty trong nghiên cứu sản xuất chip tùy chỉnh - lĩnh vực cũng đang được Amazon, Google, Microsoft và Tesla theo đuổi.

Ông Srouji cho biết: “Chúng tôi có hàng nghìn kỹ sư. Nhưng nếu bạn nhìn vào danh mục chip của chúng tôi: nó thực sự là rất tinh gọn, rất hiệu quả”.

Không giống như các nhà sản xuất chip truyền thống, Apple không gia công chip cho các công ty khác.

Ông Srouji chia sẻ lý do: “Bởi vì chúng tôi không thực sự bán chip ra bên ngoài nên chúng tôi tập trung vào sản phẩm. Điều đó cho phép chúng tôi tự do tối ưu hóa và cũng như tái sử dụng các thành phần từ các sản phẩm khác nhau".

Cung cấp sức mạnh cho iPhone từ năm 2010

Ông Srouji đến Apple vào năm 2008 để lãnh đạo một nhóm nhỏ gồm 40 hoặc 50 kỹ sư thiết kế chip tùy chỉnh cho iPhone. Một tháng sau khi ông gia nhập, Apple đã mua P.A. Semiconductor, một công ty khởi nghiệp gồm 150 người, với giá 278 triệu USD.

"Apple sẽ bắt đầu sản xuất chip của riêng mình: đó là bước đi ngay lập tức khi họ mua P.A. Semi”, Ben Bajarin, Giám đốc điều hành và nhà phân tích chính của Creative Strategies cho biết.

Hai năm sau khi mua lại, Apple đã tung ra chip tùy chỉnh đầu tiên, A4, trong iPhone 4 và iPad đời đầu.

Ông Johny Srouji cho biết: “Chúng tôi đã xây dựng cái mà chúng tôi gọi là kiến ​​trúc bộ nhớ hợp nhất có thể mở rộng trên các sản phẩm. “Chúng tôi đã xây dựng một kiến ​​trúc mà bạn bắt đầu với iPhone, nhưng sau đó chúng tôi mở rộng nó sang iPad, sau đó là Apple Watch và cuối cùng là Mac.”

Đội ngũ thiết kế chip của Apple đã phát triển lên tới hàng nghìn kỹ sư làm việc tại các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới, bao gồm cả ở Israel, Đức, Áo, Anh và Nhật Bản. Tại Hoa Kỳ, công ty có cơ sở tại Thung lũng Silicon, San Diego và Austin, Texas.

Loại bán dẫn chính mà Apple đang phát triển được gọi là hệ thống trên chip, hay SoC. Nó bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ xử lý đồ họa (GPU) và các thành phần khác, Bajarin giải thích, đồng thời cho biết thêm rằng đối với Apple còn có một bộ xử lý thần kinh (NPU) “chạy công cụ thần kinh”.

SoC đầu tiên của Apple là dòng A, đã nâng cấp từ A4 năm 2010 lên A17 Pro được công bố vào tháng 9 năm nay. Nó là bộ xử lý trung tâm trong iPhone cũng như một số iPad, Apple TV và HomePod. SoC chính khác của Apple là dòng M, được phát hành lần đầu tiên vào năm 2020, hiện cung cấp năng lượng cho tất cả các máy Mac mới và iPad cao cấp hơn. Sản phẩm đó thuộc dòng M3.

Ra mắt vào năm 2015, dòng S là một hệ thống nhỏ hơn trong gói dành cho Apple Watch. Chip H và W được sử dụng trong AirPods. Chip U cho phép liên lạc giữa các thiết bị Apple. Và con chip mới nhất, R1, sẽ được xuất xưởng vào đầu năm tới trong kính thực tế hỗn hợp Vision Pro của Apple. Con chip này dành riêng cho việc xử lý đầu vào từ camera, cảm biến và micrô của thiết bị, Apple cho biết tốc độ truyền hình ảnh đến màn hình trong vòng 12 mili giây.

Ông Srouji chia sẻ: “Chúng tôi phải thiết kế chip trước thời hạn. Ông nói thêm rằng nhân viên của mình làm việc với nhóm của Ternus “để tạo ra một cách chính xác những con chip được nhắm mục tiêu cho những sản phẩm đó và chỉ dành cho những sản phẩm đó”.

Ví dụ: H2 bên trong AirPods Pro thế hệ thứ 2 cho phép khử tiếng ồn tốt hơn. Bên trong Apple Watch Series 9 mới, S9 cho phép thực hiện các khả năng đặc biệt như chạm hai lần. Trong iPhone, A11 Bionic năm 2017 có công cụ điện toán thần kinh Apple đầu tiên, một phần dành riêng của SoC để thực hiện các tác vụ AI hoàn toàn trên thiết bị.

Chip A17 Pro mới nhất được công bố trên iPhone 15 Pro và Pro Max vào tháng 9 mang đến những bước nhảy vọt lớn về các tính năng như chụp ảnh và kết xuất nâng cao để chơi game.

Kaiann Drance, người đứng đầu bộ phận tiếp thị iPhone cho biết: “Đây thực sự là cuộc thiết kế lại lớn nhất trong kiến ​​trúc GPU và lịch sử chip bán dẫn của Apple. Lần đầu tiên chúng tôi có tính năng ray tracing (công nghệ tăng cường hiệu ứng chiếu sáng cho vật thể) được cải tiến nhờ phần cứng. Và chúng tôi có khả năng tăng tốc đổ bóng lưới, cho phép các nhà phát triển trò chơi tạo ra một số hiệu ứng hình ảnh thực sự ấn tượng”.

Điều đó đã dẫn tới việc một số hãng trò chơi đã tung ra những phiên bản riêng cho iPhone, chẳng hạn như game Assassin’s Creed Mirage của hãng Ubisoft, hay game The Division Resurgence và Resident Evil 4 của Capcom.

Apple cho biết A17 Pro là chip 3 nanomet đầu tiên được xuất xưởng với số lượng lớn.

“Lý do chúng tôi sử dụng 3 nanomet là vì nó mang lại cho chúng tôi khả năng tích hợp nhiều bóng bán dẫn hơn trong một kích thước nhất định. Điều đó rất quan trọng đối với sản phẩm và hiệu quả sử dụng năng lượng tốt hơn nhiều”, Srouji nói. “Mặc dù chúng tôi không phải là một công ty sản xuất chip nhưng chúng tôi đang dẫn đầu ngành là có lý do”.

Thay thế chip Intel trên máy Mac

Bước nhảy vọt của Apple lên tiến trình 3 nanomet tiếp tục với chip M3 dành cho máy tính Mac, được công bố vào tháng 10. Apple cho biết M3 hỗ trợ các tính năng như thời lượng pin 22 giờ và tương tự như A17 Pro, tăng hiệu suất đồ họa.

Ông Ternus, người đã làm việc tại Apple được 22 năm, cho biết: “Chúng tôi còn rất nhiều việc phải làm, nhưng tôi nghĩ hiện nay có rất nhiều máy Mac, gần như tất cả các máy Mac đều có khả năng chạy các tựa game Triple-A, điều này không giống như 5 năm trước”.

Trong một sự thay đổi lớn đối với ngành bán dẫn, Apple đã từ bỏ sử dụng bộ xử lý của Intel vào năm 2020, chuyển sang sử dụng chip M1 của riêng mình bên trong MacBook Air và các máy Mac khác.

“Gần giống như các định luật vật lý đã thay đổi. Đột nhiên, chúng tôi có thể tạo ra một chiếc MacBook Air cực kỳ mỏng và nhẹ, không có quạt, thời lượng pin 18 giờ và vượt trội hơn cả chiếc MacBook Pro mà chúng tôi vừa xuất xưởng”, ông Ternus nói.

Ông cho biết MacBook Pro mới nhất với chip tiên tiến nhất của Apple, M3 Max, “nhanh hơn 11 lần so với chiếc MacBook Pro Intel nhanh nhất mà chúng tôi đang tạo ra. Và chúng tôi đã vận chuyển nó chỉ hai năm trước”.

Bộ xử lý của Intel dựa trên kiến ​​trúc x86, là lựa chọn truyền thống của các nhà sản xuất PC, với rất nhiều phần mềm được phát triển cho nó. Trong khi đó, Apple đặt bộ xử lý của mình dựa trên kiến ​​trúc Arm đối thủ, nổi tiếng với việc sử dụng ít năng lượng hơn và giúp pin máy tính xách tay hoạt động lâu hơn.

Chip M1 của Apple vào năm 2020 là một điểm chứng minh cho bộ xử lý dựa trên Arm trong máy tính cao cấp, cùng với những tên tuổi lớn khác như Qualcomm, AMD và Nvidia - cũng đang phát triển bộ xử lý PC dựa trên Arm. Vào tháng 9, Apple đã gia hạn hợp đồng với Arm đến ít nhất là năm 2040.

Khi con chip tùy chỉnh đầu tiên ra mắt cách đây 13 năm, Apple là một công ty ngoài ngành cố gắng tạo ra một con chip trong thị trường cạnh tranh khốc liệt và chi phí quá cao. Kể từ đó, Amazon, Google, Microsoft và Tesla cũng đã thử sức mình với những con chip tùy chỉnh.

Stacy Rasgon, giám đốc điều hành và nhà phân tích cấp cao tại Bernstein Research cho biết: “Apple là người đi đầu. Họ đã cho thấy rằng nếu bạn làm điều này, bạn có thể tạo ra sự khác biệt cho sản phẩm của mình.”

Gặp khó với modem

Apple vẫn chưa sản xuất được hết các linh kiện trong thiết bị của mình. Ví dụ, modem là một thành phần lớn mà công ty vẫn chưa tự mình chinh phục được.

“Bộ vi xử lý hoạt động rất tốt. Nơi họ gặp khó khăn là ở mảng modem, mảng radio trong điện thoại,” Rasgon nói. “Modem rất khó.”

Apple phụ thuộc vào Qualcomm để sản xuất modem, mặc dù vào năm 2019, hai công ty đã giải quyết cuộc chiến pháp lý kéo dài hai năm về sở hữu trí tuệ. Ngay sau đó, Apple đã mua phần lớn hoạt động kinh doanh modem 5G của Intel với giá 1 tỉ USD, trong một động thái có thể là nhằm phát triển modem di động của riêng mình. Nhưng đến hiện tại Apple vẫn chưa đạt được thành công nào với mảng modem. Tháng 9 vừa qua, Apple đã ký hợp đồng với Qualcomm để mua modem cho đến năm 2026.

“Qualcomm vẫn tạo ra những modem tốt nhất trên thế giới,” ông Bajarin nói.

Srouji của Apple cho biết ông không thể bình luận về “các sản phẩm và công nghệ trong tương lai” nhưng cho biết “chúng tôi quan tâm đến mạng di động và chúng tôi có các nhóm hỗ trợ điều đó”.

Apple cũng được cho là đang phát triển chip Wi-Fi và Bluetooth của riêng mình. Hiện tại, họ có một thỏa thuận trị giá hàng tỉ đô la mới với Broadcom cho các thành phần không dây. Apple dựa vào các bên thứ ba như Samsung và Micron để cung cấp bộ nhớ.

“Khát vọng của chúng tôi là sản phẩm”, ông Srouji nói khi được hỏi liệu Apple có cố gắng thiết kế mọi bộ phận trên chip của mình hay không. “Chúng tôi muốn tạo ra những sản phẩm tốt nhất trên hành tinh. Với tư cách là một nhóm công nghệ, bao gồm cả các chip trong trường hợp này, chúng tôi muốn xây dựng công nghệ tốt nhất có thể hỗ trợ tầm nhìn đó”.

Để đạt được mục tiêu đó, Apple sẽ “mua sẵn” nếu điều đó có nghĩa là nhóm có thể tập trung “vào những gì thực sự, thực sự quan trọng”, Srouji nói.

Bất kể Apple thiết kế bao nhiêu mẫu chip, họ vẫn cần sản xuất chip bên ngoài. Điều đó đòi hỏi phải có các nhà máy chế tạo quy mô lớn thuộc sở hữu của các công ty đúc như TSMC.

Hơn 90% chip tiên tiến trên thế giới được sản xuất bởi TSMC tại Đài Loan, điều này khiến Apple và phần còn lại của ngành dễ bị tổn thương trước nếu Trung Quốc có ý định thâu tóm hòn đảo này.

“Rõ ràng là có rất nhiều căng thẳng xung quanh, chẳng hạn như kế hoạch B sẽ như thế nào nếu điều đó xảy ra?” ông Bajarin nói. “Không có lựa chọn tốt nào khác. Bạn sẽ hy vọng rằng Samsung cũng có khả năng cạnh tranh và Intel cũng muốn có mặt ở đó. Nhưng một lần nữa, tất cả đang ở TSMC”.

Apple ít nhất đang tìm cách đưa một số hoạt động sản xuất chip của TSMC sang Hoa Kỳ. Apple cam kết trở thành khách hàng lớn nhất tại nhà máy sắp tới của TSMC ở Arizona. Vào thứ Năm, Apple đã thông báo rằng họ sẽ là khách hàng đầu tiên và lớn nhất của Amkor với hợp đồng trị giá 2 tỉ USD. Amkor sẽ đóng gói chip Apple được sản xuất tại nhà máy Arizona của TSMC.

Ông Srouji nói: “Chúng tôi luôn muốn có nguồn cung đa dạng: Châu Á, Châu Âu và Hoa Kỳ, đó là lý do tại sao tôi nghĩ việc xây dựng nhà máy của TSMC ở Arizona là tuyệt vời”.

Tìm kiếm nhân tài

Một mối lo ngại khác là tình trạng thiếu lao động sản xuất chip có tay nghề cao ở Hoa Kỳ, nơi các nhà máy tiên tiến chưa được xây dựng trong nhiều thập kỷ. TSMC cho biết nhà máy ở Arizona của họ hiện đang bị trì hoãn đến năm 2025 do thiếu công nhân lành nghề.

Dù có liên quan đến tình trạng thiếu nhân tài hay không, Apple đã chứng kiến ​​​​sự chậm lại trong việc phát hành chip mới.

Srouji nói: “Các thế hệ đang mất nhiều thời gian hơn vì họ ngày càng khó khăn hơn”. “Và khả năng đóng gói nhiều hơn và đạt được hiệu quả sử dụng điện cũng khác so với 10 năm trước.”

Ông Srouji nhắc lại quan điểm của mình rằng Apple có lợi thế trong vấn đề đó bởi vì “Tôi không cần phải lo lắng về việc gửi chip của mình đi đâu, làm cách nào để nhắm mục tiêu đến lượng khách hàng lớn hơn?”

Tuy nhiên, hành động của Apple nhấn mạnh tính cạnh tranh trên thị trường. Vào năm 2019, kiến ​​trúc sư chip Apple, ông Gerard Williams đã rời đi để lãnh đạo một công ty khởi nghiệp về chip có tên Nuvia. Ông đã mang theo một số kỹ sư Apple đi cùng. Apple đã kiện Williams do lo ngại về quyền sở hữu trí tuệ trước khi hủy bỏ vụ kiện vào năm nay. Qualcomm mua Nuvia vào năm 2021 nhằm cạnh tranh về bộ xử lý PC dựa trên Arm như của Apple.

Ông Srouji nói: “Tôi thực sự không thể thảo luận về các vấn đề pháp lý, nhưng chúng tôi thực sự quan tâm đến việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Khi một số người rời đi vì những lý do nhất định, đó là lựa chọn của họ.”

Apple gặp thêm những thách thức vĩ mô trong hoạt động kinh doanh cốt lõi của mình vì doanh số bán điện thoại thông minh mới chỉ phục hồi nhẹ từ mức thấp nhất trong nhiều năm.

Tuy nhiên, nhu cầu về khối lượng công việc AI đang dẫn đến đơn đặt hàng chip tăng đột biến, đặc biệt là GPU do các công ty như Nvidia sản xuất, cổ phiếu của công ty đã tăng hơn 200% trong năm nay gắn liền với sự phổ biến của ChatGPT và các dịch vụ AI tổng hợp khác.

Google đã thiết kế một bộ xử lý tensor cho AI kể từ năm 2016. Amazon Web Services đã có bộ phận sở hữu chip AI cho trung tâm dữ liệu kể từ năm 2018. Microsoft đã phát hành chip AI mới vào tháng 11.

Srouji cho biết nhóm của ông tại Apple đã làm việc trên các công cụ máy học của họ - Apple Neural Engine, từ nhiều năm trước khi nó được ra mắt trên chip A11 Bionic vào năm 2017. Ông cũng chỉ ra các bộ tăng tốc máy học được nhúng trong CPU và GPU được tối ưu hóa cao cho việc học máy.”

Công cụ thần kinh của Apple hỗ trợ cái mà họ gọi là “các tính năng học máy trên thiết bị” như Face ID và Animoji.

Vào tháng 7, Bloomberg đưa tin rằng Apple đã xây dựng mô hình ngôn ngữ lớn của riêng mình có tên Ajax và một chatbot có tên Apple GPT. Người phát ngôn từ chối xác nhận hay phủ nhận tính chính xác của báo cáo.

Apple cũng đã mua lại hơn hai chục công ty AI kể từ năm 2015.

Khi được hỏi liệu Apple có vẻ đang tụt hậu về AI hay không, ông Srouji nói: “Tôi không tin là như vậy”. Còn ông Bajarin cho biết: “Điều này có thể thực hiện được trên con chip năm ngoái của Apple, thậm chí còn có khả năng cao hơn trên con chip M3 của năm nay”. “Nhưng phần mềm phải bắt kịp điều đó để các nhà phát triển tận dụng lợi thế và viết phần mềm AI của tương lai trên chip Apple.”

Ông dự đoán những cải tiến sẽ sớm xảy ra.

“Apple đã có cơ hội thực sự đạt được điều đó ngay từ ngày đầu tiên,” Bajarin nói. “Nhưng tôi nghĩ mọi người đều mong đợi nó sẽ đến vào năm tới”.