【一文看懂】台積電3奈米加持！蘋果首款AI晶片「M4」到底有多強

美商蘋果本周發表新款 iPad Air 與 iPad Pro，兩款皆有11吋、13吋螢幕機型可選，iPad Air 配備 M2 晶片；iPad Pro 則採用最頂尖的串聯式OLED技術，打造出全新Ultra Retina XDR顯示器。iPad Pro 並搭載甫問世的 M4 晶片，這是蘋果史上最先進的晶片，而且是蘋果第一款專為 AI 打造的晶片，採用台積電第二代3奈米（N3E）製程。本文整理 M4 晶片重點一次看。

Q：蘋果為何不把M3放進iPad Pro？而讓它跳一級，直接躍升至M4！
A：考量到 iPad Pro 超輕薄設計，以及顛覆性的AMOLED顯示幕，性能也有極大幅度提升，因此直接跳過M3，讓新一代 iPad Pro 採用最新M4晶片。

Q：M4晶片由多少電晶體組成？它採用哪一家晶片製造商的先進製程？
A：M4是一款全新SoC系統單晶片，以280億顆電晶體組成，採用台積電第二代3奈米（N3E）製程工藝打造。

Q：M4晶片構造包含哪些先進技術？
A：M4包含全新顯示引擎、10核心CPU、10核心GPU以及NPU神經網路引擎。分別如下所述：

首先，M4擁有全新顯示引擎（Display engine），為Ultra Retina XDR顯示幕帶來精準的色彩和亮度。


其次，M4搭載10核心CPU，包含4顆效能核心及6顆節能核心處理器，皆配置新一代機器學習ML加速器，相較M2處理器運算速度提升50%。


第三，M4還具備10核心GPU架構，這是基於M3搭載的新一代繪圖處理架構打造而成，讓它能處理動態快取功能、且將區域記憶體動態分配於硬體中，大幅提升GPU的平均利用率，此為蘋果的創新之舉。M4晶片同時把硬體加速光線追蹤功能首度帶到 iPad上，能在遊戲中呈現更真實的陰影和反射效果。相較上一代 iPad Pro，它的GPU速度比M2提升4倍。


Q：M4如何傲視市面上所有 AI PC？
A：M4配備蘋果有史以來最強大的NPU神經網絡引擎，採16核設計，專為各種 AI 任務進行加速，運算速度達到每秒38兆次，比蘋果初代搭載神經網絡引擎的 A11仿生晶片快上60倍。


神經網絡引擎搭配CPU機器學習加速、GPU運算能力以及高頻寬記憶體，讓M4晶片成為一款能勝任所有 AI 任務的超強晶片。蘋果平台架構副總裁Tim Millet說，目前晶片設計業才剛打算把NPU加入運算行列中；而M4能使iPad Pro性能強到足以傲視市面上任一款 AI PC。

Q：M4晶片能耗表現如何？
A：蘋果平台架構副總裁Tim Millet強調，在提升性能的同時，M4依舊保持能耗比例，僅用一半功耗，就能提供與M2相同的性能，正適合 iPad Pro 超輕薄設計。再與市面上輕薄筆電的晶片相比，M4僅需它們四分之一的功耗，就能提供相同性能。出色的能效表現可見一斑。

Q：M4能讓 iPad Pro 執行哪些 AI 功能？
A：這些AI功能包括產生「即時語音字幕」，以及可以辨識影片和照片中物體的「圖像查詢」等。若是在 iPad Pro 使用影片剪輯軟體 Final Cut Pro，僅需輕點螢幕，即可從4K影片中，把想要編輯的主體從背景分離出來；或是使用《StaffPad》軟體自動生成即時樂譜。


Q：採用台積電3奈米的蘋果產品還有哪些？
A：蘋果M3、M3 Pro、M3 Max系列晶片採用台積電3奈米（N3B）製程。用於Macbook Pro、Macbook Air筆電，以及iMac桌上型電腦。

蘋果另一款A17 Pro晶片採用台積電3奈米（N3B）製程，是全球首款量產的3奈米製程晶片；用於2023年第四季上市的蘋果手機iPhone 15 Pro Max和iPhone 15 Pro。

Q：台積電3奈米家族製程技術有哪些？
A：台積電在2022年第四季推出N3（3奈米）製程，2023年正式進入量產，3奈米在去年下半年已佔全年晶圓銷售金額6%；今年則是3奈米量產第二年。3奈米家族包括此次蘋果M4晶片採用的N3E製程，以及密度性能更高的N3P、針對高性能運算的N3X，以及針對車用客戶推出的N3AE。


N3E：台積電去年第四季推出相較於N3性能顯著增強的N3E（3奈米升級版），具有更好的效能、功耗和良率。與N5（5奈米）相比，N3E在相同功耗下速度加快18%，在相同速度下功耗降低32%，邏輯密度提升約60%、晶片密度提升約30%，為HPC和智慧型手機應用提供完整的支持平台。

N3P：在保持與N3E設計規則相容性的同時，提供額外的效能和面積優勢，以最大程度地實現IP重複使用。N3P預計於2024年下半年開始量產，客戶可以在相同漏電下，速度增快5%；在相同速度下，功耗降低5～10%，以及與N3E相比晶片密度增加4%。

N3X：專為HPC應用所設計，提供額外的最大震盪頻率以在適度的漏電平衡下提高驅動效能，相較N3P，N3X在驅動電壓1.2伏特下，速度增快5%，並擁有相同的晶片密度提升幅度。N3X預計於2025年進入量產。

N3AE/N3A：讓車用IC客戶能提早採用3奈米技術來設計相關應用，並於2025年及時採用已全面通過汽車製程驗證的N3A製程，是全球最先進的汽車邏輯製程技術，N3A將於2026年完成認證並量產。