芯片小型化使得iPhone这是可能的，但缩小处理器尺寸只是更长期的工程工作的一部分。在重新设计处理器、内存、无线电、电路板、显示器、电池和冷却系统以占用更少的空间和消耗更少的能量后，计算机变得可移动。
早期的电子计算机充满了房间，因为它们的功能分布在数千个独立的组件中。处理、内存和输入输出系统需要大量布线、大型电源和冷却设备。即使在晶体管取代了真空管之后，计算机仍然是安装在大板上的单个芯片的集合。
决定性的变化来自整合。可以在一个半导体内制造更多的晶体管，而以前由单独组件处理的功能则转移到功能越来越强大的处理器中。电路板变得更小，因为芯片吸收了更多的计算机。
智能手机进一步扩展了这一原则。袖珍设备不能包含台式机主板、显卡、调制解调器、冷却风扇和可更换电源。这些系统需要在几瓦的功率范围内进行压缩、组合和管理。
芯片小型化将计算机移至一个封装中
系统开启一个芯片成为移动计算的基础之一。
传统的计算机曾经将工作划分为中央处理器、图形处理器、内存控制器和多个支持芯片。移动片上系统将许多这些功能结合在一块硅片上。
现代 iPhone 处理器包括 CPU 和 GPU 内核、图像处理、视频编码器、机器学习加速器、安全组件和内存控制器。集成它们可以缩短数据传输的物理距离、降低功耗并消除原本会占用电路板空间的连接。
Apple 开始设计自己的移动系统 A4，在最初的版本中引入2010年的iPad后来在 iPhone 4 中使用。将处理器开发引入公司内部，使硬件工程师和软件团队能够朝着相同的性能和能源目标努力。
该公司不再需要接受为多家制造商设计的通用芯片。它可以根据 iOS 设备的要求优先考虑相机处理、界面响应、视频播放和电池行为。
芯片小型化还增加了晶体管数量，而无需处理器以相同的速度增长。更小的制造工艺允许在有限的面积内安装更多的逻辑，同时提高每瓦性能。
40 纳米、7 纳米、5 纳米和 3 纳米等工艺名称描述了半导体技术的世代，而不是单一的物理测量。每一代都会对晶体管结构、材料和制造方法进行改变，旨在提高密度、速度和效率。
仅靠更小的晶体管并不能保证更好的移动设备。设计者必须决定如何使用额外的容量。苹果将其投入到更快的图形、计算摄影、安全、媒体引擎和神经引擎上，而不是仅仅依赖于更高的 CPU 时钟速度。
处理器周围的电路板必须缩小
当被大型主板包围时，紧凑型处理器就没有什么用处。
移动电路板使用密集封装的元件、多个内层和极小的连接。制造商将内存、存储、电源管理电路、无线系统和传感器放置在彼此相距几毫米的范围内。
iPhone 逻辑板已经从相对传统的平面设计演变为堆叠和折叠排列，可以更有效地利用可用的内部空间。电路板的各个部分可以叠放在一起，为电池、摄像头和其他硬件留出更多空间。
封装变得几乎与晶体管尺寸一样重要。芯片封装可以保护硅，将其连接到电路板，并且可能包含多个芯片。先进的封装可以将处理器、内存和支持组件紧密地放置在一起，而无需将每个组件视为单独的板级部件。
苹果手表通过系统级封装设计进一步推动集成。苹果将最初的 S1 描述为小型化到单个封装中的整个计算机架构。
该封装将处理和支持组件组合在一个形状适合手表外壳的受保护模块内。这为手腕上佩戴的设备内的传感器、电池、Taptic Engine、天线、扬声器和数字表冠腾出了空间。
AirPods 需要再次降价。每个耳塞都包含处理器、麦克风、加速计、光学传感器、天线、放大器和可充电电池。 H1 和更高版本的 H 系列芯片在比 Apple Watch 小得多的产品内管理无线通信和音频处理。
Apple 在中使用了系统级封装布局AirPods Pro因为在不增加耳塞尺寸的情况下，电子设备无法分布在传统电路板上。
热量成为处理能力的限制
随着组件变得更小，热量并没有消失。它变得更难去除。
处理器内部的电活动会产生热量。台式计算机可以使用大型散热器、风扇和不受限制的气流。智能手机没有风扇，通常握在手、脸或身体上。
因此，处理器必须完成要求苛刻的任务，并且不允许外壳或电池达到不安全的温度。移动芯片使用效率核心、性能核心、专用加速器和积极的电源管理来控制能源使用。
效率核心可以处理后台活动，而无需激活更大的性能核心。视频引擎可以对媒体进行编码，同时使用比 CPU 更少的能量。神经引擎可以处理机器学习操作，而无需通过图形处理器发送每个计算。
这些专用模块是芯片小型化的另一种形式。设计人员不是构建一个低效执行每项任务的处理器，而是包含针对特定工作负载优化的较小引擎。
操作系统参与热控制。当温度升高时，iPhone 或 iPad 可能会降低处理器性能、降低显示屏亮度、充电缓慢或暂时限制相机功能。
外壳还充当冷却系统的一部分。内部石墨片、金属结构和热界面材料将热量从集中区域散开。由于游戏、视频录制和本地人工智能工作负载对处理器造成持续压力，iPhone Pro 机型采用了更强大的散热设计。
电池技术必须跟进
如果没有可充电锂离子电池，便携式计算将仍然不切实际。
电池的改进比晶体管的改进要慢。在不增加物理尺寸或引入安全风险的情况下，制造商不可能每隔几年就将能源容量增加一倍。
移动设备通过更高效的芯片、自适应显示器、低功耗无线电和暂停不活动进程的软件来进行补偿。电池的使用寿命更长，不仅因为它可以储存能量，还因为每个组件的设计都要求更少的能量。
iPad 展示了如何利用更大的外壳为电池提供大量内部空间，同时避免桌面处理器的电源需求。 Apple 将 A4 芯片系统与大电池配对，无需风扇即可使用长达 10 小时。
Apple Watch 使用更小的电池，严重依赖显示效率、传感器调度和低功耗处理。 AirPods 将其可用能量分配给耳塞中的微型电池和较大的充电盒。
该外壳实际上是产品电源架构的一部分。它允许耳塞保持较小的尺寸，同时在远离电源插座时反复恢复电池。
移动设备变成了不同类型的计算机
iPhone、iPad、Apple Watch 和 AirPods 不仅仅是台式电脑的简化版。每个都使用集成来创建围绕特定位置和用途的计算机。
iPhone 在手持外壳内平衡了摄像头、无线电、处理和电池容量。 iPad 使用额外的表面积来容纳更大的显示屏和电池。 Apple Watch 将传感器和通信硬件集中在身体附近。 AirPods 将计算音频和无线处理直接置于耳内。
苹果芯片后来将相同的效率原则带回了 Mac。 M1 将 CPU、GPU、统一内存架构、媒体引擎和神经引擎整合到一个芯片系统中，使 MacBook Air 能够在没有风扇的情况下运行，同时执行曾经与大型计算机相关的工作。
接下来的削减将不再依赖于使每个组件变得扁平和更小。先进的封装可以垂直堆叠芯片，将不同的制造技术置于一个封装内，并缩短处理器和内存之间的连接。
因此，未来的可穿戴设备可能会获得更多的处理能力，而无需接收明显更大的电路板。它们的内部计算机将向上、向内、跨多层扩展，采用三维封装，而传统的芯片小型化本身已无法提供足够的空间。
