Секреты создания первого iPhone: какая роль была у Siemens и Samsung в разработке «начинки» смартфона Apple

На протяжении последних пяти лет Apple выпускает технику исключительно на базе чипсетов собственного проектирования. iPhone, компьютеры Mac, наушники AirPods и умные часы Apple Watch функционируют на кремнии, созданном силами инженеров из Купертино. Однако в нулевых годах ситуация выглядела совершенно иначе: мобильные гаджеты собирались буквально из солянки сторонних комплектующих, поставляемых преимущественно компаниями Samsung и Infineon (подразделением Siemens).

В сегодняшнем материале мы детально изучим аппаратную начинку классического iPhone и модели iPhone 3G. Нам предстоит развенчать главный миф вокруг процессорного решения от Samsung, выполнить разборку устройства, проанализировать схемотехнические особенности и выяснить назначение каждого отдельного чипа на системной плате. Звучит интригующе? Тогда милости прошу под кат!

❯ Предисловие

Пожалуй, эпоха двухтысячных стала периодом истинного расцвета Apple как инновационного гиганта. Именно тогда корпорация закрепила за собой репутацию не только создателя персональных компьютеров, но и разработчика культовых портативных девайсов. Взять хотя бы культовый MP3-плеер iPod, заслуживший легендарный статус благодаря интеграции миниатюрного жесткого диска емкостью 5 ГБ для хранения аудиотеки. И хотя сама по себе концепция не была новаторской (аналогичный Compaq PJB-100 дебютировал на два года раньше), фирменный почерк Apple в дизайне и интуитивно понятное управление превратили iPod в самый желанный гаджет десятилетия.

Тем не менее, в те времена инженеры компании еще не проектировали процессоры самостоятельно, полагаясь на проверенные полупроводниковые продукты сторонних вендоров с легкой кастомизацией под собственные нужды. Возвращаясь к тому же iPod, можно вспомнить двухъядерные чипы от PortalPlayer, применявшиеся до 2005 года, на смену которым впоследствии пришли полузаказные полупроводники от Samsung. Любопытно и то, что тогдашняя политика безопасности Apple не предполагала жесткой блокировки загрузчиков, благодаря чему плееры успешно взламывались энтузиастами для установки альтернативных прошивок вроде Linux или Rockbox.

Приступая к созданию дебютного смартфона, руководство Apple столкнулось с непростым выбором подходящей кремниевой платформы. В числе кандидатов рассматривались чипы Intel XScale на архитектуре ARM, однако топ-менеджмент Intel проявил недальновидность, не разглядев потенциала в сегменте мобильных телефонов, и благополучно продал ARM-направление компании

Стоит отметить, что линейка OMAP выступала главным оппонентом Intel на рынке процессоров для карманной электроники. Эти решения устанавливались практически во все смартфоны Nokia под управлением Symbian вплоть до 2008 года, в большинство кнопочных аппаратов на базе Windows Mobile, а также в изрядную долю недорогих коммуникаторов. Еще в 2005 году TI спроектировала OMAP 2420 — базирующийся на архитектуре ARM11 чип с графикой PowerVR MBX, нашедший применение в легендарной Nokia N95 и концептуально являвшийся ближайшим родственником «железа» самого первого iPhone…

Ключевым преимуществом платформ OMAP была интеграция радиомодема непосредственно в основной кремниевый кристалл, что существенно удешевляло производство конечного продукта. Тем не менее, калифорнийский гигант не искал легких путей и предпочел партнерство с Samsung, которая к 2007 году уже завершила подготовку чипа S3C6400. Во многих источниках (включая Википедию) ошибочно утверждается, будто именно он лег в основу первого iPhone. На практике же инженеры задействовали S5L8900 — кастомную модификацию S3C6400, где единственным значимым отличием стала замена штатного видеоядра Samsung

Поскольку S5L8900 выполнял функции исключительно прикладного процессора (AP), для голосовой связи и работы сотовой сети потребовался дискретный модем. Эту роль в iPhone 2G исполнил чип Infineon S-Gold PMB8876, хорошо знакомый по культовым аппаратам Siemens S75, S68 и EL71, тогда как его близкий аналог PMB8875 применялся в моделях C65, S65 и M65. Ирония судьбы заключается в том, что жесткая привязка дебютного смартфона к оператору AT&T была с легкостью обходной именно благодаря использованию компонентной базы S-Gold: на волне популярности моддинга телефонов Siemens в 2007 году хакеры оперативно изучили программную начинку, которая базировалась на схожих с немецкими аппаратами исходниках, и без труда сняли операторские ограничения.

В свою очередь, модификация iPhone 3G получила в распоряжение модем X-Gold PMB8878 с поддержкой сетей третьего поколения. Примечательно, что чипсеты X-Gold впоследствии составили основу многих хитовых устройств Nokia конца нулевых, так что немецкий концерн Siemens (пусть и опосредованно через свое дочернее предприятие Infineon) оставил заметный след в истории мобильных телефонов…

Мой собственный экземпляр iPhone 3G попал ко мне в 2022 году в составе лота утильной электроники всего за полторы тысячи рублей. Аппарат сохранил полную работоспособность, хотя и выглядел потрепанным: без крепежных винтов и с поврежденным лотком SIM-карты. Именно на его примере мы детально изучим схемотехнику ранних смартфонов Apple!

❯ Разборка устройства

Уже в 2008 году процесс разборки iPhone представлял собой сложную техническую процедуру. Как и в последующих поколениях, всё начиналось с демонтирования пары крепежных винтов на нижнем торце и отклеивания дисплейного модуля с помощью присоски. При этом неизбежно деформировался защитный резиновый уплотнитель по периметру экрана, из-за чего большинство отремонтированных iPhone 3G несут на себе характерные следы вмешательства:

Главным упущением тех лет пользователи справедливо считали поликарбонатный корпус. Он казался излишне дешевым для гаджета с ценником в 600 долларов, быстро покрывался глубокими царапинами и трескался от малейших нагрузок. Использование неоригинальных китайских корпусов для линеек 2G, 3G и 3Gs было абсолютной нормой. В отличие от других долговечных устройств той эпохи, пластиковые элементы ранних айфонов со временем буквально разрушались — ровно такая же участь постигла и мой образец 🙁

Второй хронической болячкой выступали аккумуляторы сомнительного качества и крайне неудачное их размещение. Батарея монтировалась непосредственно под системной платой, в результате чего при сильном вздутии (что случалось спустя пару лет эксплуатации) она деформировала пластиковый корпус или выдавливала дисплейный модуль наружу, как это часто происходило с плеерами iPod Touch.

Вскрытие обнажает материнскую плату, которая в моем экземпляре оказалась сильно искривлена из-за раздувшегося элемента питания. Разумеется, восстановление такого текстолита нецелесообразно, зато плата послужит отличным донором для оживления другого iPhone с отвалившейся NAND-памятью. Хрупкость ранних айфонов поражает: разрушению подвержены не только корпуса, но и хрупкие шлейфовые разъемы на плате, требующие ювелирной аккуратности при сборке. Сама печатная плата разделена на две зоны: верхняя отведена под прикладную часть (процессор, микросхемы памяти, контроллер питания), а нижняя — под радиомодуль. Защитные металлические экраны фиксируются на защелках, что значительно облегчает ремонтные работы.

По традиции изучение схемотехники мы начнем с вычислительного блока. Роль главного процессора выполняет упомянутый ранее чип Samsung S5L8900, приходящийся близким родственником модели S3C6400. Последнюю можно было встретить в коммуникаторах Glofiish (X900 и DX900), тогда как его преемник S3C6410 использовался в «клоне» айфона — Meizu M8 — и фаблете Samsung Omnia II. Усовершенствованная вариация S5P6422 устанавливалась в модели Galaxy Spica и Galaxy 580. Вот такая богатая родословная. Архитектура S5L8900 включает в себя следующие компоненты:

• Одно вычислительное ядро ARM1136JZF-S, оснащенное 16 КБ кэш-памяти инструкций первого уровня (L1) и 16 КБ кэша данных L1. Штатная частота чипа составляет до 667 МГц, однако в айфоне она была программно снижена до 412 МГц.

• Графический ускоритель PowerVR MBX Lite. В этом кроется главное отличие от чипа 6410 с его собственным видеоядром FIMG3DSE от Samsung. Несмотря на наличие шейдеров у FIMG3DSE, решение от PowerVR демонстрировало более высокую производительность и стабильность драйверов, что заложило фундамент для популяризации мобильного 3D-гейминга.

  Архитектура MBX восходит к графическим процессорам игровой консоли Dreamcast и чипсетам Midas 3, о которых упоминалось в материале про 3dfx Voodoo. Иными словами, перед нами полноценный графический ускоритель с отложенным рендерингом (TBDR), поддержкой арифметики с фиксированной точкой и аппаратным конвейером обработки вершин (T&L).

• Специализированный цифровой сигнальный процессор (DSP) для аппаратного декодирования видеопотока. Благодаря ему iPhone 2G вплоть до 2019 года без проблем справлялся с воспроизведением роликов на YouTube.

• Контроллер шины I2S для многоканального звука 5.1 и интегрированный ЦАП.

• Контроллеры для работы с оперативной памятью SDRAM/DDR и флеш-памятью NAND.

• Интерфейсы SD/CF, USB OTG, контроллер матриц MIPI с разрешением до 1024×1024 пикселей, а также шины SPI, I2C и линии ввода-вывода GPIO.

• И всё это размещено на компактном кристалле, выполненном по нормам 65-нанометрового техпроцесса!

Впечатляет, не правда ли? Еще более занимательным фактом является то, что iPhone 3G стал одним из пионеров индустрии, где микросхема ОЗУ монтировалась

Непосредственно над процессором расположился микрочип NOR flash-памяти SST25VF080B емкостью 1 МБ, связанный с прикладным процессором и служащий, предположительно, для хранения загрузчика iBoot или сервисных калибровок, а также

В общих чертах это исчерпывающий перечень компонентов прикладной части. По меркам того времени архитектура выглядела стандартно, концептуально напоминая аппараты вроде HTC TyTN II (Kaiser) или Nokia N70. Настоящие откровения начинаются при переходе к изучению радиомодема: здесь перед нами предстает упомянутый модем Infineon PMB8878 X-Gold. Данный узел представляет собой полноценный вычислительный комплекс с собственным ядром ARM и сигнальным процессором, исполняющий автономную многозадачную ОС (связку из Nucleus RTOS и стека GSM под названием APOXI) и способный в обычных кнопочных телефонах работать в качестве единственного центрального процессора. Его внутреннее устройство включает:

• Вычислительное ядро ARM926EJ-S с тактовой частотой около 312 МГц. Почти как основной процессор, хотя архитектурно ядро AP-части обладает более высокой производительностью на ту же частоту!

• Дополнительное ядро ARM7TDMI, задействованное, вероятнее всего, для частичного снятия нагрузки с основного ядра при обработке трафика сетей 3G.

• Сигнальный сопроцессор TeakLITE-2, отвечающий за низкоуровневую обработку датаграмм сотовой сети стандарта GSM, а также за кодирование и декодирование голосовых вызовов.

• Встроенный двухмерный (2D) ускоритель и контроллер дисплея, функционально сопоставимый с дискретными видеокартами из 90-х годов (например, S3 Trio).

• Продвинутый загрузочный блок BootROM с поддержкой защищенного запуска (Secure-boot). Иными словами, системный загрузчик заблокирован на аппаратном уровне!

Наличие трехъядерного мобильного чипсета исключительно для нужд связи само по себе звучит внушительно! И как уже упоминалось, это прямой потомок процессоров из 65-й и 75-й серий телефонов Siemens, которые помимо немецких аппаратов эпизодически интегрировались даже в продукцию Nokia (например, в модель X2-02 и линейку Asha).

Поблизости от PMB8878 расположен интегрированный многокристальный модуль памяти, объединяющий флеш-память и ОЗУ модемной части, а правее находится усилитель мощности 2G-диапазона SKY77340 и специализированный дополнительный контроллер питания модема PMB6820 (который также управляет зарядом аккумулятора и содержит собственные линии LDO и DC-DC). Чуть ниже смонтирован модуль беспроводной связи Wi-Fi/Bluetooth Murata LBEE1WRLFZ (подверженный деградации пайки, при которой помогает перекатка шаров) и радиочастотный приемопередатчик 3G с маркировкой PMB6952, под защитой которого скрываются три отдельных усилителя для различных частотных диапазонов UMTS/WCDMA.

Тыльная сторона системной платы несет на себе TSOP NAND-флеш-накопитель емкостью 8 или 16 ГБ — аналогичные микросхемы повсеместно использовались в MP3-плеерах, планшетных компьютерах и прочей портативной электронике нулевых!

❯ Заключение

Таков был технический базис первых двух поколений iPhone. Объективно говоря, инженеры Apple не совершили здесь революционного прорыва — полупроводниковая база, схемотехнические решения и компоновка оставались вполне заурядными по меркам того времени. Изучив принципиальные схемы любого коммуникатора Glofiish или HTC тех лет, можно обнаружить абсолютную схожесть концепций. Однако истинная заслуга компании заключается не в аппаратных инновациях как таковых, а в создании уникального пользовательского опыта (UX), перевернувшего индустрию смартфонов…

А каковы ваши впечатления от линеек iPhone 2G, 3G и 3Gs? Лично я считаю их отличными аппаратами для своей эпохи, хотя и не лишенными конструктивных изъянов. Главный из них — откровенно некачественный пластик корпуса. К слову, аппаратная компоновка оригинального iPhone 2G еще интереснее за счет многослойного монтажа, но рабочего образца у меня сейчас в наличии нет. Быть может, у кого-то завалялся донор?

Надеюсь, статья показалась вам познавательной. Подписывайтесь на блог, чтобы не пропустить свежие публикации каждую неделю! Ну а если вам близка тема ремонта, модификации и программирования ретро-гаджетов, добро пожаловать в мой Telegram-канал ‭«Клуб фанатов балдежа‭», где публикуются закулисные материалы, анонсы роликов и постов, а также царит непринужденная атмосфера. Видеоролики (дублирующие текстовый контент лишь частично) можно посмотреть на моем YouTube-канале.

Если у вас есть желание что-нибудь подарить из старого железа и увидеть про него полноценный обзор — смело пишите мне в Telegram. Меня искренне интересуют самые разные гаджеты: игровые приставки, любые околоигровые девайсы, сотовые телефоны, смартфоны, КПК и ретро-компьютеры с ноутбуками. Кто знает, возможно, героем следующей подобной статьи станет лэптоп из девяностых? 🙂

Все предоставленные на обзоры устройства не распродаются, а пополняют мою личную коллекцию. В планах — создание интерактивного музея, где каждый экспонат будет сопровождаться QR-кодом со ссылкой на мою статью. Вдруг на следующей неделе материал будет посвящен именно тому девайсу, о котором вы мечтали в юности? 🙂

Кстати, в моем распоряжении имеется GameBoy Advance SP, под который горячо хочется написать собственную игру. К сожалению, данный экземпляр пострадал от попадания воды и кофе. Не завалялся ли у кого-нибудь донор с мертвой платой, готовый поделиться контроллером питания? Речь идет о ревизии AGS-101.

Может быть интересно:

• Сеть ИОЛА, MS-DOS и Pacman: эксперимент с сетевыми адаптерами 80-х

• Вы ещё пишете код слева направо? Тогда мы идём к вам

• Ритуалы закончились: разворачиваем систему резервного копирования как код

Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram‑канале ↩

 

Источник