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论iPhone处理器十年进化史

2017-09-15 10:43
来源: 21IC电子网

今天,苹果发布了最新一代的iPhone,作为新一代的旗舰,新手机的功能承载了苹果对未来的希望和消费者的期待。但从我们半导体人看来更关注的是内部技术的演变,尤其是其处理器上。

从iPhone 4上搭载自身研发的第一颗A系列处理器A4以来,苹果一直都保持每年九月更新一代手机,同时更新一代处理器的发展频率。处理器的性能也在每次更新中得到了大幅提升。新发布的A11处理器使用了2+4的六核设置,集成了四十多亿个晶体管,在性能上相对上一代有了很大的提升。无疑是一个处理器强者。

值着新处理器发布之际,我们来回顾一下苹果的每一代处理器及其发展过程。

A4:横空出世

在划时代的iPhone 4发布之前,苹果每一代iPhone产品使用的都是第三方的处理器。例如在iPhone 3GS上使用的是ARM Cortex-A8架构的Samsung S5PC100处理器。但是到了2010年发布的iPhone 4,苹果推出了自主研发的处理器A4,这也是苹果首次在iPhone上用上A系列处理器。

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Apple A4基于ARM架构,第一版发布型号内部集成基于45纳米制程的一颗ARM Cortex-A8处理器内核以及一颗PowerVR SGX 535图形处理内核。根据核心显微拍照图显示,其Cortex A8核心和三星自行研发的S5PC110芯片相比,去除了一些接口部件,并将L2 Cache由S5PC110的512KB扩大为640KB,在同等频率下其性能应略好于S5PC110。

A5:双核初体验

A5 是由美国苹果公司所设计并由三星电子所生产的ARM处理器,用于取代Apple A4。iPad 2使用是Apple A5处理器的第一款设备,2011年10月4日推出的iPhone 4S也采用Apple A5处理器,2012年10月推出的iPad Mini仍然继续采用了Apple A5处理器,安装该芯片设备广泛的贩售了多年之久。

Apple A5 采用 45 及 32 纳米Core ARM Cortex-A9同步双核心架构,苹果公司声称其运算性能可提升2倍,其配备有IT公司频率为200MHz的PowerVR SGX543 MP2 GPU,绘图性能较前一代A4提升7倍之多,具备低功耗特性,支持低功耗DDR2 DRAM 。A5的成本估计比A4贵75%,但随着产量增加,价格差异应会减少。

通过对苹果A5处理器初步的芯片显微分析,我们发现A5主要有两方面的特性值得注意。首先,A5的核心面积要比A4大了不少。UBM Techinsights 和Chipworks两大分析机构都得出A5的核心面积达到12.1X10.1mm=122平方毫米的结论。相比A4的53平方毫米,其面积增加到了A4的2.3倍。A5中集成的两个ARM核心占去了A5总面积的14%左右,这个比例与ARM单核心在A4中占取的面积比例是大致相似的。

值得一提的是,在A5之后还有个A5X,这是由美国苹果公司所设计的同步双核心处理器Apple A5的派生版本,仅图形处理器升级为四核心PowerVR SGX543 MP4,专用于iPad (第三代)。苹果公司声称其图形处理能力为上一代iPad 2所采用之Apple A5处理器的二倍,更达到竞争对手NVIDIA Tegra 3处理器的四倍。

A6:多核时代的坚守

进入了2012年,NVIDIA、SAMSUNG与Qualcomm竞相推出四核心智能手机处理器芯片组之后,智能手机也从今年进入了“四核心时代”。然而iPhone 5在屏幕尺寸与手机处理器芯片的规划上,我们可看出Apple不愿盲目追随市场潮流、坚持既有产品设计原则的态度。因为这一年他们推出的A6依然是双核。

这个芯片采用苹果公司研发的Swift架构同步双核心中央处理器,并整合频率为 266 MHz 的PowerVR SGX543 MP3图形处理单元,CPU Clock Speed 可达 1.3GHz。记忆体控制器升级到 1066MHz LPDDR2 (8.5 GB/sec) 使用三星电子的32nm HKMG工艺制造,大小为96.71 平方毫米,面积比Apple A5(45nm版本)小22%和拥有更小的耗电量。

Swift架构使用ARMv7s指令集,并含有多项ARM Cortex-A15 MPCore的特性,例如支持Advanced SIMD v2 和 VFPv4。Swift有三个前端解码管线和2个FPU单元,相比之下,基于Cortex-A9的CPU只有2个前端解码管线和1个FPU单元。

A6 处理器封装了 1 GB LPDDR2-1066 RAM,相比之下A5处理器只封装了 512MB LPDDR2-800 RAM,理论内存带宽也从 A5 的6.4 GB/s 增加至 8.5 GB/s。A6还搭载了一个新版的ISP,与A5对比,A6的拍摄速度、低光照下性能、噪声消去和视频防抖性能都有提升。

同样在这年,苹果推出了A6X。A6X是苹果公司客制化的SoC。它是Apple A6的衍生版本,包含与Apple A6相同的同步双核心ARMv7架构中央处理器,仅图形处理器升级到运行于300MHz的四核心PowerVR SGX554 MP4。[3][4]不同于A6,A6X被导热片覆盖,且内存模块与芯片分开封装。

A6X同样由三星电子代工,使用32纳米制程HKMG (High-κ Metal Gate)制造,面积123mm2,比A6大26%。A6X是该公司最后一款32位元架构的A系列SoC。

A7:移动CPU进入64bit时代

这代处理器对苹果来说是一大步,对于整个移动处理器产业来说也是一大步,因为籍着这个处理器,移动处理器进入了64bit时代。A7是一款64位桌面级架构处理器,这是划时代的CPU,杀得众安卓措手不及。

移动计算和传统桌面计算的界限开始模糊,对于业界来说意义非凡而深远。同时由于A7出色的性能和功耗,这次苹果没有设计X后缀 的芯片,而是让iPad直接用上了A7,足见这款其强大性能。

采用64位元架构目的是提高RAM的定址能力,32位元系统的RAM最高只能支援到4GB(2的32次方),而64位元系统理论上可以支援到16 EB(exabytes,2的64次方,16 EB等于16,777,216 TB),两者差别相当明显。不过以iPhone来讲,最新的iPhone 5S RAM容量也不过只有1GB,甚至所谓的吃记忆体怪兽Android,目前记忆体最高的Samsung Galaxy Note 3也只有3GB,都还不到32位元系统的限制,而且高容量的RAM,在初始化(initialize)时也需要大量耗电,对于电量有限的智能手机来说,首要目标应该是省电,而不是把电耗在更多还不需要用到的记忆体上面。

另外要发挥64位元处理器的优势,包含操作系统以及App都要是64位才行;不过64位App不论是在档案大小或是需要RAM的容量都会变得更大,这样除了更占空间以外,也让电源管理变得更复杂。

苹果公司表示,这个CPU与GPU效能都是Apple A6的两倍。CPU部分采用64位元的ARMv8架构,这使得iPhone成为全球首款采用64位元处理器的智能手机。此DoC由三星电子以28纳米制程代工生产。

CPU部分是苹果公司自行研发64位元ARMv8双核心处理器,所以架构不会完全遵照Cortex-A57。苹果表示,Apple A7包含超过10亿个晶体管,晶粒(Die)大小为102mm2。相比下,Intel的桌面型处理器Core i7-4770K包含了8MB L3,晶体管也只是14亿,Die大小为177mm2。

泄漏出来的资料显示,GPU部分没有出现任何以往的SGX5系PowerVR函数,上代iPhone 5采用PowerVR SGX543,iPhone 5S则采用A7 GPU,后经Chipworks检测,新的GPU是全新6系PowerVR G6430,苹果表示GPU性能已达初代iPhone的56倍,性能达到游戏主机级别(即是PS3和Xbox 360)。测试表明性能已经远超iPad上采用的PowerVR SGX543 MP4组合。

A8:20nm工艺初体验

Apple A8是苹果在2014年推出的第二代64bit产品,这是业界首款采用20nm工艺的芯片。跟以往不同的是,这次苹果芯片改由台积电代工,而不是之前的三星。苹果公司宣称它比上代Apple A7在CPU性能高25%,绘图性能高50%,能源效益高50%。

CPU部分为自家定制的“改良版Cyclone”,上代A7则是“Cyclone”,维持双核心设计,L1缓存为64KB指令+64KB数据,L2为1MB,L3则为4MB。GPU则采用Imagination Technologies的PowerVR GX6450,核心数目依然为4个,依苹果公司的宣称,比上代绘图性能高50%。值得一提的是苹果公司也持有Imagination Technologies公司9.5%股权。

Apple A8采用台湾积体电路制造公司20nm制程生产,不再由三星代工。台积电宣称,20nm工艺相比于28nm可使芯片速度提升30%,或者集成度提高90%,或者功耗降低25%,具体如何权衡就看芯片设计了。

它包含20亿个晶体管,大约是Apple A7的两倍,晶粒大小却减少13%,由102mm2减至89mm2(没有采用新架构,只是晶体管排得密。根据估量,A8 CPU部分面积约12.2平方毫米,相比于A7 17.1平方毫米缩小了29%,也就是说在塞入了更多晶体管后,苹果凭借更新的工艺,反而减小了CPU所占面积。

1GB LPDDR3内存亦一同封装在SoC。iPhone 6采用的LPDDR3内存是由SK Hynix生产,iPhone 6 Plus的内存则由Elpida生产。

A8的内存子系统基本没变,只有一些细微的调整。SRAM缓存依然存在,继续同时为CPU、GPU服务(可视为三级缓存),容量还是4MB,而内存控制器还是支持LPDDR3-1600。经过测试发现,A8的内存带宽比A7略有增加,2-9%的样子,很小,说明来自进一步优化。

在A8之后,苹果发布了A8X,苹果A系列GPU正式迈进了八核时代。

A8X用的架构仍然是增强版的Cyclone 架构,这个处理器有30 亿个晶体管,是A8 的150%,更是A7 的3 倍,他们推算面积会大于A6X 的123 平方毫米,虽然对iPad 来说仍然安装得到,但是晶体管大幅增长令处理器面积将仅次于A5X 的165 平方毫米,是苹果第二大面积的处理器芯片。

对比之前的A8处理器,单线程的处理跑分为1798,增加了12%,而多线程的跑分是4468,竟然比A8增加高达55%,比A7,更高出68%,也比苹果网站的描述更高。与A7以及A8一样,提供4MB的L3缓存空间,同样也没有把处理器以及图像处理分隔开,令处理的时候可以用尽所有频宽,提升处理速度。

A9:两种工艺带来的性能之争

Apple A9内含了基于苹果自主微架构(区别于ARM发布的公版微架构)的中央处理器核心,拥有64比特ARMv8-A指令集架构。这款芯片于2015年9月9日发布,首先被搭载于iPhone 6S和iPhone 6S Plus智能手机中。苹果公司宣称该芯片较前一代苹果A8的中央处理器性能提高了70%,而图形性能提高了90%,是当代性能最强的ARM架构芯片。

作为一款双核64位处理器,系统主频为1.85 GHz,兼容ARMv8A指令集架构,苹果给这个自主研发的微架构的代号命名为“Twister”。

iPhone 6S搭载的A9芯片内有2 GB的LPDDR4内存。高速缓存方面,A9芯片的两个处理器核心各自拥有64 KB的一级指令缓存和64 KB的一级数据缓存,而3 MB二级缓存、4 MB的三级缓存则由两个核心以及系统芯片其他部分分享。A9芯片的“Twister”微架构类似第二代“Cyclone”微架构(用于A8芯片)。

它具有以下特性:16级指令流水线,指令发射宽度为6,加载指令延迟周期为4,分支预测失败代价周期为9,拥有4条整数流水线、4个算术逻辑单元、2个存取单元、2个分支单元等。A9芯片相较A8芯片性能的大幅提升主要是得益于其1.85 GHz的主频率、更好的存储子系统、更细致入微的微架构调校和更低的工艺节点。

该芯片还包含了一个新的图像处理器,能为照相机提供更佳的降噪、调焦性能。A9芯片内部还直接集成了一个M9运动协处理器,这个协处理器主要负责采样和处理加速度传感器、陀螺仪、指南针、压力传感器等的数据,同时还负责识别Siri语音命令。

在代工方面,苹果第一次使用双代工的策略。

这个芯片采用了台积电16nm、三星14nm联合制造,但也因此造成了两种芯片之间存在一些差异,引发了很大争议。

台积电、三星两个版本的核心面积截然不同,前者有104.5平方毫米,而后者控制在了96平方毫米,差了约9%。不过,它们的内部结构是一样的,都有相同的CPU、GPU、内存控制器、协处理器等等,只不过在不同的工艺条件下,具体布局、细节略有差异。

说起核心面积,苹果A系列处理器一直控制在100平方毫米上下,不过随着每一代都升级新工艺,也有明显的起伏波动。45nm A5是近来最大的,达到了122平方毫米;20nm A8则是最小的,只有89平方毫米。20多亿个晶体管的A9其实不大不小。

同样地,苹果在之后推出了A9X。

A9X依然采用双核心设计,不增加核心数目主要是由于在保证芯片尺寸尽可能小的前提下,想要增加一颗CPU核心实在是太难了。

GPU方面,A9X的内核中一共被发现了6个GPU单元,每个单元内有两个GPU核心,算下来一共就是12个GPU核心,共计384个流处理器,比Tegra X1的256个还多。

A10:媲美个人电脑的四核CPU

2016年9月7日,苹果发布了iPhone 7和iPhone 7 Plus智能手机,在新旗舰中搭载了苹果的新一代处理器Apple A10 Fusion。

10 Fusion是基于ARM架构下,苹果首款使用big.LITTLE配置的四核心SoC,包括两枚高性能核心及两枚高效节能核心。不过A10 Fusion采用就是big.LITTLE内核内置切换器方式(In-kernel switcher,IKS)而不是高通骁龙820采用的HMP方式:一个低功耗核心和一个高性能核心组成一对,共用L2缓存,作为一个虚拟CPU核心(在iOS内核中根据负载需要切换),每个虚拟CPU核心在同一时间点上只有高性能核心或低功耗核心在运作,因此在iOS中仅能看到两颗处理器核心。

A10的高性能CPU核心代号为“飓风”(Hurricane),而低功耗CPU核心代号为“微风”(Zephyr),均为苹果公司自行设计的ARMv8兼容微架构。苹果宣称此芯片较上代在CPU性能提升了40%,在图形运算提升了50%。

这一代的A10 Fusion成为苹果首款四核处理器,官方数据显示,它拥有33亿个晶体管,A10 Fusion处理器拥有两个大核心和两个小核心,在性能方面,A10 Fusion处理器会比iPhone6s的A9处理器提升40%之多,比起iPhone6的A8处理器更是高出了2倍!更重要的是,耗电量只是以往的五分之一。

同样地,A10 Fusion处理器在GPU方面也有非常大的提升,A10的GPU处理速度比起A9处理器快了接近50%,更是A8的3倍,而耗电也比起A9减少了三分之一,比起A8直接降了一半的功耗。此外,据苹果官方介绍,得益于全新的A10 Fusion处理器以及M10处理器,iPhone7的续航时间比iPhone6s增加了2小时,iPhone 7 Plus的续航时间也比iPhone 6s Plus增加了1小时。

当然,A10X也是少不了的产品。

Apple A10X Fusion是苹果公司设计的64位ARM架构SoC,首次搭载于2017年6月5日发布的10.5寸iPad Pro和第二代12.9寸iPad Pro之上[1]。A10X集成了嵌入式M10协处理器[2]。A10X是A10的变种,苹果宣称其与A9X相比,CPU速度提升了30%,GPU速度提升了40%。

总结

问世十年,苹果iPhone全球销量也突破了12亿台。也就是苹果每年销量也会超过一亿台。苹果公司的市值也一路狂飙。背后的技术提高和产品体验是最基础的保证。A系列处理的作用功不可没。我们期待苹果未来给我们带来更多的新技术,更好体验的产品。

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