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苹果芯片为何能领先对手两年?

2021-09-22 09:04
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“不服跑个分”,这句名言在数码圈尽人皆知。三星华为小米,这些智能手机商家在召开新品发布会时,总会忍不住公布手机跑分成绩,借此证明自家手机性能如何强悍。

然而,作为智能手机行业领头羊,苹果却极少公布 iPhone 跑分成绩。原因也很简单,苹果根本不屑于对比。在刚刚结束的苹果秋季新品发布会上,苹果官方宣称:“我们的芯片领先两年,这还不算 A15 仿生芯片,这使得 iPhone13 成为迄今为止最强大的智能机,无出其右”。

芯片领先竞争对手两年,苹果官方的言论让小黑大为震惊。此前,小黑一直觉得苹果芯片水平独一档,但是并不知道领先幅度如此之大。在科技数码领域,顶尖产品差距一般都很小,一年的领先已经很离谱,两年的领先足以让所有竞争对手黯然失色。

那么,苹果芯片真的这么厉害吗?苹果如何做到这些?小黑决定一探究竟。

跑分对比:孤独的领跑者

对比苹果芯片与竞争对手的差距,最有效的方法自然是跑分。在科技数码领域,并没有专业检测机构给出明确的标准,大大小小的跑分软件成为人们对比芯片性能的依据。

众多跑分软件中,安兔兔算是最为著名的产品。这款将“不服跑个分”作为宣传口号的跑分软件,操作简单、性能全面,几乎是人们首选的跑分软件。然而,这款软件准确性一直饱受质疑。

在网站设定的跑分排行榜中,安卓手机与 iPhone 分开排名,跑分标准也完全不同。以纯数字来对比,安卓手机排第一的黑鲨游戏手机 4 Pro 总分 864614 分,而目前 iPhone 最高的 iPhone12 Pro Max 才 735051 分。这样的结果与其他跑分网站完全不同,由此可见安兔兔并不能有效衡量 iPhone 与安卓手机跑分水平。

小黑认为,安兔兔将安卓手机与 iPhone 分成两个榜单,或许正是为了掩饰安卓旗舰与 iPhone 的性能差距。

在国外流行的跑分网站 Geekbench 中,安卓旗舰手机跑分与 iPhone 差距相当大。在 GB5 性能排行榜中,苹果系列芯片直接霸榜。iPad Pro 上的 M1 芯片以总分 81725 的成绩高居第一,接下来依次是 A15、A12Z、A12X、A14、A13,目前安卓手机中最强大芯片骁龙 888 plus,总分还略低与苹果 A13。

众所周知,A13 芯片于 2019 年发布,恰好在两年前。高通骁龙前不久才发布的芯片,实力还不如苹果两年前发布的芯片,难怪苹果瞧不起竞争对手。今后,大家也不要指责苹果在芯片性能上“挤牙膏”,竞争对手过于孱弱,苹果肯定没有大规模升级芯片性能的动力。

苹果芯片强在哪儿?

同样都是手机 Soc 芯片,凭什么苹果就如此牛逼?事实上,仔细分析 Geekbench 跑分数据,可以发现苹果多核性能上并不出色,以 A13 为例,多核跑分为 3625,比不过骁龙 888 plus 与麒麟 9000 5G。真正拉高苹果芯片总分的,在于单核与 GPU

以刚刚发布的 A15 为例,单核跑分 1730 ,比高通骁龙 888 plus 足足高了 47.8%;GPU 跑分 187,比高通骁龙 888 plus 高 50%,比 GPU 性能出色的麒麟 9000 也高 39%。

芯片中的单核性能类似与篮球队中的明星球员。篮球比赛中,球权通常在明星球员手中,优秀的全明星球员,可以凭一己之力决定比赛胜负。单核性能也是如此,智能手机大部分工作由单核或者双核完成,单核性能决定智能手机的上限。

当然,单核跑分成绩高并非苹果有什么灵丹妙药,而是苹果财大气粗,单核芯片面积更大。在芯片制造中,单核越大,制造难度越大,散热处理越难,良品率也相对较低。曾经有人拿苹果大核跟高通大核对比,结果显示苹果芯片单核面积远高于高通。

芯片面积大,就可以放置更多的晶体管,在架构设计非常出色的前提下,晶体管越多,性能也就越强大。凭借堆料,苹果拥有了竞争对手无法匹敌的单核实力。

除了财大气粗的堆料,苹果出色的设计整合能力也是 A 系列芯片成功的关键。堆大核、增加面积这种事,华为、高通、三星、联发科这些竞争对手也能办到。然而,增加单核面积之后如何处理散热与设计问题,却让架构师们伤透了脑筋。

在芯片架构设计中,有两种路线,一种是采用 ARM 公版架构,另一种为自研架构。苹果拥有最优秀的架构师,自然选择自研架构。而高通、三星等公司无一例外采用公版架构。采用公版架构,意味着芯片设计得跟着 ARM 的节奏,难以实现跨越式进步。

或许有人疑惑,既然公版架构限制这么大,那么高通、三星等公司为何不放弃公版,自己研究芯片架构?事实上,高通与三星都曾尝试过自研架构。

小黑在《四年花费千亿,这只“猫鼬”三星养不起》详细介绍过三星自研的猫鼬架构,以及高通自研的“环蛇”架构。自研架构,对处理器的功耗、性能进行深层的优化,可以实现更强的单核性能。骁龙 820 推出时,高频版单核性能高达 2450,离当时苹果旗舰处理器 A9 2500 分仅一步之遥。

然而,自研架构花费巨大,且比不上当时的 ARM 公版架构,最终高通与三星放弃自研架构。至于苹果选择自研架构,那是因为苹果拥有最优秀的架构师,其核心架构一直优于公版架构。知乎网友整理的架构数据显示,苹果旗下各芯片每 Ghz 分数遥遥领先于竞争对手。高通 888 大核相同功率下性能甚至比不过苹果 A11。由此可见,苹果芯片架构师在设计领域超前的思维。

全明星设计团队

从单核性能到架构设计,处处都能看到苹果遥遥领先的数据。而这些优异的性能,源自于苹果优秀的设计团队。

13 年前,苹果以 2.78 亿美元的代价,收购了一家名为“PA semi”的芯片设计公司,得到了 150 名天才工程师。这些天才大牛,就是苹果 A 系列与 M 系列芯片强大的根源。

当时,“PA semi”的老板是丹尼尔·W·多伯普尔,他曾经在 1976 年加盟 DEC,参与过对后世影响深远的 DEC Alpha 21064 与 StrongARM。可以说,丹尼尔是 ARM 架构最早一批设计师,凭借出色的芯片设计能力,他在 2003 年就拿到了芯片设计行业最高奖 IEEE Solid State Circuits Award。

▲ 丹尼尔·W·多伯普尔与夫人

与行业大牛丹尼尔一起来到苹果的还有绰号“处理器游侠”的吉姆·凯勒,他参加了苹果最早的自研芯片架构,A4、A5 芯片的成功,很大程度上归功于吉姆·凯勒。离开苹果之后,吉姆·凯勒还主导了 K7、k8、zen 架构,让 AMD 成功起死回生。当然,这些都是后话了。

总之,“PA semi”是一个有行业大牛领导,拥有众多天才的超级团队。他们专注于低能耗芯片设计,为苹果自研芯片奠定了坚实的基础。在买下“PA semi”之后,苹果没有停止招揽人才,约翰尼·斯鲁治 (Johny Srouji)就是其中的佼佼者。

▲ Johny Srouji

这位曾经就职于 IBM 与英特尔的超级天才,拥有丰富的芯片设计经验,来到苹果之前他是半导体工程领域冉冉升起的新星。来到苹果后,他第一时间参与了 A4 芯片设计,后来长期执掌苹果芯片部门,让苹果手机芯片始终领先于世界。

无与伦比的自研架构、顶尖的设计团队,造就了苹果独一档的芯片水平。回顾苹果芯片发展史,可以发现苹果在移动芯片发展初期就网罗了最优秀的设计师,在之后十几年时间中,苹果专注而持久地进行芯片研发。

顶尖团队配上顶尖架构,加上苹果从不节省代工费用,在高通为了省钱选择让三星代工骁龙 888 的时候,苹果依然选择昂贵的台积电 5nm 制程。最终,在骁龙 888 饱受发热之苦时,苹果 A 系列芯片一骑绝尘,向着众人望尘莫及的远方前行。

图源:苹果官网、pixabay、维基百科

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