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苹果A15芯片是如何研发的?历经4年跨多部门合作

2021-10-14 14:10
Ai芯天下
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前言: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,这是苹果 A 系列与 M 系列芯片强大的根源。

作者 | 方文

图片来源 |  网 络

苹果与其他芯片厂商最大的区别

在移动领域,Android+高通+众多安卓手机厂商复制了这种模式;但近年,移动芯片架构逐渐摸到天花板,芯片计算能力提升有限,电池和散热等成为更大的瓶颈。

此时,苹果软硬合一的研发模式优势显现,自芯片研发阶段初始,相关团队就与手机硬件,软件系统团队,甚至是影像团队紧密合作,他们给芯片团队明确的目标,之后协同工作。

可以说,近年A系列芯片的研发,从一开始就并非只是为了芯片本身,而是为了最终的体验,考虑它的使用场景,甚至为某个具体功能而优化。

研发回报率苹果一骑绝尘

苹果设计与制作这颗芯片用了两年多,另外与这颗芯片相关的技术研发准备等工作,也花了约两年时间。

苹果公司为了呈现今天的 A15仿生芯片,几个团队从2017年就开始着手准备。

安卓旗舰芯片研发时间也是两年多,但手机终端厂商适配时间只有约3-4月。

终端厂商因为不是自己掌控全程,可能导致终端与芯片不完美匹配,或者无法释放芯片的全部能力,能耗控制不那么精准。

另外,为了照顾更多样的安卓终端,芯片也不得不做一些取舍。

A15芯片性能

A15和整合在其中CPU,GPU,NPU,以及iOS 15在一同发挥作用。

伴随着苹果iPhone 13系列手机一同而来的就是苹果最新研发的A15仿生芯片,并且苹果iPad mini 6平板电脑也采用的这款芯片。

苹果A15仿生芯片采用了5nm工艺技术,拥有150亿颗晶体管,AI算力达到15.8TOPS。

A15仿生芯片搭载6核CPU,包括2颗性能核心和4颗能效核心,CPU性能提升50%。

苹果A15仿生芯片的2级缓存从A14的8MB提升到了12MB,达到了与苹果M1芯片相同的水平,因此辅助A15有了如此的提升。

苹果还提升了CPU中机器学习加速器的性能,Siri语音合成技术、地图APP的导航处理等任务得到了进一步优化。

为了进一步提升iPhone13系列的视频和图像处理能力,苹果在设计神经网络引擎过程中还与摄像头硬件及软件团队合作。

这大大增强了芯片的机器学习运算能力,从而实现iOS 15的实况文本、优化地图导航等功能体验。

高配A15芯片多出一颗GPU核

苹果直接将A15芯片分割成了两个不同版本。

整体来看,A15芯片在CPU方面搭载了全新6核CPU,包括2颗性能核心和4颗能效核心,CPU性能提升50%。

4 核心,iPhone 13 mini和iPhone 13搭载;

5核心,iPhone 13 Pro, iPhone 13 Pro Max,以及iPad mini 6搭载;

GPU方面是A15芯片性能的分水岭。在iPhone13 Pro以及iPhone13 Pro Max上,A15芯片多出了一颗GPU核心,5核GPU使得手机的图像处理性能最高提升50%。

加之苹果定制的显示引擎,iPhone13 Pro能够驱动更高性能游戏,以及各类强大的拍摄功能,支持Apple ProRaw和4K杜比视界视频。

GPU分机型配置的做法有点类似于MacBook上边M1芯片分为7核心和8核心,这也是苹果首次在手机上采取这样的操作。

芯片代工成本优势愈发明显

成本上,晶圆代工是一客户一个价格,外媒说台积电涨价20%,但苹果是第一大客户,只涨3%。

而且台积每一代先进工艺完成研发后,苹果都是首批客户进入。苹果第一家进入流片付出更多自然会占据成本和时间优势。

尤其是本来还有华为海思,但因为台积电无法为华为代工后,只剩下苹果一家客户独大,自然话语权更强。

所以芯片涨价预计对A15处理器带来的成本上升是有限的,同时华为让渡高端市场份额后,iPhone 13系列销量预计会继续上涨,庞大的出货量也将会进一步降低芯片的成本。

根据[体质]挑选芯片

一整块晶圆的制造成本大概数千美元,同时也会耗时数月,为了能够充分利用这来之不易的芯片,传统芯片厂商会根据[体质]来具体划分为不同的处理器型号。

芯片生产过程中,根据芯片的[体质]不同去区分型号十分常见。

芯片面积小,很难确保芯片仅一个核心出现「体质」问题,更多的可能是切割后的芯片而成为废料。

在生产 A15 的过程中,GPU[体质]最佳的留给 iPhone 13 Pro 系列;[体质]不佳的分给 iPhone 13、13 mini,CPU 体质不佳的留给 iPad mini 6。

今后 A16、A17 想要继续拔高性能表现,更新的制程、更高的频率、更好的工艺、更大的面积都是改进方向,由此来说后续这种移动端处理器分级的现象应该更为普遍。

结尾:

据悉,明年初,高通的新款旗舰处理器骁龙898将发布;三星AMD联合研发的GPU Exynos 2200也将发布,能否和苹果站在同一竞争水平值得期待。

部分资料参考:《苹果A15芯片研发的幕后故事》,新浪数码:《A15仿生芯片幕后故事》,杰夫视点:《A15芯片性能大幅提升,唯有一颗芯片可与之比肩》

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AI芯天下丨深度丨苹果A15芯片研发:历经4年,跨多部门合作

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