蘋果A系列處理器的設(shè)計技術(shù)細節(jié)揭密

5S和iPad 5的傳聞已經(jīng)流傳。還不算太過份，但確實都在傳。這兩款機很有可能會分別采用A7和A7X處理器。這意味著，除非蘋果不再設(shè)計定制化的芯片，而選擇英特爾的產(chǎn)品。這不是我們的假設(shè)，但也有人這樣說，即使是在華爾街。

在去年11月底，RBC資本市場的分析師道格·弗里德曼稱，如果蘋果的iPad改為采用英特爾的處理器，英特爾將會為蘋果代工生產(chǎn)蘋果的處理器。他甚至還建議，蘋果自己設(shè)計的應(yīng)用處理器只是暫時湊合著用，直到有有更好的芯片出現(xiàn)?，F(xiàn)在來看看蘋果的“A系列處理器”，想想這些產(chǎn)品的演進，再掂量一下蘋果的半導(dǎo)體設(shè)計的證據(jù)，這就看上去是完美的注腳。

在我們的假設(shè)走得太遠之前，我們再來考慮一下A6和A6X處理器。A6隨著iPhone 5同時發(fā)布，這完全就是在所有iPhone與A系列處理器的傳聞和猜想之中。

然而，在大約40多日以前，隨著iPad 4一起出現(xiàn)的A6X則完全出乎了人們的意料。像是半路殺出了個程咬金，至今都讓預(yù)言家迷茫。

Chipworks首先發(fā)布了A6和A6X的芯片裸晶圖片，下面還有我們的解釋。兩款芯片最讓人意外的一個特點是：它們都是自產(chǎn)自銷。進一步說，它是一個客制化的設(shè)計，版圖設(shè)計都是人手定做，而不是采用通用的自動化的“place and route” 的方法。在關(guān)于A6的討論中，ChipWorks是這樣說的：

“這樣設(shè)計是更加昂貴且更費時間的。然而，它能產(chǎn)出更快的最高時鐘頻率，并且有時會有更高的芯片密度。”

他們還說：“事實上，除了英特爾的CPU，這是我們在近幾年中看到的最先定制布局的數(shù)字內(nèi)核之一。”

蘋果對于他們的設(shè)計能力非常嚴(yán)肅，并且作了很多的投資，這一點無可置疑。所以，如果不考慮他們客制化設(shè)計的原因，下面這個假設(shè)就非?？煽浚禾O果當(dāng)它在等待英特爾處理器的時候，它就不會生產(chǎn)芯片。

Chipworks在11月份第一次關(guān)于A6X處理器的討論中，提供了一些A6和A6X的對比數(shù)據(jù)。A6X的芯片面積是124平方毫米，比A6的96.7平方毫米大了28%。

兩款處理器的CPU都是占了15平方毫米，A6的三核GPU占了16平方毫米，而A6X處理器的四核CPU占了35平方毫米。

從上面的數(shù)字顯示，很可能的是在這多出的19平方毫米中，這個A6X多出的GPU占了大給10平方毫米的面積。看上去好像沒有這么多，但它實際的面積要比單個的GPU面積要大一些。

以這個額外面積來計算，我們愿意相信Chipworks所說的A6X將SDRAM的接口寬度加倍了，并且還加入了一些新的接口模塊。他們還看到A6X中少數(shù)幾個PLL占到了幾個平方毫米。

此消就彼漲。問題是要看是否還有其它的不同。再看一看A系列家族處理器的演進吧。這張?zhí)O果芯片的家譜圖應(yīng)該能說明一些問題。

上面是一張A系列家族樹圖。從2010年的A4處理器開始，到之前幾個月剛發(fā)布的A6X結(jié)束，總共合計有5款處理器。每個AP的基本信息，包括了它是在哪個產(chǎn)品中發(fā)布的，它的尺寸和面積。在過去的三年中，產(chǎn)品樹上發(fā)生了兩大演進。第一是原來的芯片家族被分支發(fā)展成兩個不同的AP線。其次是工藝從原來的45納米進化到目前的32納米工藝。兩點都會有更詳細的考慮。

“X”命名在第5代處理器于2012年3月發(fā)布進開始采用。A5X相雙A5，它的晶圓尺寸增長了35%。從實際數(shù)據(jù)來看，這些增加的尺寸中至少包括了CPU加倍在內(nèi)。

圖像處理能力對比上，從iPad 2到iPad 3，以像素處理數(shù)目對比，兩者相差了4倍。

分支發(fā)展的更多的證據(jù)是A系列芯片中除CPU和GPU之外的數(shù)字模塊的數(shù)量。在A5中有12個，在A5X中則有15個。

在第6代的A系列處理器中，分支發(fā)展又是什么呢?

正如前面所指出的是，A6X與A6不同是的是GPU的不同。我們還知道這兩塊芯片的布線、接口和PLL的不同之處。接下來看一看CPU與GPU之外的數(shù)字模塊吧。

兩款處理器中的數(shù)字模塊中有很多是相同的。這里再次參考一下Chipworks的A6X的文章：“除CPU外，看上去所有其它的數(shù)字核都有新的布線”， 并且“很多模擬和接口核都從A6中復(fù)用到了A6X中，然后這里還是有很多新的接口模塊。”

但在晶圓了除中數(shù)字模塊就沒有其它的嗎?我們沒有看到對此的評論。他們真的提到過A6X有相當(dāng)多的新的設(shè)計，而不僅僅是一個調(diào)整。然而，很有試想一下會很有意思，是不是已經(jīng)有證據(jù)顯示，這里面有不同的數(shù)字模塊的設(shè)計調(diào)整，而不僅是布線的變化?

請看一下晶圓的照片，A6和A6X分別有17和16個除CPU和GPU之外的數(shù)字模塊。

可以肯定的是，兩塊芯片中都會有相同的模塊。首先要注意到的是，A6和A6X的模塊形狀就有很大的區(qū)別。很顯然的是，芯片的平面布局取決于幾個最大的模塊的數(shù)量和位置(在A6X中還有一個額外的GPU)，留給小模塊的就是要剩下的空間中找合適的位置。如果不打算考慮最小化重新定義芯片外觀去適應(yīng)主要的架構(gòu)上的變化的任務(wù)，只靠復(fù)制和粘貼也是不能實現(xiàn)平面布局的。

當(dāng)然還會有除了CPU和GPU之外的不同點。上面說過數(shù)字模塊的數(shù)量就不相同。

如果想做又有相關(guān)的預(yù)算，硬核的反向工程是可能的。除了反向工程，找不同的問題還可以采用兩個方法。例如，一是從質(zhì)量分析模塊中的緩存數(shù)量。采用這種方法，在A6的晶圓照片上這個被標(biāo)記為“B”的模塊就沒有出現(xiàn)在A6X中，即使考慮到了布線的不同。

你也可以從數(shù)量上分析，但不需要一個大的反向工程的項目。在下面A6和A6X中最容易辨識的五個數(shù)字模塊中，四個模塊的面積比A6中要么大或者小8至10個百分比。這個區(qū)別是在于測量誤差中的較大值(我們參考的CW出版的晶圓尺寸和在網(wǎng)站上發(fā)布的聯(lián)合圖片文件的精度)，因此相信這說明這些模塊中有一些較小的變化。第五個模塊看上去就差別非常大。A6X版的這個數(shù)字模塊是A6版的3倍。

暫時再回到一個處理器內(nèi)核，在A6X中有4個GPU內(nèi)核，A6中有3個(Chipworks聲稱)。每個內(nèi)核的設(shè)計也是大不相同。

A6的GPU的內(nèi)核比A6X要大58%。在GPU內(nèi)核中，會有一個專門的解碼器，或是處理一個GPU負載平衡的部分，A6X這一塊的晶圓面積就要大了近兩倍。

第二個主要的演變就是從45納米的工藝演進到32納米的工藝。A5是采用了兩種工藝，在2012年初或是11年末，A5采用了32納米。由于采用到更小的工藝，因此直接在幾何面積上的比較晶圓的裸片上的模塊大小，并不能算是很科學(xué)，所以我們都將晶圓和模塊對比換算成32納米的。結(jié)果如下面表格所示。

從表格中看出幾點。一是換算成32納米的話，兩個處理器的晶圓面積都在增長。

A6處理器在2012年9月發(fā)布，相比A5要小22%。以硅面積來算是正確的，但如果拋去工藝的縮小來看，事實上它還大了“36%”。同樣，A6X比它的5系兄弟也大了29%。

晶體管的數(shù)量也多了不少。從晶圓裸片看，擁有定制化的內(nèi)核的A6處理器的CPU大了50%。另一方面，GPU的面積也增加了。

由于iPad 4維持了與iPad 3一致的310萬顯示像素，因此在A6X中有提升圖像處理能力的空間。因此，在A6X的GPU增加的39%的面積可以不用來處理更多的像素，而只需要提供更好的效果。

蘋果的設(shè)計成就怎么樣?

當(dāng)我們第一次在2010年發(fā)表A4的文章時，我們發(fā)現(xiàn)它與三星的設(shè)計有很多共同之處。在A5于2011年末發(fā)布時，我們認(rèn)為是有很大的進步，并且預(yù)計到蘋果在掌握了IC設(shè)計和OS后，他們定制化的路會越走越寬。

關(guān)于A6/A6X最意外的是蘋果采用了雙核的ARM內(nèi)核。其次恐怕是不斷地在A系列芯片中增加“電路”?？偨Y(jié)就是，蘋果A系列的芯片已經(jīng)成為比較像電路設(shè)計，并且會持續(xù)下去。沒有其它了。

其它的想法

首先，很想知道芯片的晶圓尺寸會增加到哪里去。

隨著過去兩代10.1寸的iPad的像素都穩(wěn)定下來，增加的芯片能力將會用來提升性能，而不是處理更多的像素。

其次，很想知道芯片中的模塊會如何變化，收購的Anobit或是Authentec公司的IP很可能會出現(xiàn)在將來的設(shè)計中。

最后一點，也是一個很大的問題：蘋果會不會自己設(shè)計GPU?很明了，GPU所占的硅片越來越多，無論是看整個的A系列還是在某個分支之內(nèi)。基于他們在客制化CPU的設(shè)計動向，這一點很可能已經(jīng)在考慮之中了。問題是能夠有足夠的工程設(shè)計資源或是圖像處理的IP資源，當(dāng)然這個問題最好是留到下次再說。