論iPhone處理器十年進(jìn)化史

今天，蘋果發(fā)布了最新一代的iPhone，作為新一代的旗艦，新手機(jī)的功能承載了蘋果對(duì)未來(lái)的希望和消費(fèi)者的期待。但從我們半導(dǎo)體人看來(lái)更關(guān)注的是內(nèi)部技術(shù)的演變，尤其是其處理器上。

從iPhone 4上搭載自身研發(fā)的第一顆A系列處理器A4以來(lái)，蘋果一直都保持每年九月更新一代手機(jī)，同時(shí)更新一代處理器的發(fā)展頻率。處理器的性能也在每次更新中得到了大幅提升。新發(fā)布的A11處理器使用了2+4的六核設(shè)置，集成了四十多億個(gè)晶體管，在性能上相對(duì)上一代有了很大的提升。無(wú)疑是一個(gè)處理器強(qiáng)者。

值著新處理器發(fā)布之際，我們來(lái)回顧一下蘋果的每一代處理器及其發(fā)展過(guò)程。

A4：橫空出世

在劃時(shí)代的iPhone 4發(fā)布之前，蘋果每一代iPhone產(chǎn)品使用的都是第三方的處理器。例如在iPhone 3GS上使用的是ARM Cortex-A8架構(gòu)的Samsung S5PC100處理器。但是到了2010年發(fā)布的iPhone 4，蘋果推出了自主研發(fā)的處理器A4，這也是蘋果首次在iPhone上用上A系列處理器。

Apple A4基于ARM架構(gòu)，第一版發(fā)布型號(hào)內(nèi)部集成基于45納米制程的一顆ARM Cortex-A8處理器內(nèi)核以及一顆PowerVR SGX 535圖形處理內(nèi)核。根據(jù)核心顯微拍照?qǐng)D顯示，其Cortex A8核心和三星自行研發(fā)的S5PC110芯片相比，去除了一些接口部件，并將L2 Cache由S5PC110的512KB擴(kuò)大為640KB，在同等頻率下其性能應(yīng)略好于S5PC110。

A5：雙核初體驗(yàn)

A5 是由美國(guó)蘋果公司所設(shè)計(jì)并由三星電子所生產(chǎn)的ARM處理器，用于取代Apple A4。iPad 2使用是Apple A5處理器的第一款設(shè)備，2011年10月4日推出的iPhone 4S也采用Apple A5處理器，2012年10月推出的iPad Mini仍然繼續(xù)采用了Apple A5處理器，安裝該芯片設(shè)備廣泛的販?zhǔn)哿硕嗄曛谩?/p>

Apple A5 采用 45 及 32 納米Core ARM Cortex-A9同步雙核心架構(gòu)，蘋果公司聲稱其運(yùn)算性能可提升2倍，其配備有IT公司頻率為200MHz的PowerVR SGX543 MP2 GPU，繪圖性能較前一代A4提升7倍之多，具備低功耗特性，支持低功耗DDR2 DRAM 。A5的成本估計(jì)比A4貴75%，但隨著產(chǎn)量增加，價(jià)格差異應(yīng)會(huì)減少。

通過(guò)對(duì)蘋果A5處理器初步的芯片顯微分析，我們發(fā)現(xiàn)A5主要有兩方面的特性值得注意。首先，A5的核心面積要比A4大了不少。UBM Techinsights 和Chipworks兩大分析機(jī)構(gòu)都得出A5的核心面積達(dá)到12.1X10.1mm=122平方毫米的結(jié)論。相比A4的53平方毫米，其面積增加到了A4的2.3倍。

我們來(lái)看一看A4/A5的核心布置圖，考慮一下是什么導(dǎo)致了A5面積的極大增加。這里我們采用的是Chipworks的核心布置圖，圖中可見，A5中集成的兩個(gè)ARM核心占去了A5總面積的14%左右，這個(gè)比例與ARM單核心在A4中占取的面積比例是大致相似的。

值得一提的是，在A5之后還有個(gè)A5X，這是由美國(guó)蘋果公司所設(shè)計(jì)的同步雙核心處理器Apple A5的派生版本，僅圖形處理器升級(jí)為四核心PowerVR SGX543 MP4，專用于iPad (第三代)。蘋果公司聲稱其圖形處理能力為上一代iPad 2所采用之Apple A5處理器的二倍，更達(dá)到競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手NVIDIA Tegra 3處理器的四倍。

A6：多核時(shí)代的堅(jiān)守

進(jìn)入了2012年，NVIDIA、SAMSUNG與Qualcomm競(jìng)相推出四核心智能手機(jī)處理器芯片組之后，智能手機(jī)也從今年進(jìn)入了「四核心時(shí)代」。然而iPhone 5在屏幕尺寸與手機(jī)處理器芯片的規(guī)劃上，我們可看出Apple不愿盲目追隨市場(chǎng)潮流、堅(jiān)持既有產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則的態(tài)度。因?yàn)檫@一年他們推出的A6依然是雙核。

這個(gè)芯片采用蘋果公司研發(fā)的Swift架構(gòu)同步雙核心中央處理器，并整合頻率為 266 MHz 的PowerVR SGX543 MP3圖形處理單元，CPU Clock Speed 可達(dá) 1.3GHz。記憶體控制器升級(jí)到 1066MHz LPDDR2 (8.5 GB/sec) 使用三星電子的32nm HKMG工藝制造，大小為96.71 平方毫米，面積比Apple A5(45nm版本)小22%和擁有更小的耗電量。

Swift架構(gòu)使用ARMv7s指令集，并含有多項(xiàng)ARM Cortex-A15 MPCore的特性，例如支持Advanced SIMD v2 和 VFPv4。Swift有三個(gè)前端解碼管線和2個(gè)FPU單元，相比之下，基于Cortex-A9的CPU只有2個(gè)前端解碼管線和1個(gè)FPU單元。

A6 處理器封裝了 1 GB LPDDR2-1066 RAM，相比之下A5處理器只封裝了 512MB LPDDR2-800 RAM，理論內(nèi)存帶寬也從 A5 的6.4 GB/s 增加至 8.5 GB/s。A6還搭載了一個(gè)新版的ISP，與A5對(duì)比，A6的拍攝速度、低光照下性能、噪聲消去和視頻防抖性能都有提升。

同樣在這年，蘋果推出了A6X。A6X是蘋果公司客制化的SoC。它是Apple A6的衍生版本，包含與Apple A6相同的同步雙核心ARMv7架構(gòu)中央處理器，僅圖形處理器升級(jí)到運(yùn)行于300MHz的四核心PowerVR SGX554 MP4。[3][4]不同于A6，A6X被導(dǎo)熱片覆蓋，且內(nèi)存模塊與芯片分開封裝。

A6X同樣由三星電子代工，使用32納米制程HKMG (High-κ Metal Gate)制造，面積123mm²，比A6大26%。A6X是該公司最后一款32位元架構(gòu)的A系列SoC。

A7：移動(dòng)CPU進(jìn)入64bit時(shí)代

這代處理器對(duì)蘋果來(lái)說(shuō)是一大步，對(duì)于整個(gè)移動(dòng)處理器產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)也是一大步，因?yàn)榧@個(gè)處理器，移動(dòng)處理器進(jìn)入了64bit時(shí)代。A7是一款64位桌面級(jí)架構(gòu)處理器，這是劃時(shí)代的CPU，殺得眾安卓措手不及。

移動(dòng)計(jì)算和傳統(tǒng)桌面計(jì)算的界限開始模糊，對(duì)于業(yè)界來(lái)說(shuō)意義非凡而深遠(yuǎn)。同時(shí)由于A7出色的性能和功耗，這次蘋果沒(méi)有設(shè)計(jì)X后綴 的芯片，而是讓iPad直接用上了A7，足見這款其強(qiáng)大性能。

采用64位元架構(gòu)目的是提高RAM的定址能力，32位元系統(tǒng)的RAM最高只能支援到4GB(2的32次方)，而64位元系統(tǒng)理論上可以支援到16 EB(exabytes，2的64次方，16 EB等于16,777,216 TB)，兩者差別相當(dāng)明顯。不過(guò)以iPhone來(lái)講，最新的iPhone 5S RAM容量也不過(guò)只有1GB，甚至所謂的吃記憶體怪獸Android，目前記憶體最高的Samsung Galaxy Note 3也只有3GB，都還不到32位元系統(tǒng)的限制，而且高容量的RAM，在初始化(initialize)時(shí)也需要大量耗電，對(duì)于電量有限的智能手機(jī)來(lái)說(shuō)，首要目標(biāo)應(yīng)該是省電，而不是把電耗在更多還不需要用到的記憶體上面。

另外要發(fā)揮64位元處理器的優(yōu)勢(shì)，包含操作系統(tǒng)以及App都要是64位才行;不過(guò)64位App不論是在檔案大小或是需要RAM的容量都會(huì)變得更大，這樣除了更占空間以外，也讓電源管理變得更復(fù)雜。

蘋果公司表示，這個(gè)CPU與GPU效能都是Apple A6的兩倍。CPU部分采用64位元的ARMv8架構(gòu)，這使得iPhone成為全球首款采用64位元處理器的智能手機(jī)。此DoC由三星電子以28納米制程代工生產(chǎn)。

CPU部分是蘋果公司自行研發(fā)64位元ARMv8雙核心處理器，所以架構(gòu)不會(huì)完全遵照Cortex-A57。蘋果表示，Apple A7包含超過(guò)10億個(gè)晶體管，晶粒(Die)大小為102mm²。相比下，Intel的桌面型處理器Core i7-4770K包含了8MB L3，晶體管也只是14億，Die大小為177mm²。

泄漏出來(lái)的資料顯示，GPU部分沒(méi)有出現(xiàn)任何以往的SGX5系PowerVR函數(shù)，上代iPhone 5采用PowerVR SGX543，iPhone 5S則采用A7 GPU，后經(jīng)Chipworks檢測(cè)，新的GPU是全新6系PowerVR G6430，蘋果表示GPU性能已達(dá)初代iPhone的56倍，性能達(dá)到游戲主機(jī)級(jí)別(即是PS3和Xbox 360)。測(cè)試表明性能已經(jīng)遠(yuǎn)超iPad上采用的PowerVR SGX543 MP4組合。

A8：20nm工藝初體驗(yàn)

Apple A8是蘋果在2014年推出的第二代64bit產(chǎn)品，這是業(yè)界首款采用20nm工藝的芯片。跟以往不同的是，這次蘋果芯片改由臺(tái)積電代工，而不是之前的三星。蘋果公司宣稱它比上代Apple A7在CPU性能高25%，繪圖性能高50%，能源效益高50%。

CPU部分為自家定制的“改良版Cyclone”，上代A7則是“Cyclone”，維持雙核心設(shè)計(jì)，L1緩存為64KB指令+64KB數(shù)據(jù)，L2為1MB，L3則為4MB。GPU則采用Imagination Technologies的PowerVR GX6450，核心數(shù)目依然為4個(gè)，依蘋果公司的宣稱，比上代繪圖性能高50%。值得一提的是蘋果公司也持有Imagination Technologies公司9.5%股權(quán)。

Apple A8采用臺(tái)灣積體電路制造公司20nm制程生產(chǎn)，不再由三星代工。臺(tái)積電宣稱，20nm工藝相比于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%，具體如何權(quán)衡就看芯片設(shè)計(jì)了。

它包含20億個(gè)晶體管，大約是Apple A7的兩倍，晶粒大小卻減少13%，由102mm2減至89mm2(沒(méi)有采用新架構(gòu)，只是晶體管排得密。根據(jù)估量，A8 CPU部分面積約12.2平方毫米，相比于A7 17.1平方毫米縮小了29%，也就是說(shuō)在塞入了更多晶體管后，蘋果憑借更新的工藝，反而減小了CPU所占面積。

1GB LPDDR3內(nèi)存亦一同封裝在SoC。iPhone 6采用的LPDDR3內(nèi)存是由SK Hynix生產(chǎn)，iPhone 6 Plus的內(nèi)存則由Elpida生產(chǎn)。

A8的內(nèi)存子系統(tǒng)基本沒(méi)變，只有一些細(xì)微的調(diào)整。SRAM緩存依然存在，繼續(xù)同時(shí)為CPU、GPU服務(wù)(可視為三級(jí)緩存)，容量還是4MB，而內(nèi)存控制器還是支持LPDDR3-1600。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，A8的內(nèi)存帶寬比A7略有增加，2-9%的樣子，很小，說(shuō)明來(lái)自進(jìn)一步優(yōu)化。

在A8之后，蘋果發(fā)布了A8X，蘋果A系列GPU正式邁進(jìn)了八核時(shí)代。

A8X用的架構(gòu)仍然是增強(qiáng)版的Cyclone 架構(gòu)，這個(gè)處理器有30 億個(gè)晶體管，是A8 的150%，更是A7 的3 倍，他們推算面積會(huì)大于A6X 的123 平方毫米，雖然對(duì)iPad 來(lái)說(shuō)仍然安裝得到，但是晶體管大幅增長(zhǎng)令處理器面積將僅次于A5X 的165 平方毫米，是蘋果第二大面積的處理器芯片。

對(duì)比之前的A8處理器，單線程的處理跑分為1798，增加了12%，而多線程的跑分是4468，竟然比A8增加高達(dá)55%，比A7，更高出68%，也比蘋果網(wǎng)站的描述更高。與A7以及A8一樣，提供4MB的L3緩存空間，同樣也沒(méi)有把處理器以及圖像處理分隔開，令處理的時(shí)候可以用盡所有頻寬，提升處理速度。

A9：兩種工藝帶來(lái)的性能之爭(zhēng)

Apple A9內(nèi)含了基于蘋果自主微架構(gòu)(區(qū)別于ARM發(fā)布的公版微架構(gòu))的中央處理器核心，擁有64比特ARMv8-A指令集架構(gòu)。這款芯片于2015年9月9日發(fā)布，首先被搭載于iPhone 6S和iPhone 6S Plus智能手機(jī)中。蘋果公司宣稱該芯片較前一代蘋果A8的中央處理器性能提高了70%，而圖形性能提高了90%，是當(dāng)代性能最強(qiáng)的ARM架構(gòu)芯片。

作為一款雙核64位處理器，系統(tǒng)主頻為1.85 GHz，兼容ARMv8A指令集架構(gòu)，蘋果給這個(gè)自主研發(fā)的微架構(gòu)的代號(hào)命名為“Twister”。

iPhone 6S搭載的A9芯片內(nèi)有2 GB的LPDDR4內(nèi)存。高速緩存方面，A9芯片的兩個(gè)處理器核心各自擁有64 KB的一級(jí)指令緩存和64 KB的一級(jí)數(shù)據(jù)緩存，而3 MB二級(jí)緩存、4 MB的三級(jí)緩存則由兩個(gè)核心以及系統(tǒng)芯片其他部分分享。A9芯片的“Twister”微架構(gòu)類似第二代“Cyclone”微架構(gòu)(用于A8芯片)。

它具有以下特性：16級(jí)指令流水線，指令發(fā)射寬度為6，加載指令延遲周期為4，分支預(yù)測(cè)失敗代價(jià)周期為9，擁有4條整數(shù)流水線、4個(gè)算術(shù)邏輯單元、2個(gè)存取單元、2個(gè)分支單元等。A9芯片相較A8芯片性能的大幅提升主要是得益于其1.85 GHz的主頻率、更好的存儲(chǔ)子系統(tǒng)、更細(xì)致入微的微架構(gòu)調(diào)校和更低的工藝節(jié)點(diǎn)。

該芯片還包含了一個(gè)新的圖像處理器，能為照相機(jī)提供更佳的降噪、調(diào)焦性能。A9芯片內(nèi)部還直接集成了一個(gè)M9運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器，這個(gè)協(xié)處理器主要負(fù)責(zé)采樣和處理加速度傳感器、陀螺儀、指南針、壓力傳感器等的數(shù)據(jù)，同時(shí)還負(fù)責(zé)識(shí)別Siri語(yǔ)音命令。

在代工方面，蘋果第一次使用雙代工的策略。

這個(gè)芯片采用了臺(tái)積電16nm、三星14nm聯(lián)合制造，但也因此造成了兩種芯片之間存在一些差異，引發(fā)了很大爭(zhēng)議。

臺(tái)積電、三星兩個(gè)版本的核心面積截然不同，前者有104.5平方毫米，而后者控制在了96平方毫米，差了約9%。不過(guò)，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一樣的，都有相同的CPU、GPU、內(nèi)存控制器、協(xié)處理器等等，只不過(guò)在不同的工藝條件下，具體布局、細(xì)節(jié)略有差異。

說(shuō)起核心面積，蘋果A系列處理器一直控制在100平方毫米上下，不過(guò)隨著每一代都升級(jí)新工藝，也有明顯的起伏波動(dòng)。45nm A5是近來(lái)最大的，達(dá)到了122平方毫米;20nm A8則是最小的，只有89平方毫米。20多億個(gè)晶體管的A9其實(shí)不大不小。

同樣地，蘋果在之后推出了A9X。

A9X依然采用雙核心設(shè)計(jì)，不增加核心數(shù)目主要是由于在保證芯片尺寸盡可能小的前提下，想要增加一顆CPU核心實(shí)在是太難了。

GPU方面，A9X的內(nèi)核中一共被發(fā)現(xiàn)了6個(gè)GPU單元，每個(gè)單元內(nèi)有兩個(gè)GPU核心，算下來(lái)一共就是12個(gè)GPU核心，共計(jì)384個(gè)流處理器，比Tegra X1的256個(gè)還多。

A10：媲美個(gè)人電腦的四核CPU

2016年9月7日，蘋果發(fā)布了iPhone 7和iPhone 7 Plus智能手機(jī)，在新旗艦中搭載了蘋果的新一代處理器Apple A10 Fusion。

10 Fusion是基于ARM架構(gòu)下，蘋果首款使用big.LITTLE配置的四核心SoC，包括兩枚高性能核心及兩枚高效節(jié)能核心。不過(guò)A10 Fusion采用就是big.LITTLE內(nèi)核內(nèi)置切換器方式(In-kernel switcher，IKS)而不是高通驍龍820采用的HMP方式：一個(gè)低功耗核心和一個(gè)高性能核心組成一對(duì)，共用L2緩存，作為一個(gè)虛擬CPU核心(在iOS內(nèi)核中根據(jù)負(fù)載需要切換)，每個(gè)虛擬CPU核心在同一時(shí)間點(diǎn)上只有高性能核心或低功耗核心在運(yùn)作，因此在iOS中僅能看到兩顆處理器核心。

A10的高性能CPU核心代號(hào)為“颶風(fēng)”(Hurricane)，而低功耗CPU核心代號(hào)為“微風(fēng)”(Zephyr)，均為蘋果公司自行設(shè)計(jì)的ARMv8兼容微架構(gòu)。蘋果宣稱此芯片較上代在CPU性能提升了40%，在圖形運(yùn)算提升了50%。

這一代的A10 Fusion成為蘋果首款四核處理器，官方數(shù)據(jù)顯示，它擁有33億個(gè)晶體管，A10 Fusion處理器擁有兩個(gè)大核心和兩個(gè)小核心，在性能方面，A10 Fusion處理器會(huì)比iPhone6s的A9處理器提升40%之多，比起iPhone6的A8處理器更是高出了2倍!更重要的是，耗電量只是以往的五分之一。

同樣地，A10 Fusion處理器在GPU方面也有非常大的提升，A10的GPU處理速度比起A9處理器快了接近50%，更是A8的3倍，而耗電也比起A9減少了三分之一，比起A8直接降了一半的功耗。此外，據(jù)蘋果官方介紹，得益于全新的A10 Fusion處理器以及M10處理器，iPhone7的續(xù)航時(shí)間比iPhone6s增加了2小時(shí)，iPhone 7 Plus的續(xù)航時(shí)間也比iPhone 6s Plus增加了1小時(shí)。

當(dāng)然，A10X也是少不了的產(chǎn)品。

Apple A10X Fusion是蘋果公司設(shè)計(jì)的64位ARM架構(gòu)SoC，首次搭載于2017年6月5日發(fā)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協(xié)處理器[2]。A10X是A10的變種，蘋果宣稱其與A9X相比，CPU速度提升了30%，GPU速度提升了40%。

總結(jié)

問(wèn)世十年，蘋果iPhone全球銷量也突破了12億臺(tái)。也就是蘋果每年銷量也會(huì)超過(guò)一億臺(tái)。蘋果公司的市值也一路狂飆。背后的技術(shù)提高和產(chǎn)品體驗(yàn)是最基礎(chǔ)的保證。A系列處理的作用功不可沒(méi)。我們期待蘋果未來(lái)給我們帶來(lái)更多的新技術(shù)，更好體驗(yàn)的產(chǎn)品。