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蘋果iPhone性能逆天強 A系列芯片背后秘密揭開

發布時間:2021-11-16 07:27:03 來源:快科技 責任編輯:caobo

今年9月,蘋果如期發布了iPhone13系列,他們身上有著不少讓競爭對手難以企及的閃光點:比如iPhone13ProMax憑著比很多安卓旗艦還要小的電池容量,卻實現了鶴立雞群般的續航成績,此前能做到這種表現的,也只有一部分大電池且性能較低的中端機型。

而且iPhone13系列在性能足夠強大到在馴服《原神》的同時,還實現比較理想的溫控水平,最后《原神》官方還特意為iPhone13Pro系列開放了120幀的選項,其性能之逆天可見一斑。

蘋果iPhone13系列能取得如此出色的表現背后,得歸功于其所搭載的A15處理器,蘋果宣稱A15處理器要比其他安卓手機快50%或以上,相比于自家去年的A14處理器,A15除了架構和規模方面的升級以外,還有一個易被人所忽略的點就是A15處理器在制程工藝方面的進步。

盡管A14和A15采用了看似一樣的臺積電5nm工藝,可是A15卻采用的是臺積電最新的N5P工藝,性能相較此前的N5工藝提升了7%,功耗也下降了15%,和一眾搭載三星5nm工藝旗艦處理器的安卓手機來說,臺積電的工藝所帶來的優勢不言而喻。

不少朋友可能會覺得疑惑,為什么蘋果A系列處理器會這么強呢?

答案是,蘋果A系列處理器之所以能領先安卓陣營一兩代,一方面是因為蘋果強大的芯片設計能力,而另一方面則是蘋果始終都在用最新最先進的芯片制程工藝,可以說,蘋果A系列處理器的發展史,就是濃縮的芯片制程工藝進步史,接下來不妨讓我們一起來回顧一下吧。

2010年前是諾基亞最后的輝煌時期,此時蘋果的iPhone一代、iPhone3G以及iPhone3GS一直都是用的三星所研發生產的處理器,比如3GS就是采用的是三星的S5PC100處理器。

或許是出于減少對三星的依賴考量(畢竟雙方正逐步在手機市場上成為競爭對手),蘋果也組建了自己的處理器設計研發團隊。

從魔改到自研

蘋果的小試牛刀是2010年跟著iPhone4一起發布的A4處理器,該芯片采用了一顆定制的三星45nm制程800MHzARMCortex-A8的單核心處理器,GPU為PowerVRSGX535,摒棄了iPhone4或iPad所不需要的模塊,L2的緩存加大到640KB。

其在同等頻率下性能表現好于三星S5PC110。但即便如此,由于A4處理器上還有不少三星的影子,仍然不能算是蘋果真正自主研發的產物。

2011年的iPhone4s是喬布斯的遺作,其搭載的A5處理器也同樣具有特殊意義,它是第一款蘋果設計的雙核處理器芯片。

雖然采用了和上一代一樣的三星45nm制程工藝,但它的變化遠不止是增加了一顆核心那么簡單,它的處理器架構是脫胎于上一代的Cortex-A8平臺的新架構——Cortex-A9,擁有更高的計算能力和更低的功耗。

GPU部分則搭載了PowerVRSGX543+,圖形性能提升明顯。當時蘋果號稱該處理器CPU性能是初代iPad的兩倍,GPU是初代的9倍,A5X是其性能的加強版,圖形處理器采用的是四核心,用于第三代iPad,圖形處理能力為iPad2上的兩倍。

2012年發布的A6處理器由蘋果旗下的子公司Intrinsity設計、三星代工制造,采用了獨特自研架構設計,性能介于Cortex-A9和Cortex-A5之間,基于32納米HKMG工藝打造,具有能動態調整CPU電壓/頻率特性,GPU集成的是一顆三核心的PowerVRSGX543MP3圖形處理單元,性能是上一年A5的兩倍多。

A6處理器橫空出世的時候,蘋果iPhone手機就已經是傲視群雄的存在了,當時搭載A6處理器的iPhone5在跑分榜上就將不少采用四核處理器的安卓機皇踩在腳下,蘋果也向世人證明了一款處理器性能如何并不能只看它的核心數量。

進入64位處理器時代

iPhone5s對于蘋果而言是一個新的高度,除了開創手機指紋識別的先河,其搭載的A7處理器也為手機處理器打開了64位時代的大門,這款芯片無疑有著巨大的跨時代意義。

A7采用的是全新的64位設計,采用了三星28nm制程工藝打造,使用了Arm-v864位指令集以及自家的Cyclone架構,主頻為1.3GHz。A7處理器的性能比iPhone5上的A6快2倍,是初代iPhone上使用的處理器的40倍,圖形能力是初代的56倍,它的理論性能比肩當時的Xbox360和PS3。

此外,從A7開始蘋果為旗下處理器配備低功耗協處理器M系列,專門負責計算手機的各項傳感器數據,并且可以保持極低的功耗。

而此后A8,A9,A10這幾代則是進一步提升核心數和制程工藝,性能也節節攀升,從20nm到16nm,蘋果也在這幾年在臺積電和三星之間反復橫跳。

值得一提的是,A9和此前產品相比最特別的就在于當時蘋果實行的雙代工廠戰略,A9的代工訂單同時交給三星和臺積電兩家公司分別進行。

但是因為三星是14nm,臺積電是16nm,兩種工藝制作出來的芯片存在明顯差異,臺積電代工版本在能效發熱的表現更好,這在當年還引起過軒然大波。

或許正因為如此,蘋果在第二年發布的A10處理器上,便全部更換為臺積電代工,以免出現A9處理器上那種尷尬局面。

Bionic(仿生)的到來

時間來到2017年,這是iPhone發布的第十個年頭,這一年對蘋果來說,無論是A系列處理器還是iPhone都進入下一個時代。iPhone8為之前的iPhone設計語言畫上完美的句號,而全新的iPhoneX則開啟了全面屏及FaceID的新時代。

那年的A11Bionic堪稱性能怪獸。A11采用臺積電當時最先進的10nm工藝制程,擁有43億個晶體管,采用六核心的設計,大核性能相比A10提升25%,4顆小核相較A10提升70%,多性能處理提升75%;搭載的GPU是蘋果自研的三核心GPU,性能較A10性能提升30%,而功耗則降低了50%。

此外,A11首次搭載雙核神經網絡引擎,每秒運算次數高達6000億次,主要勝任機器學習任務,能夠識別人物,地點和物體,最典型的應用便是其首次推出的FaceID及其衍生功能動畫表情。

對于蘋果來說,A11處理器更有意義地方在于其是蘋果當時自主程度最高的一代A系列處理器,當中包括自研CPU,自研GPU,自研ISP,自研解碼器等等。

當然還包括神經網絡引擎,也是從那一年開始,幾乎所有手機廠商都把AI運算能力當做宣發PPT的主打頁面,AI時代就此開啟。

A12Bionic處理器是業界首款7nm芯片,它仍然是基于蘋果自研的Fusion架構打造,根據蘋果給出的數據顯示,2個大核提升15%,4個小核功耗表現提升50%。

該處理器在GPU部分采用新一代自研芯片,核心數升至四核,官方宣稱性能提升50%,而升級幅度最大的莫過于神經網絡引擎,從雙核飆升至八核,能夠實現每秒50000億次計算。

蘋果A13處理器采用的是臺積電第二代7nm工藝,專為高性能和低功耗而量身定制,塞下了85億個晶體管,其CPU部分由兩個大核和四個小核組成,相比于前代,兩個性能核心速度最高可提升20%,能耗最多可降低30%,四個能效核心速度提升了20%,而能耗方面則降低了25%之多。

而GPU部分,蘋果表示它針對Metal框架進行了優化,擁有四個內核,性能提升了20%,功耗比上代低了40%;配備八個神經網絡引擎,大家可以理解為NPU之類的東西,性能較上代提升了20%,能耗降低15%,它為三攝系統、FaceID與AR類APP提供強大的性能支援。非常適合高性能游戲和最新的增強現實體驗。

去年發布蘋果iPhone 12系列的A14仿生處理器是全世界首款批量生產的5nm處理器,集成了118億個晶體管。

區別于前代7nm的升級,此次的5nm制程工藝是一次大跨越。A14芯片在整個過程中應用了極紫外(EUV)光刻技術,晶體管密度較7nm芯片提高80%,相同功率下運行速度可以提高15%性能、同性能下則可降低30%的功耗。

規格方面,CPU部分選用了六核心設計,包括兩顆大核心以及四顆小核心,官方宣稱性能提高幅度高達40%。

GPU部分則采用了蘋果全新的架構設計,依然是四核心,性能卻提高了30%。

神經網絡引擎方面本次也從8核心升級到了16核心,AI運算能力提升到了11.8萬億次,號稱機器學習能力提升70%,運算速度提高10倍。

此外,A14 Bionic在ISP、安全功能、ML主控等方面也進行了升級。

從性能跑分上看,A15處理器有著數十倍A4處理器的水平,而這也不過是10年的光景,芯片制程工藝也從最初的45nm進化到了如今的5nm。

這其中除了蘋果日益精湛的芯片設計能力外,我們還得知道,為了盡可能地實現摩爾定律,半導體行業的科研人員們也付出了無數個日夜的努力,才能在指甲蓋大小的芯片里塞下更多的晶體管。

正如稻盛和夫說的那樣,“要想成就偉大的事業,除了腳踏實地的努力,別無他法。”當下我們的科技發展亦是如此。

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