蘋果A11芯片深度解析：CPU+GPU+AI火力全開

9 月 13 日凌晨，蘋果在秋季發(fā)布會上正式推出了全新一代 iPhone 智能手機(jī)：iPhone 8、iPhone 8 Plus 和 iPhone X（發(fā)音為 iPhone 10）。

這三款新設(shè)備的都搭載了全新的移動芯片，蘋果稱之為 A11 仿生（不是“Fusion”），并表示這是 iPhone 上有史以來最強(qiáng)大、最智能的芯片。

通過發(fā)布會介紹的 A11 仿生芯片細(xì)節(jié)，不難發(fā)現(xiàn)蘋果自主定制芯片野心非常大，可謂雄心勃勃。并且隨著時間的推移，針對半導(dǎo)體芯片的定制設(shè)計越來越多，A11 達(dá)到了前所未有的高度。

蘋果在發(fā)布會中的幻燈片多次出現(xiàn)并多次強(qiáng)調(diào)，A11仿生芯片內(nèi)部的CPU、GPU、性能控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元、ISP等這些都是蘋果自己設(shè)計（Apple-designed）的。

那么，關(guān)于蘋果這枚“智能過人”的 A11 芯片，其亮點有哪些？對未來的重要影響又在哪里呢？

自主設(shè)計的CPU內(nèi)核：六個核心在A10芯片上，蘋果推出了所謂的“Fusion”技術(shù)，CPU采用新的四核心設(shè)計，擁有2個高性能核心和2個高能效核心。高低能效兩種內(nèi)核可以根據(jù)不同的需要，來達(dá)到理想的性能與能效表現(xiàn)。

其中高能效內(nèi)核用于應(yīng)付密集型的重度任務(wù)，提升處理速度保證性能。而高能效內(nèi)核則應(yīng)用于日常事務(wù)，低能耗運(yùn)行，從而保證電池續(xù)航能力的提升，享受更長的單次充電續(xù)航時間。

最新的A11仿生芯片，蘋果又向前邁進(jìn)了一步。

這一次A11仿生的CPU采用了六核心設(shè)計，由2個高性能核心與4個高能效核心組成。相比A10 Fusion，其中兩個性能核心的速度提升了25%，四個能效核心的速度提升了70%，性能與能效表現(xiàn)更加出眾。

關(guān)鍵是，蘋果還準(zhǔn)備了第二代性能控制器，因此可以同時發(fā)揮六個核心的全部威力，性能提升最高可達(dá)70%，以應(yīng)對多線程工作負(fù)載。

對于六個CPU 核心全部發(fā)揮性能這一點，究竟提升多大還不清楚，但至少在基準(zhǔn)測試上，目前泄露的跑分成績相當(dāng)驚人。

從下面圖可以看到（10.2、10.3 和 10.5 分別對應(yīng)三款新機(jī)型），A11 仿生在Geekbench 4的性能基準(zhǔn)測試中，單核平均得分高達(dá)4169，而多核得分也有9837將近一萬的分?jǐn)?shù)，秒殺所有手機(jī)行業(yè)內(nèi)同基于ARM授權(quán)設(shè)計的移動處理器。

對比自家，此前A10 Fusion的iPhone 7 Plus在單核模式下的得分約為3514，在多核中則為5970。而搭載蘋果目前最強(qiáng)移動芯片A10X Fusion的最新12.9 英寸iPad Pro，單核跑分的成績?yōu)?924，多核則是9371。

若是對比x86平臺的2017 年款 MacBook Pro，這款搭載3.1 GHz英特爾Core i5處理器的產(chǎn)品單核得分為4274。當(dāng)然，多核還是英特爾更強(qiáng)，但至少A11 給 x86 陣營的低電壓處理器帶來了威脅。

A11 仿生的 CPU 性能澎湃已毋庸置疑，不過沒有一臺手機(jī)會時刻保持 CPU 多核同時高性能運(yùn)行。

因此，A11 仿生也會在性能核心與能效核心之間合理分配任務(wù)，智能地適當(dāng)?shù)毓芾砣蝿?wù)，將輕量級的任務(wù)或后臺任務(wù)交給高能效核心去處理，例如發(fā)短信或者瀏覽網(wǎng)頁，很多日常做的事情大多交給高能效內(nèi)核就能完成，耗電更少。

此外，蘋果還公布，A11 仿生芯片有 43 億個晶體管。這就表示，A11 相比 A10 采用了更加先進(jìn)的工藝制程打造，不出意外的話將是臺積電的 10 納米 FinFET 工藝制程。

因為得益于新工藝，才能在既定面積之內(nèi)塞進(jìn)更多晶體管或先進(jìn)的功能。如果 A11 芯片保持 125 平方毫米的尺寸，至少可將晶體管提高到 60 億個，不過蘋果在同一芯片區(qū)域內(nèi)做了其他更多的工作。

無論如何，雖然從早期 A4 到今天 A11 芯片，蘋果無一不是基于 ARM 授權(quán)的指令集定制自主 CPU 核心，但始終能夠能保持業(yè)內(nèi)最強(qiáng) CPU 性能的優(yōu)勢。所以，蘋果沒有理由不堅定走自主定制的道路，并且將優(yōu)勢進(jìn)一步擴(kuò)大。

過去幾年，競爭對手大多通過定制 ARM 內(nèi)核并打造多核 CPU 的方式與 A 系列芯片競爭，起碼不落下風(fēng)，但今年蘋果加入到多核的競爭中，性能領(lǐng)先優(yōu)勢再次擴(kuò)大，對于高通、三星、麒麟等這些對手會如何回應(yīng)，令人期待。

蘋果自主設(shè)計的 GPU之前蘋果采用一直采用來自 Imagination Technologies 公司設(shè)計的 GPU 圖形處理單元。

不過，蘋果早就已經(jīng)確認(rèn)將放棄 PowerVR GPU，改用將自主研發(fā) GPU 圖形芯片技術(shù)。蘋果這一舉動，直接導(dǎo)致 Imagination Technologies 公司在今年早些時候被迫掛牌出售。

雖然 Imagination Technologies 認(rèn)為在 2018 年之前蘋果無法自主設(shè)計 GPU，但是蘋果的舉動就是那么意外。A11 仿生芯片的誕生證明了 Imagination Technologies 的推測是錯誤的。

蘋果在發(fā)布會上表示，A11 仿生芯片還整合了蘋果自主設(shè)計的三核心 GPU 圖形處理單元，圖形處理速度與上一代相比最高提升可達(dá) 30% 之多。

很顯然，今年 A11 仿生芯片就能用上蘋果自主設(shè)計的 GPU，這一點的確出乎很多人的意料，因為 Imagination Technologies 不認(rèn)為蘋果能夠完全避開自家的 IP 知識產(chǎn)權(quán)、專利和保密信息，如果蘋果從基礎(chǔ)完全重新設(shè)計 GPU 架構(gòu)而不侵犯 IP，這絕對是一項超級艱難的挑戰(zhàn)。

事實上，蘋果不是無情拋棄 Imagination Technologies 的 GPU，反而是過去多年時間已經(jīng)做了大量鋪墊。

可以說是 2013 年甚至更早，蘋果就有了打造自主 GPU 團(tuán)隊的多個舉動，很多 GPU 相關(guān)的移動芯片廠商被蘋果收購，來自 IBM、AMD、飛思卡爾甚至是 Imagination Technologies 等公司的優(yōu)質(zhì)圖形工程師人才被蘋果搶到手。

當(dāng)一個 GPU 團(tuán)隊組建完成，再加上自主定制 CPU 的長期經(jīng)驗，相關(guān) GPU 自主設(shè)計的工作也就順其自然展開了。

所以，其實從 A8 開始蘋果就基于 Imagination Technologies 的 IP 定制 GPU，被譽(yù)為 GPU“心臟”著色器內(nèi)核以及驅(qū)動都是自主完成設(shè)計。只不過到了 A11 仿生這一代芯片，蘋果才真正公布了完全自主設(shè)計的 GPU。

蘋果沒有透露太多自主設(shè)計 GPU 的細(xì)節(jié)，不過表示 A11 仿生的 GPU 圖形處理單元已針對機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、新穎的沉浸式 3D 游戲和 AR 增強(qiáng)現(xiàn)實體驗進(jìn)行了優(yōu)化。

其中在 AR 方面蘋果稱，A11 能發(fā)揮六核 CPU 進(jìn)行全局追蹤、場景識別，GPU 圖形處理單元還能配合進(jìn)行驚人的 60 fps 高速處理，同時自主定制的 ISP 圖像信號處理單元還可以實時進(jìn)行光線預(yù)測，最后加上新雙攝和重新校準(zhǔn)的傳感器，讓 AR 體驗更加超乎想象的流暢體驗，且真實感達(dá)到了前所未有的新高度。

A11 仿生只是蘋果第一次自主設(shè)計 GPU 的嘗試而已，雖然看起來是剛剛起步，但已經(jīng)在 AR 方面發(fā)揮重大作用了，未來必然會往更重大的方向上前進(jìn)。

畢竟蘋果為了保持行業(yè)的差異化，多年期就開始部署自主基礎(chǔ)技術(shù)，圍繞處理器或傳感器技術(shù)展開工作，目的是掌握更高的控制權(quán)，打造屬于自己最理想的圖形性能、創(chuàng)新視覺和圖形環(huán)境。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎5 月份彭博社爆料蘋果內(nèi)部已經(jīng)開始測試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎，甚至是在搭載新 A 系列芯片的設(shè)備中測試，當(dāng)時很多推測就認(rèn)為 A11 非常有可能集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎。

事實證明，A11 仿生成為了蘋果第一枚神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎的 SoC 移動 芯片。那么，這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎有什么呢？

蘋果在發(fā)布會上解釋，有一種 AI 人工智能叫作機(jī)器學(xué)習(xí)，即讓電腦通過觀察的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎就是專為機(jī)器學(xué)習(xí)而開發(fā)的硬件，它不僅能執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的高速運(yùn)算，而且具有杰出的能效。

簡而言之，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎能夠擔(dān) CPU 和 GPU 的任務(wù)，大幅提升芯片的運(yùn)算效率，以更少的能耗更快的完成更多任務(wù)。

在 A11 仿生中，蘋果表示自家的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎采用雙核設(shè)計，每秒運(yùn)算次數(shù)最高可達(dá) 6000 億次。不過，蘋果沒有像華為那樣透露具體的浮點運(yùn)算性能（當(dāng)時華為麒麟 970 的 NUP 在 FP16 下提供的運(yùn)算性能可以達(dá)到 1.92 TFLOPs）。

蘋果表示，自家的 AI 單元主要用于勝任機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，能夠識別人物、地點和物體，為“面容 ID”和“動話表情”等創(chuàng)新的功能提供強(qiáng)大的性能。

其中對于 iPhone X 的“面容 ID”，面容 ID 功能會投射 30000 多個肉眼不可見的紅外光點，然后將得到的紅外圖像和點陣圖案傳輸給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建臉部的數(shù)學(xué)模型，再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至安全隔區(qū)，以確認(rèn)數(shù)據(jù)是否匹配。而且，就算樣貌隨著時間而改變，它也能隨之進(jìn)行調(diào)整適應(yīng)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎是蘋果在 A 系列芯片上的首次嘗試，雖然目前服務(wù)的范圍還很有限，更多的為 iPhone X 而設(shè)計，但未來這一 AI 單元很快會擴(kuò)展到更多蘋果生態(tài)的領(lǐng)域當(dāng)中，包括無人駕駛汽車系統(tǒng)、AR 增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)、Apple TV 和 HomePod 音箱等，讓更多原本生硬的設(shè)備也能采用與人類同樣的方式進(jìn)行交互，變得真正會思考。

A11讓蘋果有太多“過人”之處 靜等對手在不到十年的時間里，蘋果打造了一支世界級的芯片團(tuán)隊，并且在移動行業(yè)取得了巨大的成就，這令人難以置信。

盡管大多數(shù)時候我們只簡單看到了表面上的性能收益，但隨著蘋果越來越重視芯片和內(nèi)部組件的定制設(shè)計和研發(fā)，除了無可比擬的性能優(yōu)勢之外，特定領(lǐng)域的功能特征上也形成巨大的競爭優(yōu)勢。

有了最好的應(yīng)用生態(tài)，最好的定制級移動處理器，最受贊譽(yù)可完全掌控的操作系統(tǒng)，可以說蘋果的軟硬件整合能力越來越強(qiáng)大了。

這種碾壓級的優(yōu)勢很多 OME 手機(jī)制造商根本難以與之競爭，部分原因在于，首先大多數(shù)智能手機(jī)制造商起步太晚，再者很多廠商負(fù)擔(dān)不起的相關(guān)和巨額的研發(fā)支出。

因此，對于蘋果在手機(jī)行業(yè)的競爭對手而言，直接從高通這樣的芯片公司購買方案顯然更簡單，也更可取。

就拿 AI 單元來說，除了蘋果和華為已有 NPU 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元之外，高通從 2014 年開始也公開了 NPU 的研發(fā)，并且在最新兩代驍龍 8xx 芯片上都有所體現(xiàn)，例如驍龍 835 就集成了“驍龍神經(jīng)處理引擎軟件框架”，提供對定制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層的支持，OEM 廠商和軟件開發(fā)商都可以基于此打造自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元。

其實 ARM 本身早已在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上發(fā)力，今年所發(fā)布的 Cortex-A75 和 Cortex-A55 都融入了 自家的 AI 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) DynamIQ 技術(shù)。

ARM 聲稱，通過 DynamIQ 技術(shù)在未來 3-5 年內(nèi)實現(xiàn)比當(dāng)前設(shè)備高 50 倍的人工智能性能，可將特定硬件加速器的反應(yīng)速度提升 10 倍。

很顯然，AI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元、機(jī)器學(xué)習(xí)等這些詞，今天只是開始而已。因此蘋果對手實現(xiàn)超車是可能辦得到的，就像華為買的寒武紀(jì)的 NPU 授權(quán)，小米的澎湃也可以去買，三星自己定制的 Exynos 完全可以基于 DynamIQ 技術(shù)，其他廠商只要采購高通芯片即可。

當(dāng)然，蘋果不會止步不前，而且正如前述，蘋果龐大的閉環(huán)生態(tài)鏈?zhǔn)瞧洹斑^人”之處。更重要的是，蘋果正逐漸擁有更多核心技術(shù)，所以我們看到了自主 S 系列芯片、T 系列芯片和自主儲存控制器等，未來還會更多。

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