蘋果iPhone性能逆天強(qiáng) A系列芯片背后秘密揭開(kāi)

今年9月，蘋果如期發(fā)布了iPhone 13系列，他們身上有著不少讓競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手難以企及的閃光點(diǎn)：比如iPhone 13 Pro Max憑著比很多安卓旗艦還要小的電池容量，卻實(shí)現(xiàn)了鶴立雞群般的續(xù)航成績(jī)，此前能做到這種表現(xiàn)的，也只有一部分大電池且性能較低的中端機(jī)型。

而且iPhone 13系列在性能足夠強(qiáng)大到在馴服《原神》的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)比較理想的溫控水平，最后《原神》官方還特意為iPhone 13 Pro系列開(kāi)放了120幀的選項(xiàng)，其性能之逆天可見(jiàn)一斑。

蘋果iPhone 13系列能取得如此出色的表現(xiàn)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(jī)快50%或以上，相比于自家去年的A14處理器，A15除了架構(gòu)和規(guī)模方面的升級(jí)以外，還有一個(gè)易被人所忽略的點(diǎn)就是A15處理器在制程工藝方面的進(jìn)步。

盡管A14和A15采用了看似一樣的臺(tái)積電5nm工藝，可是A15卻采用的是臺(tái)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(jī)來(lái)說(shuō)，臺(tái)積電的工藝所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)不言而喻。

不少朋友可能會(huì)覺(jué)得疑惑，為什么蘋果A系列處理器會(huì)這么強(qiáng)呢？

答案是，蘋果A系列處理器之所以能領(lǐng)先安卓陣營(yíng)一兩代，一方面是因?yàn)樘O果強(qiáng)大的芯片設(shè)計(jì)能力，而另一方面則是蘋果始終都在用最新最先進(jìn)的芯片制程工藝，可以說(shuō)，蘋果A系列處理器的發(fā)展史，就是濃縮的芯片制程工藝進(jìn)步史，接下來(lái)不妨讓我們一起來(lái)回顧一下吧。

2010年前是諾基亞最后的輝煌時(shí)期，此時(shí)蘋果的iPhone一代、iPhone 3G以及iPhone 3GS一直都是用的三星所研發(fā)生產(chǎn)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(duì)三星的依賴考量（畢竟雙方正逐步在手機(jī)市場(chǎng)上成為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手），蘋果也組建了自己的處理器設(shè)計(jì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

從魔改到自研

蘋果的小試牛刀是2010年跟著iPhone 4一起發(fā)布的A4處理器，該芯片采用了一顆定制的三星45nm制程800MHz ARM Cortex-A8的單核心處理器，GPU為PowerVR SGX 535，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(xiàn)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(fā)的產(chǎn)物。

2011年的iPhone 4s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(shè)計(jì)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(yuǎn)不止是增加了一顆核心那么簡(jiǎn)單，它的處理器架構(gòu)是脫胎于上一代的Cortex-A8平臺(tái)的新架構(gòu)——Cortex-A9，擁有更高的計(jì)算能力和更低的功耗。

GPU部分則搭載了Power VR SGX 543+，圖形性能提升明顯。當(dāng)時(shí)蘋果號(hào)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(qiáng)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iPad 2上的兩倍。

2012年發(fā)布的A6處理器由蘋果旗下的子公司Intrinsity設(shè)計(jì)、三星代工制造，采用了獨(dú)特自研架構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)態(tài)調(diào)整CPU電壓/頻率特性，GPU集成的是一顆三核心的PowerVR SGX 543MP3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(shí)候，蘋果iPhone手機(jī)就已經(jīng)是傲視群雄的存在了，當(dāng)時(shí)搭載A6處理器的iPhone 5在跑分榜上就將不少采用四核處理器的安卓機(jī)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(shù)量。

進(jìn)入64位處理器時(shí)代

iPhone 5s對(duì)于蘋果而言是一個(gè)新的高度，除了開(kāi)創(chuàng)手機(jī)指紋識(shí)別的先河，其搭載的A7處理器也為手機(jī)處理器打開(kāi)了64位時(shí)代的大門，這款芯片無(wú)疑有著巨大的跨時(shí)代意義。

A7采用的是全新的64位設(shè)計(jì)，采用了三星28nm制程工藝打造，使用了Arm-v8 64位指令集以及自家的Cyclone架構(gòu)，主頻為1.3GHz。A7處理器的性能比iPhone 5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(dāng)時(shí)的Xbox 360和PS3。

此外，從A7開(kāi)始蘋果為旗下處理器配備低功耗協(xié)處理器M系列，專門負(fù)責(zé)計(jì)算手機(jī)的各項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)，并且可以保持極低的功耗。

而此后A8，A9，A10這幾代則是進(jìn)一步提升核心數(shù)和制程工藝，性能也節(jié)節(jié)攀升，從20nm到16nm，蘋果也在這幾年在臺(tái)積電和三星之間反復(fù)橫跳。

值得一提的是，A9和此前產(chǎn)品相比最特別的就在于當(dāng)時(shí)蘋果實(shí)行的雙代工廠戰(zhàn)略，A9的代工訂單同時(shí)交給三星和臺(tái)積電兩家公司分別進(jìn)行。

但是因?yàn)槿鞘?4nm，臺(tái)積電是16nm，兩種工藝制作出來(lái)的芯片存在明顯差異，臺(tái)積電代工版本在能效發(fā)熱的表現(xiàn)更好，這在當(dāng)年還引起過(guò)軒然大波。

或許正因?yàn)槿绱耍O果在第二年發(fā)布的A10處理器上，便全部更換為臺(tái)積電代工，以免出現(xiàn)A9處理器上那種尷尬局面。

Bionic（仿生）的到來(lái)

時(shí)間來(lái)到2017年，這是iPhone發(fā)布的第十個(gè)年頭，這一年對(duì)蘋果來(lái)說(shuō)，無(wú)論是A系列處理器還是iPhone都進(jìn)入下一個(gè)時(shí)代。iPhone 8為之前的iPhone設(shè)計(jì)語(yǔ)言畫上完美的句號(hào)，而全新的iPhone X則開(kāi)啟了全面屏及Face ID的新時(shí)代。

那年的A11 Bionic堪稱性能怪獸。A11采用臺(tái)積電當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的10nm工藝制程，擁有43億個(gè)晶體管，采用六核心的設(shè)計(jì)，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(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎，每秒運(yùn)算次數(shù)高達(dá)6000億次，主要?jiǎng)偃螜C(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，能夠識(shí)別人物，地點(diǎn)和物體，最典型的應(yīng)用便是其首次推出的Face ID及其衍生功能動(dòng)畫表情。

對(duì)于蘋果來(lái)說(shuō)，A11處理器更有意義地方在于其是蘋果當(dāng)時(shí)自主程度最高的一代A系列處理器，當(dāng)中包括自研CPU，自研GPU，自研ISP，自研解碼器等等。

當(dāng)然還包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎，也是從那一年開(kāi)始，幾乎所有手機(jī)廠商都把AI運(yùn)算能力當(dāng)做宣發(fā)PPT的主打頁(yè)面，AI時(shí)代就此開(kāi)啟。

A12 Bionic處理器是業(yè)界首款7nm芯片，它仍然是基于蘋果自研的Fusion架構(gòu)打造，根據(jù)蘋果給出的數(shù)據(jù)顯示，2個(gè)大核提升15%，4個(gè)小核功耗表現(xiàn)提升50%。

該處理器在GPU部分采用新一代自研芯片，核心數(shù)升至四核，官方宣稱性能提升50%，而升級(jí)幅度最大的莫過(guò)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎，從雙核飆升至八核，能夠?qū)崿F(xiàn)每秒50000億次計(jì)算。

蘋果A13處理器采用的是臺(tái)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(gè)晶體管，其CPU部分由兩個(gè)大核和四個(gè)小核組成，相比于前代，兩個(gè)性能核心速度最高可提升20%，能耗最多可降低30%，四個(gè)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(duì)Metal框架進(jìn)行了優(yōu)化，擁有四個(gè)內(nèi)核，性能提升了20%，功耗比上代低了40%；配備八個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)、Face ID與AR類APP提供強(qiáng)大的性能支援。非常適合高性能游戲和最新的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

去年發(fā)布蘋果iPhone 12系列的A14仿生處理器是全世界首款批量生產(chǎn)的5nm處理器，集成了118億個(gè)晶體管。

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

規(guī)格方面，CPU部分選用了六核心設(shè)計(jì)，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(dá)40%。

GPU部分則采用了蘋果全新的架構(gòu)設(shè)計(jì)，依然是四核心，性能卻提高了30%。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎方面本次也從8核心升級(jí)到了16核心，AI運(yùn)算能力提升到了11.8萬(wàn)億次，號(hào)稱機(jī)器學(xué)習(xí)能力提升70%，運(yùn)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(jìn)行了升級(jí)。

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

這其中除了蘋果日益精湛的芯片設(shè)計(jì)能力外，我們還得知道，為了盡可能地實(shí)現(xiàn)摩爾定律，半導(dǎo)體行業(yè)的科研人員們也付出了無(wú)數(shù)個(gè)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(shuō)的那樣，“要想成就偉大的事業(yè)，除了腳踏實(shí)地的努力，別無(wú)他法。”當(dāng)下我們的科技發(fā)展亦是如此。

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