iPhone13的強(qiáng)悍之源

一個(gè)影響蘋果未來的重要決定

蘋果旗下的AppleA系列芯片之所以總能優(yōu)于同期Android陣營(yíng)競(jìng)品，主要就是它們?nèi)诤狭颂O果獨(dú)家的“自研”核心架構(gòu)，較之基于ARM公版架構(gòu)設(shè)計(jì)的驍龍、天璣、麒麟等競(jìng)品有著天生“傲骨”。

但是，iPhone也并非天生強(qiáng)大，至少在iPhone4之前，蘋果手機(jī)搭載的都是三星旗下的S5L8900和S5PC110處理器（圖1），在性能上并沒能和Android陣營(yíng)手機(jī)拉開差距。原因也很簡(jiǎn)單，三星S5PC110處理器也曾用于三星i9000/S8500、谷歌NexusS和魅族M9等手機(jī)，大家“心臟”相同，差異只是系統(tǒng)體驗(yàn)和軟件生態(tài)的建設(shè)。

此時(shí)的蘋果發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題：智能手機(jī)是一種精密的電子設(shè)備，其PCB主板是一個(gè)整體，除了處理器芯片外還涉及到其它器件的布局和走線（圖2）。在這個(gè)大環(huán)境下，如果直接使用高通或三星的處理器，就必須按照對(duì)方的芯片規(guī)格設(shè)計(jì)PCB，需要蘋果“遷就”芯片供應(yīng)商，還會(huì)陷入配置同質(zhì)化的怪圈。另一方面，iPhone作為智能手機(jī)的標(biāo)桿和探索者，現(xiàn)有的處理器很難滿足蘋果對(duì)性能和功能上的需求，與其讓芯片供應(yīng)商為其單獨(dú)定制，還不如自己開發(fā)。

于是，在Android陣營(yíng)手機(jī)大都在依賴德州儀器和高通提供的處理器時(shí)，蘋果就展開了各種收購(gòu)和組建自己工程師團(tuán)隊(duì)之旅，走向ARM和其他芯片供應(yīng)商不曾走過之路。

基于公版架構(gòu)的二次研發(fā)

蘋果的自研之路始于iPhone4時(shí)代，只是當(dāng)時(shí)蘋果的研發(fā)團(tuán)隊(duì)還處于起步階段，所以它發(fā)揮了“拿來主義”精神——AppleA4處理器直接采用了Cortex-A8架構(gòu)，集成PowerVRSGX535GPU，整體規(guī)格和三星S5PC110相近（可視為基于S5PC110二次優(yōu)化），但依靠更大的L2Cache（二級(jí)緩存），在同等頻率下性能略好于S5PC110（圖3）。

隨后，蘋果在iPhone4s搭載的AppleA5時(shí)代引入了Cortex-A9同步雙核心架構(gòu)，集成PowerVRSGX543MP2GPU。需要注意的是，從AppleA5開始，蘋果還經(jīng)常為iPad定制更強(qiáng)的后綴帶有X的增強(qiáng)版處理器，如A5X，主要變化是集成更強(qiáng)的PowerVRSGX543MP3GPU。本文我們主要討論手機(jī)專用的處理器芯片，有關(guān)X系列的后續(xù)芯片本文就不再贅述了。

基于指令集層面的真正自研

嚴(yán)格來講，AppleA4和A5都屬于蘋果“半自研”的處理器，因?yàn)樗鼈儾捎玫亩际茿RM原生的Cortex-A系列公版架構(gòu)，同期的高通和三星等芯片供應(yīng)商也在用，大家在性能層面依舊很難拉開差距，誰(shuí)的核心數(shù)量多，誰(shuí)的主頻高誰(shuí)就更強(qiáng)，毫無技巧可言。

因此，蘋果從AppleA6開始才算是進(jìn)入了真正意義上的自研CPU時(shí)代（圖4）。因?yàn)锳ppleA6不再使用Cortex-A公版架構(gòu)，而是拿更底層的ARMv7指令集“開刀”，并在其基礎(chǔ)上打造出了蘋果自主研發(fā)的“Swift”架構(gòu)核心，擁有3個(gè)前端解碼管線和2個(gè)FPU單元，集成SGX543MP3GPU。作為對(duì)比，同期基于ARMv7指令集設(shè)計(jì)的Cortex-A9公版架構(gòu)核心僅有2個(gè)前端解碼管線和1個(gè)FPU單元。

隨后的AppleA7更具歷史意義，因?yàn)樗菢I(yè)內(nèi)首顆64位移動(dòng)處理器（圖5）。A7芯片的核心是基于ARMv8指令集打造的“Cyclone”架構(gòu)，并集成PowerVRG6430GPU和M7協(xié)處理器，后者主要負(fù)責(zé)處理各種傳感器的數(shù)據(jù)，可以顯著降低耗電量。至此，蘋果旗下的AppleA系列全面切換到了ARMv8指令集時(shí)代（見表），只是偶爾進(jìn)行小幅優(yōu)化迭代，比如AppleA12/A13采用的是ARMv8.3-A，AppleA14/M1則升級(jí)到了ARMv8.4-A。

基于指令集的自研架構(gòu)，擁有比同期ARM公版架構(gòu)更好的性能底蘊(yùn)，而這也是AppleA系列芯片核心數(shù)量明明只有雙核/四核/六核，卻能怒懟同期四核/八核競(jìng)品的底氣所在。

再往后，AppleA11Bionic仿生芯片需要引起我們的重視，因?yàn)樗鼉?nèi)部的CPU、GPU、性能控制器、NPU和ISP等單元都是蘋果自己設(shè)計(jì)（Apple-designed）的。作為蘋果首次自研的三核GPU，其圖形處理速度與上一代相比最高提升可達(dá)30%，而這也直接導(dǎo)致Imagination旗下的PowerVRGPU業(yè)務(wù)崩盤。此外，A11Bionic還集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎，和同期的麒麟970一起，將智能手機(jī)推向了AI時(shí)代（圖6）。