蘋果A系列芯片,輝煌不再?

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從手機A系列芯片到手錶S系列/W系列芯片、耳機芯片H系列以及電腦M系列芯片,蘋果給廣大用户創造了一個個驚喜。作為該公司自研定製芯片最成功之一的手機A系列芯片,伴隨着A16 Bionic芯片的發佈,目下市場上開始出現了一些不同的聲音,“擠牙膏”、“提升不大”等等。蘋果A系列芯片真的輝煌不再了嗎?

其實不然,A16芯片依然地表最強

在最近召開的蘋果發佈會上,關於A16 Bionic芯片,蘋果在其發佈會上並沒有給予很多的筆墨。蘋果的A16擁有160億個晶體管,內含6個 CPU核、5個GPU核,16個Neural Engine,採用LPDDR5X存儲器,帶寬增加 50%,蘋果雖未提及與上一代A15 Bionic的對比,但指出A16 Bionic比對手快40%。字面上我們瞭解到的就是這些,隨着iPhone 14系列即將上市(搭載A16芯片的只有iPhone 14 Pro和Pro Max機型),A16芯片的效能到底有多強大,也備受外界關注。

蘋果A16芯片示意圖

據安兔兔團隊近日的跑分測評,iPhone 14 Pro的總成績為978,147,Pro Max的總成績為 972,936。與13系列型號相比,在CPU運算效能、GPU圖形運算效能、MEM存儲器讀取性能與UX體驗性能都優於前代,大約有18.8%的改進。如果從各處理器性能的提升來看,其中CPU性能提高了17%,而內存得分提高了10%。真正令人印象深刻的是GPU比上一代提升了28%,這可能是近年來最高的代際改進。

iPhone 14 Pro 對比前代iPhone 13 Pro 的安兔兔跑分評測成績

那麼A16芯片的性能提升主要來自於哪些方面呢?首先肯定是工藝的演進,A16芯片採用的是台積電的4nm工藝,這也是Apple首款採用4nm工藝生產的芯片。不過台積電的4nm其實是N5技術的增強版,4nm的密度並不比5nm高20%。4nm的主要好處是在合理成本下降低了功耗,蘋果表示,A16與A15相比可節省20%的功耗。

另一個因素可能是採用了新的內核,A16 Bionic 芯片的6個CPU內核中,具有2個性能核心和4個節能核心,與去年iPhone 13上的 CPU設計相似。根據 Longhorn在 Twitter 上的説法,A16芯片組(代號為Crete),大核(性能內核)是Everest,小核(效率核心)是Sawtooth。其中Everest可運行高達3.46GHz,而A15 Bionic的性能內核可達到3.23GHz。因此也為A16帶來了更好的性能提升。

所以在工藝和設計均沒有發生根本性變革的情況下,蘋果依然實現了相比前一代18.8%的提升。足以見得蘋果不是一味對工藝進行追逐,畢竟工藝越先進,最終產品的價格還是會落實到消費者身上。

坦率的説,即使是當今最好的安卓機的處理器也無法與A15相比,A16更是自然。它並不需要為其iPhone 14加入更昂貴的處理器芯片來提升競爭力。總而言之,蘋果還是穩穩保住了手機處理器的性能王座。

歷代蘋果A系列芯片性能提升大比拼

知史可以明鑑,我們不妨再來回顧下蘋果歷代A系列芯片的性能提升情況。蘋果的A系列芯片組的獨特之處在於,它們擁有ARM的架構許可,允許它從頭開始設計自己的芯片。蘋果的A系列 SoC在芯片內集成了一個或多個基於ARM的處理器、圖形單元、高速緩存和其他組件。A系列被廣泛用於iPhone、iPad、iPod Touch、Apple TV等各種型號的SoC系列。

蘋果歷代A系列處理器情況一覽

(圖源:CPU-Monkey)

2010年蘋果內部設計出第一款手機處理器A4,採用三星45nm工藝製造,該設計強調電源效率。A4採用Cortex-A8內核,在不同產品中以不同的速度運行:第一代iPad為1 GHz, iPhone 4和第四代iPod Touch為 800 MHz。A4的SGX535 GPU理論上每秒可以處理 3500萬個多邊形和每秒5億個像素。A4處理器不包含RAM,但支持PoP安裝。

2011年3月Apple A5隨ipad2平板電腦的發佈而首次亮相。與 A4一樣,A5也採用45nm工藝。與A4相比,A5的CPU性能提升兩倍,GPU提高9倍。A5包含一個雙核ARM Cortex-A9 CPU和一個雙核PowerVR SGX543MP2 GPU。其GPU每秒可以處理70到8000萬個多邊形,像素填充率為20億像素/秒。

2012年3月,A5X隨着第三代ipad發佈,A5X是A5的性能提升版。A5X採用四核圖形單元 (PowerVR SGX543MP4),而不是之前的雙核,以及一個四通道內存控制器,內存帶寬達到12.8 GB/s,大約是 A5 的三倍。它的圖形性能是A5的2倍。

2012年9月,蘋果的A6伴隨iPhone 5發佈,A6採用三星32nm工藝,與A5相比,它的功耗降低了22%,速度和GPU性能均提升了2倍。A6使用ARMv7的雙核CPU,稱為Swift。

2012年10月,A6X隨第四代ipad發佈,同樣,A6X採用三星32nm工藝,A6X的CPU性能和GPU性能均是上一代A6的2倍。與 A6一樣,這款SoC繼續使用雙核Swift CPU,但它具有新的四核GPU、四通道內存和略高的1.4 GHz CPU時鐘頻率。

A7芯片首次出現在 2013年9月10日推出的iPhone 5S中,A7芯片採用三星的28nm工藝,在102平方毫米的尺寸中包含了10億個晶體管。A7 芯片是第一個用於智能手機和平板電腦的 64 位芯片。A7採用基於Arm v8-A雙核CPU Cyclone,和集成的PowerVR G6430 GPU採用四集羣配置。ARM v8-A架構使A7的寄存器數量增加了一倍。

自A8開始,蘋果開始採用台積電的工藝,2014年9月9日A8出現在iPhone 6和iPhone 6 Plus中。A8採用台積電20nm工藝,它包含 20億個晶體管,雖然晶體管數量提升了一倍,但其物理尺寸卻降低了13%至89 平方毫米。與A7相比,它的CPU性能提高了25%,GPU性能提高了50%,功耗降低了50% 。

A8X於2014年10月16日隨iPad Air 2一起問世,繼續採用台積電的20nm工藝,包含30億個晶體管。它的CPU性能比Apple A7提高了40%,GPU性能提高了2.5倍。與A8不同的是,這款 SoC 使用三核 CPU、新的八核 GPU、雙通道內存和稍高的 1.5 GHz CPU 時鐘頻率。

A9於2015年9月9日在iPhone 6S和 6S Plus 中出現,A9交由台積電和三星兩家分別代工,三星採用14nm FinFET LPE工藝製造,台積電採用16nm FinFET工藝製造。A9也是蘋果與三星簽訂合同製造的最後一款CPU,此後所有的A系列芯片均交由台積電製造。蘋果聲稱A9與A8相比,CPU性能提升了70%,GPU提升了90%。

A9X於2015年11月11日發佈,首次出現在iPad Pro中,由台積電16 nm FinFET工藝製造。與其前身Apple A8X相比,它的CPU性能提高了80%,GPU性能提升兩倍。

A10Fusion首次出現在2016年9月7日推出的iPhone 7和7 Plus中。也是由台積電採用 16 納米 FinFET工藝製造,與此同時,台積電還首次引入了新的InFO封裝技術,這也是台積電能夠獨攬蘋果芯片代工的一大利器。A10採用全新的ARM big.LITTLE四核設計,具有兩個高性能內核和兩個較小的高效內核。它比A9快40%,圖形速度快50%。

Apple A10X Fusion於2017年6月5日在iPad Pro和第二代 12.9 英寸 iPad Pro 中出現,採用台積電10nm FinFET工藝, CPU性能比其前身A9X快 30%,GPU性能快40%。

自A11系列開始,蘋果在處理器的命名中添加了“仿生”,因為蘋果已經在處理器中構建了自己的人工智能和機器學習邏輯區域。

Apple A11 Bionic首次出現在2017年9月12日推出的iPhone 8、iPhone 8 Plus 和iPhone X中,採用台積電10nm FinFET工藝,在尺寸為 87.66平方毫米的芯片上包含43億個晶體管,比 A10小 30%。它具有兩個高性能核心,比A10 Fusion快 25% ,四個高效核心,比 A10 中的節能核心快70%,A11首次採用Apple設計的三核 GPU,GPU速度快30%。它也是第一款採用“神經引擎”的 A 系列芯片,用於Face ID、Animoji和其他機器學習任務。

A12 Bionic於2018年9月12日首次出現在iPhone XS、XS Max和XR中,採用台積電7nm FinFET工藝,這是第一個在消費產品中出貨的產品,其物理尺寸為83.27平方毫米,包含69億個晶體管,比A11小 5%。其兩個高性能核心比Apple A11的速度快15%,能效提高 50%,而四個高效核心的功耗比A11的低 50%。

A12X Bionic首次出現在2018年10月30日發佈的iPad Pro(第 3 代)中。它的單核CPU性能比其前身Apple A10X快 35%,整體CPU性能快90%。A12Z是A12X的更新版本,首次出現在 2020 年 3 月 18 日發佈的第四代iPad Pro中,與A12X相比,它增加了一個額外的GPU內核,以提高圖形性能。A12X 和 A12Z均使用台積電7 nm FinFET工藝製造,包含100億個晶體管。

A13 Bionic首次出現在2019 年9月10日推出的iPhone 11、11 Pro和11 Pro Max中。採用台積電第二代7nm N7P工藝製造,包含85億個晶體管。A13的兩個高性能核心比Apple A12快 20%,功耗降低30% ,四個高效核心比A12快20%,功耗低40%。

A14 Bionic是第一個商用的5nm芯片,首次出現在2020年10月23日發佈的第四代 iPad Air和iPhone 12中。它包含118億個晶體管,裸片尺寸為88平方毫米。它還有16核AI處理器,以及三星LPDDR4X DRAM、6 核 CPU 和具有實時機器學習功能的 4 核 GPU。A1的CPU速度比A12快40% ,GPU的速度比A12快 30%。A14 後來被用作M1系列芯片的基礎,用於各種Macintosh和iPad型號。

A15 Bionic首次出現在 2021年9月14日發佈的iPhone 13中。A15採用 5 納米制造工藝,擁有150億個晶體管,比A14的118億個晶體管數量增加了27.1%。蘋果聲稱 iPhone中的A15的五核GPU比競爭對手快 50%,四核GPU比競爭對手快30%。

可以看出,在過去十年的定製芯片製造中,Apple已經能夠將CPU性能提高100倍,將GPU性能提高1000 倍。從一開始的A4到A6系列,基本保持在每一代芯片是上一代性能的2倍提升,大大的享受到了摩爾定律帶來的性能提升。而在此後,隨着工藝的演進變得困難,且晶體管數量的不斷增加,蘋果手機芯片的提升鮮少有超過1倍的時候。如果按照安兔兔的跑分測評,A16芯片CPU和GPU的性能提升幅度似乎在情理之中。在某些應用領域,Apple A處理器提供了極高的性能,在單核領域甚至達到了與筆記本處理器相近的性能。

未來芯片性能提升靠什麼?

那麼,隨着摩爾定律逼近極限,工藝演進帶來的紅利即將不再顯現的情況下 ,未來芯片性能的提升靠什麼呢?大抵有這麼幾方面:

一是架構的創新。縱觀過去十幾年芯片發生大的變革和提升,一大技術是FinFET新結構器件的發明,替代了原本的平面結構,繼續保持單位面積內的晶體管密度翻倍,FinFET也成為14nm之後先進技術代的主流邏輯器件。FinFET之後,到3nm及以下的器件主要圍繞GAA結構的堆疊納米片/納米線架構,1nm之後可能會採用互補堆疊器件(CFET)結構。在這些新架構方面,國內外不少廠商、專家和科研機構都有所研究。

二是在先進封裝上的創新,如SiP、2.5D封裝和3D封裝等。Chiplet技術是一個非常有潛力的技術,目前在產業界也廣受追捧。蘋果已將多die封裝技術應用在其M1 Ultra上面,Chiplet技術或將不遠。至於其是否會應用於手機芯片中,還有待觀察。

三是材料上的創新。材料方面需要從兩處着手,一是晶體管本身的材料創新:傳統硅基材料在尺寸微縮極限下,量子限域效應會使得硅、鍺等傳統硅基材料的電學性能顯著衰退,當來到2nm的極限物理尺寸下,這些材料將變成不到點的絕緣體。二是改變晶體管之間互聯方面的材料,來解決金屬互聯層的漏電和發熱等問題。

在替代硅晶體管材料方面,目前有望的材料主要有碳納米管,碳納米管,比硅導電更快,效率更高。從理論上來説,效率可達到硅的10倍,運行速度為3倍,而僅僅只需要消耗三分之一的能源。但其仍存在一系列的挑戰有待克服。

在晶體管互聯方面,目前的主流技術就是銅互連。業界有不少新材料探索,如鉍、鈷、釕或鉬,甚至是光互聯等。

寫在最後

不可否認的是,Apple擁有一支強大的CPU設計團隊,在過去幾年中始終如一地生產出較好的移動SoC,從而實現了出色的工程設計和優於競爭對手的交貨時間。延續蘋果在手機芯片領域的成功,Mac芯片成為蘋果的下一個爆發點。2017年,蘋果公司遇到一個難題,就是iphone和Apple watch的銷售猛增,而Mac電腦的銷售卻停滯不前,主要原因是其電腦的設計或性能並沒有給用户帶來很大的提升。2020年蘋果做出了大膽的舉動,其所有電腦轉而使用自研的M系列芯片,不得不説,打造M系列芯片的電腦令人耳目一新,也因此蘋果電腦銷量猛增。蘋果儼然已成為一家半導體巨頭。

但對於一家系統廠商來説,只專注於CPU性能是粗淺的。SoC不僅僅包含一個 CPU,還仍然存在GPU、調制解調器和其他一切的問題。對很多廠商來説,造出芯片已經是結果;但對蘋果來説,芯片性能固然重要,產品的性能體驗才是最終結果。

蘋果每一個重大的變革,其出發點都是能否提供更好的產品,而不是CPU能夠做到多麼強大,不過蘋果擁有最好的手機芯片這點仍然是毋庸置疑的。