蘋果A系列芯片 輝煌不再？

　　從手機(jī)A系列芯片到手表S系列/W系列芯片、耳機(jī)芯片H系列以及電腦M系列芯片，蘋果給廣大用戶創(chuàng)造了一個(gè)個(gè)驚喜。作為該公司自研定制芯片最成功之一的手機(jī)A系列芯片，伴隨著A16 Bionic芯片的發(fā)布，目下市場(chǎng)上開始出現(xiàn)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(shí)不然，A16芯片依然地表最強(qiáng)

　　在最近召開的蘋果發(fā)布會(huì)上，關(guān)于A16 Bionic芯片，蘋果在其發(fā)布會(huì)上并沒(méi)有給予很多的筆墨。蘋果的A16擁有160億個(gè)晶體管，內(nèi)含6個(gè) CPU核、5個(gè)GPU核，16個(gè)Neural Engine，采用LPDDR5X存儲(chǔ)器，帶寬增加 50%，蘋果雖未提及與上一代A15 Bionic的對(duì)比，但指出A16 Bionic比對(duì)手快40%。字面上我們了解到的就是這些，隨著iPhone 14系列即將上市(搭載A16芯片的只有iPhone 14 Pro和Pro Max機(jī)型)，A16芯片的效能到底有多強(qiáng)大，也備受外界關(guān)注。

　　蘋果A16芯片示意圖

　　據(jù)安兔兔團(tuán)隊(duì)近日的跑分測(cè)評(píng)，iPhone 14 Pro的總成績(jī)?yōu)?78,147，Pro Max的總成績(jī)?yōu)?972,936。與13系列型號(hào)相比，在CPU運(yùn)算效能、GPU圖形運(yùn)算效能、MEM存儲(chǔ)器讀取性能與UX體驗(yàn)性能都優(yōu)于前代，大約有18.8%的改進(jìn)。如果從各處理器性能的提升來(lái)看，其中CPU性能提高了17%，而內(nèi)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(lái)最高的代際改進(jìn)。

iPhone 14 Pro 對(duì)比前代iPhone 13 Pro 的安兔兔跑分評(píng)測(cè)成績(jī)

　　那么A16芯片的性能提升主要來(lái)自于哪些方面呢?首先肯定是工藝的演進(jìn)，A16芯片采用的是臺(tái)積電的4nm工藝，這也是Apple首款采用4nm工藝生產(chǎn)的芯片。不過(guò)臺(tái)積電的4nm其實(shí)是N5技術(shù)的增強(qiáng)版，4nm的密度并不比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(jié)省20%的功耗。

　　另一個(gè)因素可能是采用了新的內(nèi)核，A16 Bionic 芯片的6個(gè)CPU內(nèi)核中，具有2個(gè)性能核心和4個(gè)節(jié)能核心，與去年iPhone 13上的 CPU設(shè)計(jì)相似。根據(jù) Longhorn在 Twitter 上的說(shuō)法，A16芯片組(代號(hào)為Crete)，大核(性能內(nèi)核)是Everest，小核(效率核心)是Sawtooth。其中Everest可運(yùn)行高達(dá)3.46GHz，而A15 Bionic的性能內(nèi)核可達(dá)到3.23GHz。因此也為A16帶來(lái)了更好的性能提升。

　　所以在工藝和設(shè)計(jì)均沒(méi)有發(fā)生根本性變革的情況下，蘋果依然實(shí)現(xiàn)了相比前一代18.8%的提升。足以見(jiàn)得蘋果不是一味對(duì)工藝進(jìn)行追逐，畢竟工藝越先進(jìn)，最終產(chǎn)品的價(jià)格還是會(huì)落實(shí)到消費(fèi)者身上。

　　坦率的說(shuō)，即使是當(dāng)今最好的安卓機(jī)的處理器也無(wú)法與A15相比，A16更是自然。它并不需要為其iPhone 14加入更昂貴的處理器芯片來(lái)提升競(jìng)爭(zhēng)力�？偠�言之，蘋果還是穩(wěn)穩(wěn)保住了手機(jī)處理器的性能王座。

　　歷代蘋果A系列芯片性能提升大比拼

　　知史可以明鑒，我們不妨再來(lái)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(dú)特之處在于，它們擁有ARM的架構(gòu)許可，允許它從頭開始設(shè)計(jì)自己的芯片。蘋果的A系列 SoC在芯片內(nèi)集成了一個(gè)或多個(gè)基于ARM的處理器、圖形單元、高速緩存和其他組件。A系列被廣泛用于iPhone、iPad、iPod Touch、Apple TV等各種型號(hào)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(nèi)部設(shè)計(jì)出第一款手機(jī)處理器A4，采用三星45nm工藝制造，該設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)電源效率。A4采用Cortex-A8內(nèi)核，在不同產(chǎn)品中以不同的速度運(yùn)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(wàn)個(gè)多邊形和每秒5億個(gè)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(fā)布而首次亮相。與 A4一樣，A5也采用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(gè)雙核ARM Cortex-A9 CPU和一個(gè)雙核PowerVR SGX543MP2 GPU。其GPU每秒可以處理70到8000萬(wàn)個(gè)多邊形，像素填充率為20億像素/秒。

　　2012年3月，A5X隨著第三代ipad發(fā)布，A5X是A5的性能提升版。A5X采用四核圖形單元 (PowerVR SGX543MP4)，而不是之前的雙核，以及一個(gè)四通道內(nèi)存控制器，內(nèi)存帶寬達(dá)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(fā)布，A6采用三星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(fā)布，同樣，A6X采用三星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(xù)使用雙核Swift CPU，但它具有新的四核GPU、四通道內(nèi)存和略高的1.4 GHz CPU時(shí)鐘頻率。

　　A7芯片首次出現(xiàn)在 2013年9月10日推出的iPhone 5S中，A7芯片采用三星的28nm工藝，在102平方毫米的尺寸中包含了10億個(gè)晶體管。A7 芯片是第一個(gè)用于智能手機(jī)和平板電腦的 64 位芯片。A7采用基于Arm v8-A雙核CPU Cyclone，和集成的PowerVR G6430 GPU采用四集群配置。ARM v8-A架構(gòu)使A7的寄存器數(shù)量增加了一倍。

　　自A8開始，蘋果開始采用臺(tái)積電的工藝，2014年9月9日A8出現(xiàn)在iPhone 6和iPhone 6 Plus中。A8采用臺(tái)積電20nm工藝，它包含 20億個(gè)晶體管，雖然晶體管數(shù)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于2014年10月16日隨iPad Air 2一起問(wèn)世，繼續(xù)采用臺(tái)積電的20nm工藝，包含30億個(gè)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(nèi)存和稍高的 1.5 GHz CPU 時(shí)鐘頻率。

　　A9于2015年9月9日在iPhone 6S和 6S Plus 中出現(xiàn)，A9交由臺(tái)積電和三星兩家分別代工，三星采用14nm FinFET LPE工藝制造，臺(tái)積電采用16nm FinFET工藝制造。A9也是蘋果與三星簽訂合同制造的最后一款CPU，此后所有的A系列芯片均交由臺(tái)積電制造。蘋果聲稱A9與A8相比，CPU性能提升了70%，GPU提升了90%。

　　A9X于2015年11月11日發(fā)布，首次出現(xiàn)在iPad Pro中，由臺(tái)積電16 nm FinFET工藝制造。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(xiàn)在2016年9月7日推出的iPhone 7和7 Plus中。也是由臺(tái)積電采用 16 納米 FinFET工藝制造，與此同時(shí)，臺(tái)積電還首次引入了新的InFO封裝技術(shù)，這也是臺(tái)積電能夠獨(dú)攬?zhí)O果芯片代工的一大利器。A10采用全新的ARM big.LITTLE四核設(shè)計(jì)，具有兩個(gè)高性能內(nèi)核和兩個(gè)較小的高效內(nèi)核。它比A9快40%，圖形速度快50%。

　　Apple A10X Fusion于2017年6月5日在iPad Pro和第二代 12.9 英寸 iPad Pro 中出現(xiàn)，采用臺(tái)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?yàn)樘O果已經(jīng)在處理器中構(gòu)建了自己的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)邏輯區(qū)域。

　　Apple A11 Bionic首次出現(xiàn)在2017年9月12日推出的iPhone 8、iPhone 8 Plus 和iPhone X中，采用臺(tái)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(gè)晶體管，比 A10小 30%。它具有兩個(gè)高性能核心，比A10 Fusion快 25% ，四個(gè)高效核心，比 A10 中的節(jié)能核心快70%，A11首次采用Apple設(shè)計(jì)的三核 GPU，GPU速度快30%。它也是第一款采用“神經(jīng)引擎”的 A 系列芯片，用于Face ID、Animoji和其他機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。

　　A12 Bionic于2018年9月12日首次出現(xiàn)在iPhone XS、XS Max和XR中，采用臺(tái)積電7nm FinFET工藝，這是第一個(gè)在消費(fèi)產(chǎn)品中出貨的產(chǎn)品，其物理尺寸為83.27平方毫米，包含69億個(gè)晶體管，比A11小 5%。其兩個(gè)高性能核心比Apple A11的速度快15%，能效提高 50%，而四個(gè)高效核心的功耗比A11的低 50%。

　　A12X Bionic首次出現(xiàn)在2018年10月30日發(fā)布的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(xiàn)在 2020 年 3 月 18 日發(fā)布的第四代iPad Pro中，與A12X相比，它增加了一個(gè)額外的GPU內(nèi)核，以提高圖形性能。A12X 和 A12Z均使用臺(tái)積電7 nm FinFET工藝制造，包含100億個(gè)晶體管。

　　A13 Bionic首次出現(xiàn)在2019 年9月10日推出的iPhone 11、11 Pro和11 Pro Max中。采用臺(tái)積電第二代7nm N7P工藝制造，包含85億個(gè)晶體管。A13的兩個(gè)高性能核心比Apple A12快 20%，功耗降低30% ，四個(gè)高效核心比A12快20%，功耗低40%。

　　A14 Bionic是第一個(gè)商用的5nm芯片，首次出現(xiàn)在2020年10月23日發(fā)布的第四代 iPad Air和iPhone 12中。它包含118億個(gè)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(shí)時(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)功能的 4 核 GPU。A1的CPU速度比A12快40% ，GPU的速度比A12快 30%。A14 后來(lái)被用作M1系列芯片的基礎(chǔ)，用于各種Macintosh和iPad型號(hào)。

　　A15 Bionic首次出現(xiàn)在 2021年9月14日發(fā)布的iPhone 13中。A15采用 5 納米制造工藝，擁有150億個(gè)晶體管，比A14的118億個(gè)晶體管數(shù)量增加了27.1%。蘋果聲稱 iPhone中的A15的五核GPU比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手快 50%，四核GPU比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手快30%。

　　可以看出，在過(guò)去十年的定制芯片制造中，Apple已經(jīng)能夠?qū)�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(lái)的性能提升。而在此后，隨著工藝的演進(jìn)變得困難，且晶體管數(shù)量的不斷增加，蘋果手機(jī)芯片的提升鮮少有超過(guò)1倍的時(shí)候。如果按照安兔兔的跑分測(cè)評(píng)，A16芯片CPU和GPU的性能提升幅度似乎在情理之中。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，Apple A處理器提供了極高的性能，在單核領(lǐng)域甚至達(dá)到了與筆記本處理器相近的性能。

　　未來(lái)芯片性能提升靠什么?

　　那么，隨著摩爾定律逼近極限，工藝演進(jìn)帶來(lái)的紅利即將不再顯現(xiàn)的情況下，未來(lái)芯片性能的提升靠什么呢?大抵有這么幾方面：

　　一是架構(gòu)的創(chuàng)新�？v觀過(guò)去十幾年芯片發(fā)生大的變革和提升，一大技術(shù)是FinFET新結(jié)構(gòu)器件的發(fā)明，替代了原本的平面結(jié)構(gòu)，繼續(xù)保持單位面積內(nèi)的晶體管密度翻倍，F(xiàn)inFET也成為14nm之后先進(jìn)技術(shù)代的主流邏輯器件。FinFET之后，到3nm及以下的器件主要圍繞GAA結(jié)構(gòu)的堆疊納米片/納米線架構(gòu)，1nm之后可能會(huì)采用互補(bǔ)堆疊器件(CFET)結(jié)構(gòu)。在這些新架構(gòu)方面，國(guó)內(nèi)外不少?gòu)S商、專家和科研機(jī)構(gòu)都有所研究。

　　二是在先進(jìn)封裝上的創(chuàng)新，如SiP、2.5D封裝和3D封裝等。Chiplet技術(shù)是一個(gè)非常有潛力的技術(shù)，目前在產(chǎn)業(yè)界也廣受追捧。蘋果已將多die封裝技術(shù)應(yīng)用在其M1 Ultra上面，Chiplet技術(shù)或?qū)⒉贿h(yuǎn)。至于其是否會(huì)應(yīng)用于手機(jī)芯片中，還有待觀察。

　　三是材料上的創(chuàng)新。材料方面需要從兩處著手，一是晶體管本身的材料創(chuàng)新：傳統(tǒng)硅基材料在尺寸微縮極限下，量子限域效應(yīng)會(huì)使得硅、鍺等傳統(tǒng)硅基材料的電學(xué)性能顯著衰退，當(dāng)來(lái)到2nm的極限物理尺寸下，這些材料將變成不到點(diǎn)的絕緣體。二是改變晶體管之間互聯(lián)方面的材料，來(lái)解決金屬互聯(lián)層的漏電和發(fā)熱等問(wèn)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(dǎo)電更快，效率更高。從理論上來(lái)說(shuō)，效率可達(dá)到硅的10倍，運(yùn)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(zhàn)有待克服。

　　在晶體管互聯(lián)方面，目前的主流技術(shù)就是銅互連。業(yè)界有不少新材料探索，如鉍、鈷、釕或鉬，甚至是光互聯(lián)等。

　　寫在最后

　　不可否認(rèn)的是，Apple擁有一支強(qiáng)大的CPU設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，在過(guò)去幾年中始終如一地生產(chǎn)出較好的移動(dòng)SoC，從而實(shí)現(xiàn)了出色的工程設(shè)計(jì)和優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的交貨時(shí)間。延續(xù)蘋果在手機(jī)芯片領(lǐng)域的成功，Mac芯片成為蘋果的下一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)。2017年，蘋果公司遇到一個(gè)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(shè)計(jì)或性能并沒(méi)有給用戶帶來(lái)很大的提升。2020年蘋果做出了大膽的舉動(dòng)，其所有電腦轉(zhuǎn)而使用自研的M系列芯片，不得不說(shuō)，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(dǎo)體巨頭。

　　但對(duì)于一家系統(tǒng)廠商來(lái)說(shuō)，只專注于CPU性能是粗淺的。SoC不僅僅包含一個(gè) CPU，還仍然存在GPU、調(diào)制解調(diào)器和其他一切的問(wèn)題。對(duì)很多廠商來(lái)說(shuō)，造出芯片已經(jīng)是結(jié)果;但對(duì)蘋果來(lái)說(shuō)，芯片性能固然重要，產(chǎn)品的性能體驗(yàn)才是最終結(jié)果。

　　蘋果每一個(gè)重大的變革，其出發(fā)點(diǎn)都是能否提供更好的產(chǎn)品，而不是CPU能夠做到多么強(qiáng)大，不過(guò)蘋果擁有最好的手機(jī)芯片這點(diǎn)仍然是毋庸置疑的