蘋果A13仿生芯片揭秘 效率比A12芯片高出30%左右

據(jù)外媒報(bào)道，在2020年9月10日舉行的iPhone發(fā)布會(huì)進(jìn)行到第72分鐘時(shí)，蘋果公司市場(chǎng)營(yíng)銷高級(jí)副總裁菲爾·席勒(Phil Schiller)邀請(qǐng)斯里·桑塔納姆(Sri Santhanam)走上舞臺(tái)，介紹三款新手機(jī)內(nèi)置的全新A13仿生芯片。瘦小而稍顯害羞的桑塔納姆是蘋果負(fù)責(zé)芯片工程的副總裁，他在臺(tái)上演講了4分鐘。

從很多方面來看，這四分鐘時(shí)間才是蘋果發(fā)布會(huì)上最重要的時(shí)刻。只是觀眾被閃亮的新款iPhone、三攝像頭系統(tǒng)、神奇的夜間模式、令人印象深刻的視頻功能，以及更重要的電池電量提升所吸引，幾乎每人注意到這一點(diǎn)。當(dāng)桑塔納姆演講結(jié)束時(shí)，我們多數(shù)人可能只記得他當(dāng)初給出的幾個(gè)數(shù)字，比如蘋果的新芯片包含85億個(gè)晶體管。

圖1：蘋果最新款智能手機(jī)iPhone 11 Pro

除此之外，A13仿生芯片還有6個(gè)CPU內(nèi)核：其中兩個(gè)是在2.66 GHz頻率下運(yùn)行的高性能內(nèi)核(稱為L(zhǎng)ightning)，另外4個(gè)則是效率內(nèi)核(稱為Thunder)。與此同時(shí)，這款新片配有一個(gè)四核圖形處理器、一個(gè)LTE調(diào)制解調(diào)器、一個(gè)蘋果設(shè)計(jì)的圖像處理器，以及一個(gè)八核神經(jīng)引擎，用于支持機(jī)器智能功能，每秒可以進(jìn)行超過5萬億次運(yùn)算。

蘋果這款新芯片更智能、速度更快、更強(qiáng)大，但卻比它的前代產(chǎn)品能耗更低。A13仿生芯片的效率比去年的A12芯片高出30%左右，這也是新款iPhone每天電池續(xù)航時(shí)間增加5小時(shí)的原因之一。

iPhone 11 Pro及其兄弟產(chǎn)品的發(fā)布，再次證實(shí)了蘋果相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的真正優(yōu)勢(shì)，即其擁有整個(gè)垂直堆棧，包括軟件、系統(tǒng)硬件和芯片設(shè)計(jì)。你可以在iPhone的功能集中看到這些好處，從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能到深度融合和夜間模式等計(jì)算攝影模式。

席勒說:“今年芯片性能提升帶來的最大好處之一就是文本轉(zhuǎn)語音功能。我們已經(jīng)增強(qiáng)了iOS 13的文本轉(zhuǎn)語音功能，這樣就有了更多的自然語言處理，而這一切都是通過機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)引擎完成的?！?/span>

卑微起點(diǎn)

自2007年發(fā)布第一代iPhone以來，蘋果已經(jīng)走過了漫長(zhǎng)的道路。蘋果的初代智能手機(jī)速度很慢，甚至無法執(zhí)行最基本的任務(wù)，比如復(fù)制和粘貼文本。它的電池續(xù)航能力很差，攝像頭會(huì)讓超模看起來像“科學(xué)怪人的新娘”。最初的iPhone幾乎不存在多任務(wù)處理功能，它是由運(yùn)行頻率為412mhz的芯片驅(qū)動(dòng)的。這款手機(jī)實(shí)際上是許多零部件的拼湊組合，使用了包括三星DVD播放器芯片在內(nèi)的組件。很難想象，這樣一種設(shè)備有一天會(huì)顛覆手機(jī)、計(jì)算機(jī)和通信等多個(gè)領(lǐng)域。

蘋果很快意識(shí)到，如果它想要領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，尤其是那些在安卓生態(tài)系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，它就需要構(gòu)建完整的堆棧，而這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。蘋果在2008年的某個(gè)時(shí)候決定設(shè)計(jì)并制造自己的芯片。當(dāng)時(shí)，該公司只有40名工程師致力于集成來自不同供應(yīng)商的芯片。然后到2008年4月，蘋果斥資2.87億美元收購(gòu)了名為P.A. Semi的芯片初創(chuàng)公司。這樣一來，蘋果芯片工程師的總數(shù)就增加到了150人左右，并為手機(jī)帶來了最重要的專業(yè)知識(shí)——能效。

這群人的勞動(dòng)成果最早是通過iPad 4和iPhone 4向世界展示的，這些設(shè)備使用的處理器名為A4，是ARM Holdings芯片設(shè)計(jì)的改良版。A4的主要功能是讓視網(wǎng)膜顯示屏發(fā)光。多年來，蘋果的芯片已經(jīng)支撐起許多新奇的功能，這些功能會(huì)在其著名的發(fā)布會(huì)上引起大多數(shù)人的驚嘆。Siri、視頻通話、基于指紋和圖像的識(shí)別、相機(jī)的多種功能等，所有這些都是蘋果公司芯片技術(shù)進(jìn)步的成果。

在2017年iPhone X發(fā)布會(huì)上，曾有分析人士評(píng)論道:“Face ID完美地詮釋了蘋果不那么秘密的‘秘密醬料’，它是硅、物理硬件、軟件和設(shè)計(jì)的完美融合。蘋果將復(fù)雜技術(shù)轉(zhuǎn)化為神奇時(shí)刻的能力，是基于這種需求的和諧結(jié)合。而這是史蒂夫·喬布斯（Steve Jobs）為他創(chuàng)立的公司留下的真正遺產(chǎn)?！?/span>

激烈競(jìng)爭(zhēng)

強(qiáng)尼·斯魯吉(Johny Srouji)負(fù)責(zé)蘋果龐大的芯片業(yè)務(wù)以及其他硬件技術(shù)。許多人認(rèn)為，該公司年度研發(fā)預(yù)算中很大一部分被劃撥給了斯魯吉的團(tuán)隊(duì)。幾年前，斯魯吉在接受媒體采訪時(shí)表示:“喬布斯得出的結(jié)論是，蘋果要想真正做到與眾不同，并推出真正獨(dú)特、真正偉大的產(chǎn)品，就必須擁有自己的硅芯片?！睋?jù)說，該公司的芯片業(yè)務(wù)有幾百名成員組成，但向蘋果高管追問細(xì)節(jié)時(shí)，他們多會(huì)選擇回避。

蘋果的芯片優(yōu)勢(shì)并沒有被業(yè)界忽視。商用芯片的進(jìn)步速度還不足以趕上蘋果，后者始終在加強(qiáng)自己的芯片優(yōu)勢(shì)，每次發(fā)布手機(jī)和平板電腦時(shí)都是如此。華為和三星（始終被視為蘋果的宿敵）這兩家公司很快意識(shí)到，移動(dòng)技術(shù)的未來將需要定制芯片，從而使它們能夠領(lǐng)先于安卓競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，并更好地與蘋果競(jìng)爭(zhēng)。

這些公司與高通(Qualcomm)正處于一場(chǎng)硅芯片軍備競(jìng)賽中，它們的位置不斷在排行榜上洗牌。去年發(fā)布的A12仿生芯片在發(fā)布時(shí)就讓蘋果相較于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手略占優(yōu)勢(shì)。今年，蘋果利用iPhone 11發(fā)布會(huì)的機(jī)會(huì)，加強(qiáng)了自己的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

林利·格溫納普（Linley Gwennap）是研究咨詢公司the Linley Group的創(chuàng)始人，也是頗具影響力芯片雜志《微處理器報(bào)告》（Microprocessor Report）的出版商，他被廣泛認(rèn)為是最重要的處理器專家之一。格溫納普一生的大部分時(shí)間都致力于開發(fā)處理器和芯片，他不太容易被營(yíng)銷用語所打動(dòng)。但他承認(rèn)，蘋果有自己的優(yōu)勢(shì)，而且在基準(zhǔn)測(cè)試中勝出，但它的優(yōu)勢(shì)并不多。

在一次采訪中談到A12仿生處理器時(shí)，格溫納普指出，雖然蘋果在單CPU競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)先，但其他公司在其他方面更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。他說:“我認(rèn)為蘋果的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)并不明顯，預(yù)計(jì)三星、高通和華為等公司都將加大競(jìng)爭(zhēng)力度?！?/span>

那么，自去年的A12推出以來，這些公司是否增強(qiáng)了競(jìng)爭(zhēng)力度？與三大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的最新芯片相比，蘋果新款六核A13仿生芯片究竟有什么優(yōu)勢(shì)？首先讓我們看看這些數(shù)字：

三星最新的處理器Exynos 9825有8個(gè)內(nèi)核，被分成三個(gè)集群：兩個(gè)高性能定制Mongoose內(nèi)核運(yùn)行在2.73 GHz頻率下，另外兩個(gè)Cortex A75內(nèi)核運(yùn)行在2.4 GHz頻率，四個(gè)專注于效率的Cortex A55內(nèi)核的運(yùn)行頻率為1.9 GHz。Exynos 9825使用Mali GPU和三星神經(jīng)處理單元，還支持LTE和內(nèi)存功能。

華為的芯片名為麒麟990 5G，采用了類似的三簇八核結(jié)構(gòu)。它有兩個(gè)運(yùn)行在2.86 GHz頻率下的高性能Cortex A76內(nèi)核，另外兩個(gè)運(yùn)行頻率在2.35 GHz的高性能Cortex A76雙核內(nèi)核，以及四個(gè)運(yùn)行在更慢頻率1.95 GHz下的高效Cortex A55內(nèi)核。除此之外，該芯片還有一個(gè)16核GPU和一個(gè)三核的達(dá)芬奇神經(jīng)引擎。華為的芯片包含多達(dá)103億個(gè)晶體管。

高通的新驍龍855 Plus非常像麒麟990和Exynos。它使用定制的Kryo 485 Gold內(nèi)核，其中一個(gè)功能強(qiáng)大的集群運(yùn)行頻率為2.96 GHz，另外三個(gè)Kyro 485 Gold內(nèi)核在2.42 GHz頻率下運(yùn)行，四個(gè)專注于效率的Kryo 485 Silver內(nèi)核運(yùn)行頻率為1.78 GHz。這種芯片包括一個(gè)Adreno GPU和高通的Hexagon 690 AI引擎。

這些芯片的元件速度更快，元件數(shù)量也更多，所以你可能認(rèn)為它們的性能比蘋果芯片更好。但現(xiàn)實(shí)是，我們幾乎從來沒有使用移動(dòng)設(shè)備芯片的全部能力，一個(gè)或兩個(gè)高性能內(nèi)核就足以滿足我們對(duì)手機(jī)的大部分要求。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的八核處理器相比，蘋果的六核設(shè)計(jì)可能顯得有些落后，但實(shí)際上，其芯片上的兩大處理器很容易就能超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的設(shè)計(jì)。

蘋果的處理器能效更高，這使它們相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手具有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，三星的Mongoose芯片需要謹(jǐn)慎使用，以免導(dǎo)致配置它們的設(shè)備過熱。即使是最新設(shè)計(jì)的A13定制效率內(nèi)核也優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

格溫納普在今年早些時(shí)候的《微處理器報(bào)告》中指出:“盡管蘋果的內(nèi)核不是最大的，但它們?cè)谝苿?dòng)性能方面繼續(xù)領(lǐng)先?！痹谒麑戇@篇文章的時(shí)候，他正在談?wù)揂12芯片，而A13的性能大約提高了20%。

因此，這里的要點(diǎn)是，規(guī)格和基準(zhǔn)沒有考慮到蘋果的真正優(yōu)勢(shì)，蘋果芯片能與設(shè)備緊密集成，該公司的發(fā)展戰(zhàn)略是在提高關(guān)鍵應(yīng)用程序性能的同時(shí)，從電池中擠出更多運(yùn)行時(shí)間。

內(nèi)在優(yōu)勢(shì)

那么，一家手機(jī)公司如何以一種能與客戶產(chǎn)生共鳴的方式展示這些技術(shù)成果呢？芯片語言無關(guān)緊要，重要的是擁有最好的攝像頭、最快的手機(jī)以及最大的電池。我們使用Instagram、Facebook或YouTube的時(shí)間越長(zhǎng)，就越愿意把錢花在這些高端手機(jī)上。蘋果新推出的iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro Max，電池續(xù)航時(shí)間分別增加了4個(gè)小時(shí)和5個(gè)小時(shí)。他們是怎么做到的？

這個(gè)問題的答案清楚地說明了蘋果擁有整個(gè)堆棧的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)。為了了解這種垂直整合是如何體現(xiàn)在A13仿生芯片上的，席勒和阿南德·欣皮(Anand Shimpi)接受了采訪，后者曾是一位非常有影響力的半導(dǎo)體和系統(tǒng)記者，還創(chuàng)辦了AnandTech網(wǎng)站，現(xiàn)在是蘋果平臺(tái)架構(gòu)團(tuán)隊(duì)的一員。

欣皮說：“我們經(jīng)常公開談?wù)撔阅軉栴}，但事實(shí)是，我們也將其視為性能功耗比。我們將其視為能源效率，如果你開發(fā)出高效的設(shè)計(jì)，你也恰好開發(fā)出高性能的設(shè)計(jì)?！毙榔ず拖斩紡?qiáng)調(diào)蘋果對(duì)能效和性能的瘋狂關(guān)注。例如，CPU團(tuán)隊(duì)將研究如何在iOS上使用應(yīng)用程序，然后使用數(shù)據(jù)優(yōu)化未來的CPU設(shè)計(jì)。這樣，當(dāng)下一代iPhone問世時(shí)，它將能更好地完成大多數(shù)人在iPhone上做的事情。

欣皮表示:“對(duì)于不需要額外性能的應(yīng)用程序，用戶可以去年的性能運(yùn)行它們，并且只需要更低的功耗即可?！?/span>

這種策略不僅適用于CPU，同樣的性能功耗比規(guī)則也適用于機(jī)器學(xué)習(xí)功能和圖形處理。例如，如果一個(gè)開發(fā)者在iPhone的攝像軟件上看到了GPU被大量使用，那么他就可以和GPU架構(gòu)師一起找出更好的方法來做這件事情，這將為未來的圖形芯片帶來更有效的設(shè)計(jì)。

協(xié)同作用

那么當(dāng)A13開始工作時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？通常包括分派、委托和交接。對(duì)于低能耗的任務(wù)，比如打開和閱讀電子郵件，iPhone將使用更高效的內(nèi)核。但是對(duì)于更復(fù)雜的任務(wù)，比如加載復(fù)雜的網(wǎng)頁，這需要高性能內(nèi)核負(fù)責(zé)。而對(duì)于那些常規(guī)的、機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)可以勝任的任務(wù)，神經(jīng)引擎可以自行運(yùn)轉(zhuǎn)。但是對(duì)于更新的、更先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，CPU及其專用的機(jī)器學(xué)習(xí)加速器則提供了幫助。

然而，蘋果公司的秘密在于，芯片的所有這些不同部分都能以一種節(jié)約電池電量的方式協(xié)同工作。在典型的智能手機(jī)芯片中，芯片的某些部分被用來完成特定的任務(wù)。你可以把它想成是為整個(gè)社區(qū)打開電源，讓他們吃晚飯、看《權(quán)力的游戲》(Game of Thrones)，然后關(guān)掉電源，然后為另一個(gè)想玩電子游戲的社區(qū)打開電源。

而對(duì)于A13來說，它也采用相同的工作方式，但卻可以精確到以家庭為基礎(chǔ)的程度，浪費(fèi)的電量更少。席勒說:“機(jī)器學(xué)習(xí)在整個(gè)過程中都在運(yùn)行，無論是管理電池續(xù)航時(shí)間還是優(yōu)化性能?！?0年前還沒有機(jī)器學(xué)習(xí)?，F(xiàn)在，它總是在運(yùn)行，在做事?！?/span>

最后，這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步是由我們?nèi)祟愊霃氖謾C(jī)中得到的某些簡(jiǎn)單東西所決定的，比如在手機(jī)上流暢運(yùn)行游戲，或者在昏暗的夜晚用相機(jī)拍下漂亮干凈的照片。當(dāng)我們點(diǎn)擊和滑動(dòng)屏幕的時(shí)候，蘋果的工程師們正在集中注意力，專注于重新設(shè)計(jì)明年的芯片，這將吸引我們?cè)俅紊?jí)設(shè)備。

編輯：hfy