深度解析蘋果A12處理器

9月13日，蘋果發(fā)布了三款新iPhone，與此同時，備受關(guān)注的蘋果新一代處理器A12也正式曝光。從蘋果官方公布的信息來看，A12可謂是非常的強(qiáng)大。那么他性能到底如何，相比華為剛剛發(fā)布的麒麟980以及此前的安卓旗艦處理器高通驍龍845又如何呢？

昨日外媒AnandTech發(fā)布了一篇關(guān)于蘋果A12處理器的分析文章。AnandTech還引用了TechInsights對于蘋果A12的拆解圖，對于蘋果A12的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，同時，還對A12進(jìn)行了性能測試，他們認(rèn)為蘋果官方所公布A12性能提升數(shù)據(jù)偏保守，這顆芯片的實(shí)力其實(shí)更強(qiáng)。下面我們一起來看：

蘋果A12的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜

除了性能測試之外，AnandTech還引用了TechInsights對于蘋果A12的拆解圖，對于蘋果A12的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析：

▲A12內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

在上面這張A12內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖的最左邊是NPU內(nèi)核，最右邊我們可以看到A12的四個GPU核心，中間是被分成四塊的系統(tǒng)緩存。A12的六顆CPU內(nèi)核位于上圖的中下部，其中兩個Vortex CPU大核在左側(cè)，中間是四塊大的二級緩存，右側(cè)下方是四個Tempest CPU小核和它們自己的二級緩存。

▲A11內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

對比蘋果A11芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，A12的內(nèi)部設(shè)計有了很大的變化。NPU內(nèi)核放到了最左邊，并且在SoC當(dāng)中所占的面積也大幅增加。蘋果聲稱其NPU已經(jīng)從A11中的雙核設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌?核設(shè)計。由于增加了一個GPU內(nèi)核，A12的GPU所占的面積也進(jìn)一步增加。另外，可以看到在A11中的SRAM系統(tǒng)緩存是被分為兩塊，而A12則分成了四塊，這表明這個區(qū)塊的系統(tǒng)緩存性能發(fā)生了很大的變化。

總的來說，蘋果A12的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比以往發(fā)生了巨大變化。AnandTech稱，A12的系統(tǒng)緩存變化是自A7推出以來最大的變化。

另外，需要補(bǔ)充的是，A12的單個GPU核心面積相比A11減少了37％，顯然，新的7nm工藝的加持下，使得A12能夠在面積進(jìn)一步縮小的同時，能夠額外增加一顆GPU核心。

NPU面積增加3.16倍，性能暴漲

由于A12采用了新的臺積電的7nm工藝，使得A12的晶體管密度得到了大幅的提升，所以從上面這張A12與A11內(nèi)部各個功能模塊的面積數(shù)據(jù)對比來看，A12雖然性能更強(qiáng)，但是總體Die size比10nm的A11卻做到了更小。

A12與A11內(nèi)部各個功能模塊的面積大小數(shù)據(jù)對比

另外可以看到，在7nm工藝加持下，A12的大小CPU內(nèi)核、GPU內(nèi)核的面積比10nm的A11都小，但是A12的NPU內(nèi)核的面積卻達(dá)到了5.79mm2，是A11的NPU的面積（1.83mm2）的3.16倍。而NPU內(nèi)核面積的暴漲，再加上先進(jìn)工藝的加持使得單位面積下晶體管密度的提升，也直接帶來了NPU性能的暴增。

據(jù)蘋果介紹，A12的NPU內(nèi)核共有8個核心，具有機(jī)器學(xué)習(xí)、多精度支持功能和智能計算系統(tǒng)。具體在性能上，相對于上一代蘋果A11的雙核NPU的6000億次運(yùn)算/秒的計算能力，蘋果A12的NPU每秒可進(jìn)行5萬億次運(yùn)算(5TFLOPS)，搭配ISP、深度引擎、安全隔區(qū)、視頻處理器、視頻編碼器、存儲控制器等重要部件，智能化更高。

另外，機(jī)器學(xué)習(xí)（ML，Machine Learning）是Neural Engine最重要的功能之一。蘋果A12的CoreML開發(fā)庫的學(xué)習(xí)能力是上一代的9倍，但其功耗卻只是上一代的1/10。它的智慧化不僅僅體現(xiàn)在Siri功能的靈活多樣，還體現(xiàn)在拍攝、AR、游戲（動作追蹤和圖形渲染等）和Face ID等方面。

有傳聞稱，蘋果A11的NPU內(nèi)核是基于CEVA的IP，不過這一傳聞并未得到證實(shí)，因為蘋果并不希望外界知曉。

全新的緩存設(shè)計

前面提到，A12在系統(tǒng)緩存上有了較大的變化，同時A12的大小核CPU的一級/二級緩存也有了變化。

圖片來源：TechInsights Apple A12Die Shot，ChipRebel Apple A11Die Shot

從上圖中可以看到，A12 Vortex CPU大核的一級緩存的占比達(dá)到了A11的兩倍。根據(jù)AnandTech的推測，A12的Vortex大核CPU中的一級緩存相比A11也增加了一倍，由64KB增加到了128KB。而Vortex大核CPU的二級緩存則與A11一致。

那么蘋果的緩存層次結(jié)構(gòu)到底是什么樣的呢？通過查看不同測試深度下的內(nèi)存延遲行為，可以清楚地看到一級緩存L1從64KB提升到了128KB（是一條直線沒有延遲）。不過AnandTech發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象，在3MB范圍內(nèi)，時延是緩慢增加的，直到6MB左右。需要注意的是，只有當(dāng)以完全隨機(jī)模式訪問時，才會出現(xiàn)這種行為，在較小的訪問窗口中，時延曲線是平坦的直到6MB，超過6MB則呈現(xiàn)出近乎直線上升的趨勢。另外對于系統(tǒng)緩存，AnandTech認(rèn)為整體的系統(tǒng)緩存不僅片數(shù)翻了一番，而且容量也從4MB提高到了8MB。

在CPU小核方面，從測試來看，A11的單個CPU小核可調(diào)用的二級緩存似乎被限制在512KB，而A12則上升到了1.5MB。不過，AnandTech這是被緩存的電源管理策略所欺騙了，可以看到A11 Mistral核心延遲，從768KB和1MB處有明顯跳躍，而A12核心在2MB處也可以看到類似的跳躍。實(shí)際上，A11的CPU小核整體的二級緩存為1MB，而A12則為2MB。

需要指出的是，緩存的工作原理是當(dāng)CPU要讀取一個數(shù)據(jù)時，首先從緩存中查找，如果找到就立即讀取并送給CPU處理；如果沒有找到，就用相對慢的速度從內(nèi)存中讀取并送給CPU處理，同時把這個數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入緩存中，可以使得以后對整塊數(shù)據(jù)的讀取都從緩存中進(jìn)行，不必再調(diào)用內(nèi)存。

從上面的分析可以看到，蘋果的緩存系統(tǒng)非常的強(qiáng)大，相比A11，A12系統(tǒng)緩存大小提升了一倍。而在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，在CPU大核上有大約16MB的可用緩存層次結(jié)構(gòu)，這遠(yuǎn)超于其他競爭對手。而緩存的增加，將大大節(jié)省了CPU直接讀取內(nèi)存的時間，將會使得CPU的處理速度更快，同時也能夠在一定程度上降低能耗。

CPU性能媲美6代酷睿？

根據(jù)蘋果官方公布的信息顯示，A12基于臺積電7nm工藝，內(nèi)置六核心CPU，包括兩顆性能核心和4顆效率核心。其中，性能核心相比上代性能提升了15%，功耗降低了40%；而效率核心則在功耗上降低了50%。

根據(jù)AnandTech的測試數(shù)據(jù)顯示，A12的CPU采用2顆Vortex 2.5GHz大核和4顆1.59GHz Tempest小核組成六核CPU。

目前主流芯片的能耗比圖示，深灰色為A12，淺灰色為A11，其他還有三星9810，驍龍845等等

根據(jù)SPECint2006基準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)顯示，A12在上一代設(shè)備上的表現(xiàn)平均比A11好24%。單位能效比（即運(yùn)算與耗電量對比）提高了12%，但是隨著內(nèi)部緩存的增加，功耗也增加了，A11的平均功耗約為3.36W， A12的平均功耗為3.64W。

AnandTech的基準(zhǔn)測試表明，A12的內(nèi)核和架構(gòu)改進(jìn)其實(shí)比“比蘋果官方宣布的改進(jìn)還深刻”，它在性能和功率上都超過了安卓陣營普遍采用的Exynos9810，驍龍845等芯片。

AnandTech表示，A12和前一代A11與桌面級產(chǎn)品CPU的差距之小“相當(dāng)驚人”，他們還介紹了蘋果如何通過軟件調(diào)整來改善舊設(shè)備的性能。以iPhone 6s的A9為例，CPU的最高頻率為435ms，但iOS 12的時間縮短至80ms，“大大提高了交互工作負(fù)載的性能”。A10也做了類似的改進(jìn)（從400ms的提高到210ms），但A11沒有什么變化。

總而言之，AnandTech表示，A12是蘋果處理器的一個“大轉(zhuǎn)變”，其CPU性能提升最高可達(dá)40%。在SPEC2006int測試中，A12的單線程性能甚至比降頻的英特爾Skylake處理器還要優(yōu)秀。

GPU性能達(dá)驍龍845兩倍

去年年初，Imagination曾公開表示，蘋果計劃在15至24個月內(nèi)不再在新產(chǎn)品中使用其知識產(chǎn)權(quán)。于是，在去年蘋果A11推出之時，就有報道稱A11的GPU是蘋果自研的。但是實(shí)際上，其似乎仍然是基于Imagination的IP定制的。因為它的內(nèi)核設(shè)計與之前Imagination的Rogue非常相似。另外，A12的GPU仍支持PVRTC（PowerVR紋理壓縮），一種專有格式，意味著GPU仍有可能與Imagination的IP相關(guān)聯(lián)。

而現(xiàn)在，時間已經(jīng)過去了超過15個月，Imagination也已經(jīng)被中資收購。所以A12將有望采用蘋果自主研發(fā)的GPU。

圖片來源：TechInsights Apple A12Die Shot，ChipRebel Apple A11Die Shot

不過，型號為G11P的A12 GPU（主頻超過1.1GHz）仍然與去年的A11 GPU有一些非常明顯的類似之處，其內(nèi)部各個功能塊似乎在很大程度上位于相同的位置并以類似的方式構(gòu)造。

AnandTech表示，蘋果在A12 GPU上取得的最大進(jìn)步是它現(xiàn)在支持內(nèi)存壓縮，僅此一點(diǎn)就可以顯著提升性能。在桌面領(lǐng)域，像Nvidia和AMD的GPU早已經(jīng)支持這項技術(shù)很多年了，即使面對不增加內(nèi)存帶寬的情況下，它也能夠提升GPU的性能。同樣，智能手機(jī)的GPU也需要內(nèi)存壓縮，這不僅是因為移動SoC上的帶寬有限，更重要的是因為與高帶寬要求相關(guān)的功耗降低。

例如，Arm的AFBC（幀緩存壓縮技術(shù)）技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)經(jīng)常提及的一項技術(shù)，同樣高通甚至Imagination等其他廠商也都有自己的相關(guān)技術(shù)。

所以，得益于支持內(nèi)存壓縮，7nm工藝的加持以及增加了一個GPU內(nèi)核，A12的GPU性能也確實(shí)得到了大幅的提升。

根據(jù)蘋果公布的數(shù)據(jù)顯示，蘋果A12內(nèi)置了4核心的GPU，其性能相比上代（A11為3核心GPU）大幅提升了50%。

在GPU性能測試方面，AnandTech采用了GFXBench Aztec Ruins場景為測試基準(zhǔn)（2K分辨），在高特效下，可以看到，A12 GPU的峰值性能比上一代的A11高出了61%，是高通驍龍845的GPU性能的兩倍，更是秒殺基于麒麟970的華為P20系列。

小結(jié)：

從上的介紹，我們不難發(fā)現(xiàn)，相對于之前的A11來說，A12確實(shí)有了非常多的改進(jìn)：不僅重新設(shè)計了系統(tǒng)緩存（被AnandTech稱之為“自A7引入以來最大的變化”），對CPU核心也進(jìn)行了顯著改進(jìn)，GPU開始支持內(nèi)存壓縮，同時還對NPU進(jìn)行了重大升級改造，所有這些都帶來了令人印象深刻的性能改進(jìn)。