从芯而动——A13 仿生芯片独家分析
从芯而动——A13 仿生芯片独家分析
本文意在分析 A13 处理器在新 iPhone 上的表现及其对未来移动设备技术的启示。
本文翻译自 1d1K9s2c8@1M7s2y4Q4x3@1q4Q4x3V1k6Q4x3V1k6%4N6%4N6Q4x3X3g2%4K9i4u0W2k6q4)9J5k6h3y4G2L8g2)9J5c8Y4y4@1L8%4u0&6i4K6u0r3j5i4m8H3L8r3g2Q4x3X3c8S2x3e0y4Q4x3X3c8T1K9h3!0F1K9h3y4Q4x3X3c8U0K9r3W2H3i4K6u0V1K9i4m8Z5L8$3&6W2i4K6u0r3 ，略有删改。
图片来源：苹果公司
在本年度新 iPhone 发布会的第 72 分钟，苹果市场高级副总裁 Phil Schiller 邀请 Sri Santhanam 上台讲解在新一代 iPhone 中使用的 A13 处理器。这位身材瘦削、略带羞涩的苹果芯片工程部门的副总，随后讲了 4 分钟。从各个方面来说，这 4 分钟是整个发布会最为重要的一段。只不过，观众更多的是被闪亮的新 iPhone 深深地吸引着，三摄系统、强大的夜间模式、震撼人心的视频录制能力，更重要的是电池续航的大幅提升。
Santhanam 讲完后，我记得的只剩数字。苹果的 A13 CPU 包含 85 亿个晶体管，包含有 6 颗 CPU 核。2 个主频 2.66 GHz 的高性能核（ Lightning 核），4 个高效能核（Thunder 核）。此外，还包含有一颗 4 核图形处理器，一颗 LTE 基带，一颗苹果设计的图像处理器，以及一个用于实现机器智能、每秒能计算 5 万亿次的八核神经引擎。
新的芯片更智能、更快、也更加强大，同时，相比于前一代功耗更低。 A13 相比去年的 A12 芯片效能提升 30%，使得新 iPhone 比上一代获得了额外 5 小时的续航时间。
iPhone 11 Pro 系列的发布，再一次表明苹果相比于其竞争对手的优势所在——对整个垂直供应链的掌控：软件，系统硬件，以及芯片设计。这对 iPhone 的功能特性提供了极大利好：从颇具争议的性能，到计算摄影如 Deep Fusion 、夜间模式。
我们坐下来探讨 A13 性能时，Schiller 说：“性能提升带来利好的最明显例证是文本到语音的转换。我们强化了 iOS 13 文本到语音的转化能力，使得能生成更加贴近自然的语音，这些都得益于机器学习和神经引擎。”
1.频率—— A 系列处理器的进化之路
从 2007 年初代 iPhone 的面世到今天，苹果走过了很长一段路。第一代 iPhone 运行速度慢，连基本的文本复制粘贴功能都无法实现。电池的续航也极其糟糕。摄像头可以把超模拍得风韵全无。像多任务这种高级功能，在只有 412 MHz 主频的芯片上，压根就不存在的。这第一代手机是由各种元器件拼凑组合起来的，甚至三星 DVD 播放器器上的一颗芯片也被用到初代 iPhone 上。很难想象，这样的一个设备，竟然颠覆了整个电话、计算和通信行业。
这种境况让苹果很快认识到，要想长期保持领先地位，尤其是面对 Android 阵营的竞争对手，就必须打造自己的全产业链生态。苹果自主设计研发芯片之路始于 2008 年。当时，仅有 40 名来自各个部门的集成电路工程师。在 2008 年 4 月，苹果以 2.87 亿美金收购了叫 P.A 的半导体初创公司，使得芯片工程师总数达到 150 人。更加重要的是，此次收购还让苹果公司得到了一项在移动设备上至为关键的技术：效能控制。这一伙人工作的成果随着 iPad 4 和 iPhone 4 的发布而显现。这些设备都由一颗名为 A4 、改版自 ARM 公司架构的芯片驱动。A4 最主要的任务是驱动视网膜显示屏。
过去这些年来，苹果 A 系列芯片打造了一个又一个的爆款功能，惊艳全场。语音交互助手 Siri，高清视频通话，指纹解锁，强悍的拍照能力及人脸识别等，所有这些都要归功于苹果芯片设计的巨大进步。在 2017 年 iPhone X 发布后，我在博客写道：“Face ID 是对苹果公司成功秘诀的公开完美诠释，那就是从芯片，物理硬件，软件到设计的全面完美协调。他们把复杂技术转换为用户极致体验的能力，正是基于这种完美的协调。”这符合苹果公司创始人乔布斯的一贯作风。
2.竞争—— 苹果 VS 其他厂商
Johny Srouji 主管着苹果日渐繁杂的芯片开发工作以及其他硬件技术研发。大家都普遍认为，公司每年年度预算的一大块都划拨给 Srouji 的团队了。Srouji 几年前对 Bloomberg Businessweek 谈道：“Steve 得出的结论是，苹果要想给消费者带来真正差异化的、独一无二的极致体验，唯有自己掌握芯片的开发。”据说，整个苹果公司有几百号员工在从事芯片相关工作。但是，问及具体的组织安排，他们并未透露。
在工业界，苹果芯片技术的优势并非悄无声息的就发展起来的。大量的堆砌晶体管无助于追赶上苹果，这反过来还将损坏芯片自身的优势，乃至搭载该芯片的手机、平板的竞争力。华为和三星——苹果的两大对手——很快意识到，为了保持其对于 Android 阵营竞争对手的优势及更好地与苹果产品竞争，自研芯片是其必由之路。
苹果高级副总裁 Sri Santhanam 在发布会上讲解 A13 仿生芯片
图片来源：苹果公司
这些公司包括高通公司在内，都在进行着芯片界的军备竞赛，不断角逐着领先地位。上一代的 A12 芯片在其发布时，较其竞争对手有着微弱的优势，现在 iPhone 11 的发布进一步加强了这一领先优势。
Linley Gwennap，是研究咨询公司 The Linley Group 的创始人以及 Microprocessor Report 的出版人，是最著名的处理器专家之一。Gwennap 将其大部分时间致力于研究处理器和芯片，不会轻易被市场的各种宣传影响。“确实，苹果是具有优势，它赢得了性能测试。不过，它的优势并不够明显。”他如此评论。
在接受一个关于 A12 仿生芯片的访谈时，Gwennap 指出，“尽管苹果一直主导着 CPU 单核性能的竞赛，但是其他竞争对手却依然相当有竞争力。”
“我认为苹果不可能长期遥遥领先，”他说，“我期盼三星、高通和华为，升级它们的竞争。”
那么，从去年 A12 发布以来，这几大厂商的芯片有提高吗 ？苹果今年的 6 核 A13 仿生处理器，比苹果三大竞争对手的最新芯片有何优势呢 ？ 我们来看下面一组数据。
三星最新的处理器 Exynos 9825，8 核，分为三组：2 颗高性能Mongoose定制核，主频率 2.73 GHz，另外 2 颗 Cortex A75 核，频率为 2.4 GHz，还有 4 颗效能核——Cortex A55 ，运行频率为 1.9 GHz 。此外，还有一颗 Mali GPU 和三星自家的神经网络处理单元，以及 LTE 基带、内存模块。
华为的麒麟 990 5G，也是一个类似的 3 组核心 8 核处理器。2 颗高性能 Cortex A76 主频为 2.86 GHz ，另外 2 颗 A76 核运行频率为 2.35 GHz ，4 颗 Cortex A55 能效核频率更低，为 1.95 GHz 。芯片外围分布着一颗 16 核的 GPU 以及达芬奇神经引擎。华为整颗芯片包含 105 亿个晶体管。
高通的骁龙 855+ 跟麒麟990、三星 Exynos 都很相近。骁龙 855+ 用的是定制的 Keyo 485 Gold 核，带有一颗 2.96 GHz 的高性能核心，另外 3 颗 2.42 GHz 核。另外 4 颗高效能核为 1.78 GHz 的 Kryo 485 Silver 核。855+ 还包含一颗 Adreno GPU 及 高通的 Hexagon 690 AI 引擎。
这 3 颗芯片都有速度很快的处理器核，所以你可能会认为它们的性能要优于苹果的 A13 。不过，实际情况却是，我们鲜有机会使我们移动设备上的芯片发挥出其全部的性能。1 颗或 2 颗高性能核心就足以应付我们使用手机的绝大部分场景。A13 的 6 核设计看起来可能落后于其对手的 8 核 CPU 。不过实际上，苹果 A13 上的 2 颗大核心轻轻松松地就能跑赢三星、华为、高通三家的高性能核心。苹果的处理器能源利用率更高，这是一个极大的优势。举例来说，三星的 Mongoose 芯片使用时需合理调教，以免使得设备发热严重。就功耗方面来说，就是新设计的 A13 能效核心也比其竞争对手好一大截。
“尽管苹果芯片的核并不是最大（多）的，却依然占据着移动设备的性能之巅。”Gwennap 在今年早些时候在 Microprocessor Report 上如此写道。写下这段话时，他这在讨论是当时的 A12 芯片。今年发布的 A13 芯片较 A12 性能提升了至少 20% 。
除去上述提到的规范及性能测试，我们更应当看到苹果真正的优势——紧密结合硬件设备与公司的开发策略，在优化性能的同时尽可能的提升电池续航。
3.能效—— 苹果芯片“杀手锏”
那么，苹果公司要如何向所有的消费者传达这些技术上的进步呢 ？光靠这些芯片参数是没有说服力的。重要的是有最强的拍照能力，最快的系统，以及最大容量的电池，这才是消费者关心的。手机电池续航支持我们刷 Instagram，Facebook，YouTube 越久，我们越愿意掏钱买这些高端手机。苹果的新机 iPhone 11 Pro 和 iPhone 11 Pro Max 较上代续航分别提升了 4 个小时、5 个小时。它们又是如何做到的呢 ？
这个问题的答案，很清晰地阐述了苹果掌控这个产业链的优势。为了解这种垂直整合是如何体现到芯片比如 A13 仿生处理器当中的，我向 Schiller 和 Anand Shimpi 请教。 Schiller 先生是一位知名的半导体和系统方面的记者，创立了 AnandTech 网站。Shimpi 先生则就职于苹果平台架构团队。
新的 A13 优雅地超越了去年的 A12 芯片，主要部件的性能提升都超过 20% ：6 个 CPU 核心，图形处理器以及神经引擎。对一颗已经有如此优越性能的芯片，还能有这般大幅度的性能提升，无异于是 博尔特 在短跑中再次打破他自己的记录。
Shimpi 说：“我们经常公开地讨论性能问题，实际上我们是讨论每瓦特的性能。我将之视为能量效率，如果你设计出了一个效能优异的芯片，往往也意味着是一个性能优异的设计。”
Shimpi 和 Schiller 都一直坚定地追求卓越的能效和性能。举例来说，CPU 团队会研究 iOS 上应用程序的使用情况，进而利用这些数据去优化将来 CPU 的设计。因此，当下一代设备发布后，其将更好地完成大众用户的日常用机需求。“对那些并不需要额外更高性能的应用，只需按照往年的性能跑就行，同时功耗更低。”Shimpi 说道。
这种策略并不仅仅用于 CPU ，每瓦性能 的规则同样适用于机器学习和图像处理。例如，iPhone 相机软件的开发人员发现相机软件对 GPU 的大量调用，那么她就可以与 GPU 架构师沟通如何使 GPU 更好地处理这些任务。这将使得下代的图形处理芯片更加高效。
4.总结——依靠芯片各个部分高效而节能地协同工作
综上，A13 仿生芯片到底是如何运作的呢 ？ 对于一些低功耗任务——如点开邮件，iPhone 将会调用能效核心处理。而对于密集型任务，比如加载复杂的网页这类任务，高性能核心将接手。对于那些按照惯例、适合机器学习模型处理的工作，神经引擎将会进行处理。不过，对于那些最新的、前沿的机器学习模型，还是得借助 CPU 及定制的机器学习加速器来处理。
总的来说，苹果的秘诀就是——依靠芯片各个部分高效而节能地协同工作。在一颗普通的智能手机芯片，只启用芯片的特定部分部件来处理特定的任务。
总而言之，我们人类对手机的简单要求——如流畅地（最好能像游戏机一样流畅）玩游戏，在昏暗的晚上拍出清晰漂亮的照片，推动着这些技术的发展。当我们在专注地刷手机的同时，苹果的工程师们也在专注地研究革新他们的芯片设计，为吸引我们明年的更新换代而不懈努力！
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StrokMitream
2019/10/27