從芯而動——A13 仿生晶片獨家分析

本文意在分析 A13 處理器在新 iPhone 上的表現及其對未來移動裝置技術的啟示。
本文翻譯自 https://www.wired.com/story/apple-a13-bionic-chip-iphone/ ，略有刪改。

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圖片來源：蘋果公司

在本年度新 iPhone 釋出會的第 72 分鐘，蘋果市場高階副總裁 Phil Schiller 邀請 Sri Santhanam 上臺講解在新一代 iPhone 中使用的 A13 處理器。這位身材瘦削、略帶羞澀的蘋果晶片工程部門的副總，隨後講了 4 分鐘。從各個方面來說，這 4 分鐘是整個釋出會最為重要的一段。只不過，觀眾更多的是被閃亮的新 iPhone 深深地吸引著，三攝系統、強大的夜間模式、震撼人心的影片錄製能力，更重要的是電池續航的大幅提升。

Santhanam 講完後，我記得的只剩數字。蘋果的 A13 CPU 包含 85 億個電晶體，包含有 6 顆 CPU 核。2 個主頻 2.66 GHz 的高效能核（ Lightning 核），4 個高效能核（Thunder 核）。此外，還包含有一顆 4 核圖形處理器，一顆 LTE 基帶，一顆蘋果設計的影像處理器，以及一個用於實現機器智慧、每秒能計算 5 萬億次的八核神經引擎。

新的晶片更智慧、更快、也更加強大，同時，相比於前一代功耗更低。 A13 相比去年的 A12 晶片效能提升 30%，使得新 iPhone 比上一代獲得了額外 5 小時的續航時間。

iPhone 11 Pro 系列的釋出，再一次表明蘋果相比於其競爭對手的優勢所在——對整個垂直供應鏈的掌控：軟體，系統硬體，以及晶片設計。這對 iPhone 的功能特性提供了極大利好：從頗具爭議的效能，到計算攝影如 Deep Fusion 、夜間模式。

我們坐下來探討 A13 效能時，Schiller 說：“效能提升帶來利好的最明顯例證是文字到語音的轉換。我們強化了 iOS 13 文字到語音的轉化能力，使得能生成更加貼近自然的語音，這些都得益於機器學習和神經引擎。”

1.頻率—— A 系列處理器的進化之路

從 2007 年初代 iPhone 的面世到今天，蘋果走過了很長一段路。第一代 iPhone 執行速度慢，連基本的文字複製貼上功能都無法實現。電池的續航也極其糟糕。攝像頭可以把超模拍得風韻全無。像多工這種高階功能，在只有 412 MHz 主頻的晶片上，壓根就不存在的。這第一代手機是由各種元器件拼湊組合起來的，甚至三星 DVD 播放器器上的一顆晶片也被用到初代 iPhone 上。很難想象，這樣的一個裝置，竟然顛覆了整個電話、計算和通訊行業。

這種境況讓蘋果很快認識到，要想長期保持領先地位，尤其是面對 Android 陣營的競爭對手，就必須打造自己的全產業鏈生態。蘋果自主設計研發晶片之路始於 2008 年。當時，僅有 40 名來自各個部門的積體電路工程師。在 2008 年 4 月，蘋果以 2.87 億美金收購了叫 P.A 的半導體初創公司，使得晶片工程師總數達到 150 人。更加重要的是，此次收購還讓蘋果公司得到了一項在移動裝置上至為關鍵的技術：效能控制。這一夥人工作的成果隨著 iPad 4 和 iPhone 4 的釋出而顯現。這些裝置都由一顆名為 A4 、改版自 ARM 公司架構的晶片驅動。A4 最主要的任務是驅動視網膜螢幕。

過去這些年來，蘋果 A 系列晶片打造了一個又一個的爆款功能，驚豔全場。語音互動助手 Siri，高畫質視訊通話，指紋解鎖，強悍的拍照能力及人臉識別等，所有這些都要歸功於蘋果晶片設計的巨大進步。在 2017 年 iPhone X 釋出後，我在部落格寫道：“Face ID 是對蘋果公司成功秘訣的公開完美詮釋，那就是從晶片，物理硬體，軟體到設計的全面完美協調。他們把複雜技術轉換為使用者極致體驗的能力，正是基於這種完美的協調。”這符合蘋果公司創始人賈伯斯的一貫作風。

2.競爭—— 蘋果 VS 其他廠商

Johny Srouji 主管著蘋果日漸繁雜的晶片開發工作以及其他硬體技術研發。大家都普遍認為，公司每年年度預算的一大塊都劃撥給 Srouji 的團隊了。Srouji 幾年前對 Bloomberg Businessweek 談道：“Steve 得出的結論是，蘋果要想給消費者帶來真正差異化的、獨一無二的極致體驗，唯有自己掌握晶片的開發。”據說，整個蘋果公司有幾百號員工在從事晶片相關工作。但是，問及具體的組織安排，他們並未透露。

在工業界，蘋果晶片技術的優勢並非悄無聲息的就發展起來的。大量的堆砌電晶體無助於追趕上蘋果，這反過來還將損壞晶片自身的優勢，乃至搭載該晶片的手機、平板的競爭力。華為和三星——蘋果的兩大對手——很快意識到，為了保持其對於 Android 陣營競爭對手的優勢及更好地與蘋果產品競爭，自研晶片是其必由之路。

蘋果高階副總裁 Sri Santhanam 在釋出會上講解 A13 仿生晶片

圖片來源：蘋果公司

這些公司包括高通公司在內，都在進行著晶片界的軍備競賽，不斷角逐著領先地位。上一代的 A12 晶片在其釋出時，較其競爭對手有著微弱的優勢，現在 iPhone 11 的釋出進一步加強了這一領先優勢。

Linley Gwennap，是研究諮詢公司 The Linley Group 的創始人以及 Microprocessor Report 的出版人，是最著名的處理器專家之一。Gwennap 將其大部分時間致力於研究處理器和晶片，不會輕易被市場的各種宣傳影響。“確實，蘋果是具有優勢，它贏得了效能測試。不過，它的優勢並不夠明顯。”他如此評論。

在接受一個關於 A12 仿生晶片的訪談時，Gwennap 指出，“儘管蘋果一直主導著 CPU 單核效能的競賽，但是其他競爭對手卻依然相當有競爭力。”

“我認為蘋果不可能長期遙遙領先，”他說，“我期盼三星、高通和華為，升級它們的競爭。”

那麼，從去年 A12 釋出以來，這幾大廠商的晶片有提高嗎 ？蘋果今年的 6 核 A13 仿生處理器，比蘋果三大競爭對手的最新晶片有何優勢呢 ？ 我們來看下面一組資料。

三星最新的處理器 Exynos 9825，8 核，分為三組：2 顆高效能Mongoose定製核，主頻率 2.73 GHz，另外 2 顆 Cortex A75 核，頻率為 2.4 GHz，還有 4 顆效能核——Cortex A55 ，執行頻率為 1.9 GHz 。此外，還有一顆 Mali GPU 和三星自家的神經網路處理單元，以及 LTE 基帶、記憶體模組。

華為的麒麟 990 5G，也是一個類似的 3 組核心 8 核處理器。2 顆高效能 Cortex A76 主頻為 2.86 GHz ，另外 2 顆 A76 核執行頻率為 2.35 GHz ，4 顆 Cortex A55 能效核頻率更低，為 1.95 GHz 。晶片外圍分佈著一顆 16 核的 GPU 以及達芬奇神經引擎。華為整顆晶片包含 105 億個電晶體。

高通的驍龍 855+ 跟麒麟990、三星 Exynos 都很相近。驍龍 855+ 用的是定製的 Keyo 485 Gold 核，帶有一顆 2.96 GHz 的高效能核心，另外 3 顆 2.42 GHz 核。另外 4 顆高效能核為 1.78 GHz 的 Kryo 485 Silver 核。855+ 還包含一顆 Adreno GPU 及 高通的 Hexagon 690 AI 引擎。

這 3 顆晶片都有速度很快的處理器核，所以你可能會認為它們的效能要優於蘋果的 A13 。不過，實際情況卻是，我們鮮有機會使我們移動裝置上的晶片發揮出其全部的效能。1 顆或 2 顆高效能核心就足以應付我們使用手機的絕大部分場景。A13 的 6 核設計看起來可能落後於其對手的 8 核 CPU 。不過實際上，蘋果 A13 上的 2 顆大核心輕輕鬆鬆地就能跑贏三星、華為、高通三家的高效能核心。蘋果的處理器能源利用率更高，這是一個極大的優勢。舉例來說，三星的 Mongoose 晶片使用時需合理調教，以免使得裝置發熱嚴重。就功耗方面來說，就是新設計的 A13 能效核心也比其競爭對手好一大截。

“儘管蘋果晶片的核並不是最大（多）的，卻依然佔據著移動裝置的效能之巔。”Gwennap 在今年早些時候在 Microprocessor Report 上如此寫道。寫下這段話時，他這在討論是當時的 A12 晶片。今年釋出的 A13 晶片較 A12 效能提升了至少 20% 。

除去上述提到的規範及效能測試，我們更應當看到蘋果真正的優勢——緊密結合硬體裝置與公司的開發策略，在最佳化效能的同時儘可能的提升電池續航。

3.能效—— 蘋果晶片“殺手鐧”

那麼，蘋果公司要如何向所有的消費者傳達這些技術上的進步呢 ？光靠這些晶片引數是沒有說服力的。重要的是有最強的拍照能力，最快的系統，以及最大容量的電池，這才是消費者關心的。手機電池續航支援我們刷 Instagram，Facebook，YouTube 越久，我們越願意掏錢買這些高階手機。蘋果的新機 iPhone 11 Pro 和 iPhone 11 Pro Max 較上代續航分別提升了 4 個小時、5 個小時。它們又是如何做到的呢 ？

這個問題的答案，很清晰地闡述了蘋果掌控這個產業鏈的優勢。為了解這種垂直整合是如何體現到晶片比如 A13 仿生處理器當中的，我向 Schiller 和 Anand Shimpi 請教。 Schiller 先生是一位知名的半導體和系統方面的記者，創立了 AnandTech 網站。Shimpi 先生則就職於蘋果平臺架構團隊。

新的 A13 優雅地超越了去年的 A12 晶片，主要部件的效能提升都超過 20% ：6 個 CPU 核心，圖形處理器以及神經引擎。對一顆已經有如此優越效能的晶片，還能有這般大幅度的效能提升，無異於是 博爾特 在短跑中再次打破他自己的記錄。

Shimpi 說：“我們經常公開地討論效能問題，實際上我們是討論每瓦特的效能。我將之視為能量效率，如果你設計出了一個效能優異的晶片，往往也意味著是一個效能優異的設計。”

Shimpi 和 Schiller 都一直堅定地追求卓越的能效和效能。舉例來說，CPU 團隊會研究 iOS 上應用程式的使用情況，進而利用這些資料去最佳化將來 CPU 的設計。因此，當下一代裝置釋出後，其將更好地完成大眾使用者的日常用機需求。“對那些並不需要額外更高效能的應用，只需按照往年的效能跑就行，同時功耗更低。”Shimpi 說道。

這種策略並不僅僅用於 CPU ，每瓦效能 的規則同樣適用於機器學習和影像處理。例如，iPhone 相機軟體的開發人員發現相機軟體對 GPU 的大量呼叫，那麼她就可以與 GPU 架構師溝通如何使 GPU 更好地處理這些任務。這將使得下代的圖形處理晶片更加高效。

4.總結——依靠晶片各個部分高效而節能地協同工作

綜上，A13 仿生晶片到底是如何運作的呢 ？ 對於一些低功耗任務——如點開郵件，iPhone 將會呼叫能效核心處理。而對於密集型任務，比如載入複雜的網頁這類任務，高效能核心將接手。對於那些按照慣例、適合機器學習模型處理的工作，神經引擎將會進行處理。不過，對於那些最新的、前沿的機器學習模型，還是得藉助 CPU 及定製的機器學習加速器來處理。

總的來說，蘋果的秘訣就是——依靠晶片各個部分高效而節能地協同工作。在一顆普通的智慧手機晶片，只啟用晶片的特定部分部件來處理特定的任務。

總而言之，我們人類對手機的簡單要求——如流暢地（最好能像遊戲機一樣流暢）玩遊戲，在昏暗的晚上拍出清晰漂亮的照片，推動著這些技術的發展。當我們在專注地刷手機的同時，蘋果的工程師們也在專注地研究革新他們的晶片設計，為吸引我們明年的更新換代而不懈努力！

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StrokMitream
2019/10/27