值著新處理器發布之際 論iPhone處理器十年進化史

今天，蘋果發布了最新一代的iPhone，作為新一代的旗艦，新手機的功能承載了蘋果對未來的希望和消費者的期待。

但從我們半導體人看來更關注的是內部技術的演變，尤其是其處理器上。

從iPhone 4上搭載自身研發的第一顆A系列處理器A4以來，蘋果一直都保持每年九月更新一代手機，同時更新一代處理器的發展頻率。

處理器的性能也在每次更新中得到了大幅提升。

新發布的A11處理器使用了2＋4的六核設置，集成了四十多億個電晶體，在性能上相對上一代有了很大的提升。

無疑是一個處理器強者。

值著新處理器發布之際，我們來回顧一下蘋果的每一代處理器及其發展過程。

A4：橫空出世

在劃時代的iPhone 4發布之前，蘋果每一代iPhone產品使用的都是第三方的處理器。

例如在iPhone 3GS上使用的是ARM Cortex－A8架構的Samsung S5PC100處理器。

但是到了2010年發布的iPhone 4，蘋果推出了自主研發的處理器A4，這也是蘋果首次在iPhone上用上A系列處理器。

Apple A4基於ARM架構，第一版發布型號內部集成基於45納米製程的一顆ARM Cortex－A8處理器內核以及一顆PowerVR SGX 535圖形處理內核。

根據核心顯微拍照圖顯示，其Cortex A8核心和三星自行研發的S5PC110晶片相比，去除了一些接口部件，並將L2 Cache由S5PC110的512KB擴大為640KB，在同等頻率下其性能應略好於S5PC110。

A5：雙核初體驗

A5 是由美國蘋果公司所設計並由三星電子所生產的ARM處理器，用於取代Apple A4。

iPad 2使用是Apple A5處理器的第一款設備，2011年10月4日推出的iPhone 4S也採用Apple A5處理器，2012年10月推出的iPad Mini仍然繼續採用了Apple A5處理器，安裝該晶片設備廣泛的販售了多年之久。

Apple A5 採用 45 及 32 納米Core ARM Cortex－A9同步雙核心架構，蘋果公司聲稱其運算性能可提升2倍，其配備有IT公司頻率為200MHz的PowerVR SGX543 MP2 GPU，繪圖性能較前一代A4提升7倍之多，具備低功耗特性，支持低功耗DDR2 DRAM 。

A5的成本估計比A4貴75％，但隨著產量增加，價格差異應會減少。

通過對蘋果A5處理器初步的晶片顯微分析，我們發現A5主要有兩方面的特性值得注意。

首先，A5的核心面積要比A4大了不少。

UBM Techinsights 和Chipworks兩大分析機構都得出A5的核心面積達到12．1X10．1mm＝122平方毫米的結論。

相比A4的53平方毫米，其面積增加到了A4的2．3倍。

A5中集成的兩個ARM核心占去了A5總面積的14％左右，這個比例與ARM單核心在A4中占取的面積比例是大致相似的。

值得一提的是，在A5之後還有個A5X，這是由美國蘋果公司所設計的同步雙核心處理器Apple A5的派生版本，僅圖形處理器升級為四核心PowerVR SGX543 MP4，專用於iPad （第三代）。

蘋果公司聲稱其圖形處理能力為上一代iPad 2所採用之Apple A5處理器的二倍，更達到競爭對手NVIDIA Tegra 3處理器的四倍。

A6：多核時代的堅守

進入了2012年，NVIDIA、SAMSUNG與Qualcomm競相推出四核心智慧型手機處理器晶片組之後，智慧型手機也從今年進入了「四核心時代」。

然而iPhone 5在螢幕尺寸與手機處理器晶片的規划上，我們可看出Apple不願盲目追隨市場潮流、堅持既有產品設計原則的態度。

因為這一年他們推出的A6依然是雙核。

這個晶片採用蘋果公司研發的Swift架構同步雙核心中央處理器，並整合頻率為 266 MHz 的PowerVR SGX543 MP3圖形處理單元，CPU Clock Speed 可達 1．3GHz。

記憶體控制器升級到 1066MHz LPDDR2 （8．5 GB／sec） 使用三星電子的32nm HKMG工藝製造，大小為96．71 平方毫米，面積比Apple A5（45nm版本）小22％和擁有更小的耗電量。

Swift架構使用ARMv7s指令集，並含有多項ARM Cortex－A15 MPCore的特性，例如支持Advanced SIMD v2 和 VFPv4。

Swift有三個前端解碼管線和2個FPU單元，相比之下，基於Cortex－A9的CPU只有2個前端解碼管線和1個FPU單元。

A6 處理器封裝了 1 GB LPDDR2－1066 RAM，相比之下A5處理器只封裝了 512MB LPDDR2－800 RAM，理論內存帶寬也從 A5 的6．4 GB／s 增加至 8．5 GB／s。

A6還搭載了一個新版的ISP，與A5對比，A6的拍攝速度、低光照下性能、噪聲消去和視頻防抖性能都有提升。

同樣在這年，蘋果推出了A6X。

A6X是蘋果公司客制化的SoC。

它是Apple A6的衍生版本，包含與Apple A6相同的同步雙核心ARMv7架構中央處理器，僅圖形處理器升級到運行於300MHz的四核心PowerVR SGX554 MP4。

［3］［4］不同於A6，A6X被導熱片覆蓋，且內存模塊與晶片分開封裝。

A6X同樣由三星電子代工，使用32納米製程HKMG （High－κ Metal Gate）製造，面積123mm2，比A6大26％。

A6X是該公司最後一款32位元架構的A系列SoC。

A7：移動CPU進入64bit時代

這代處理器對蘋果來說是一大步，對於整個移動處理器產業來說也是一大步，因為籍著這個處理器，移動處理器進入了64bit時代。

A7是一款64位桌面級架構處理器，這是劃時代的CPU，殺得眾安卓措手不及。

移動計算和傳統桌面計算的界限開始模糊，對於業界來說意義非凡而深遠。

同時由於A7出色的性能和功耗，這次蘋果沒有設計X後綴 的晶片，而是讓iPad直接用上了A7，足見這款其強大性能。

採用64位元架構目的是提高RAM的定址能力，32位元系統的RAM最高只能支援到4GB（2的32次方），而64位元系統理論上可以支援到16 EB（exabytes，2的64次方，16 EB等於16，777，216 TB），兩者差別相當明顯。

不過以iPhone來講，最新的iPhone 5S RAM容量也不過只有1GB，甚至所謂的吃記憶體怪獸Android，目前記憶體最高的Samsung Galaxy Note 3也只有3GB，都還不到32位元系統的限制，而且高容量的RAM，在初始化（initialize）時也需要大量耗電，對於電量有限的智慧型手機來說，首要目標應該是省電，而不是把電耗在更多還不需要用到的記憶體上面。

另外要發揮64位元處理器的優勢，包含作業系統以及App都要是64位才行；不過64位App不論是在檔案大小或是需要RAM的容量都會變得更大，這樣除了更占空間以外，也讓電源管理變得更複雜。

蘋果公司表示，這個CPU與GPU效能都是Apple A6的兩倍。

CPU部分採用64位元的ARMv8架構，這使得iPhone成為全球首款採用64位元處理器的智慧型手機。

此DoC由三星電子以28納米製程代工生產。

CPU部分是蘋果公司自行研發64位元ARMv8雙核心處理器，所以架構不會完全遵照Cortex－A57。

蘋果表示，Apple A7包含超過10億個電晶體，晶粒（Die）大小為102mm2。

相比下，Intel的桌面型處理器Core i7－4770K包含了8MB L3，電晶體也只是14億，Die大小為177mm2。

泄漏出來的資料顯示，GPU部分沒有出現任何以往的SGX5系PowerVR函數，上代iPhone 5採用PowerVR SGX543，iPhone 5S則採用A7 GPU，後經Chipworks檢測，新的GPU是全新6系PowerVR G6430，蘋果表示GPU性能已達初代iPhone的56倍，性能達到遊戲主機級別（即是PS3和Xbox 360）。

測試表明性能已經遠超iPad上採用的PowerVR SGX543 MP4組合。

A8：20nm工藝初體驗

Apple A8是蘋果在2014年推出的第二代64bit產品，這是業界首款採用20nm工藝的晶片。

跟以往不同的是，這次蘋果晶片改由台積電代工，而不是之前的三星。

蘋果公司宣稱它比上代Apple A7在CPU性能高25％，繪圖性能高50％，能源效益高50％。

CPU部分為自家定製的「改良版Cyclone」，上代A7則是「Cyclone」，維持雙核心設計，L1緩存為64KB指令＋64KB數據，L2為1MB，L3則為4MB。

GPU則採用Imagination Technologies的PowerVR GX6450，核心數目依然為4個，依蘋果公司的宣稱，比上代繪圖性能高50％。

值得一提的是蘋果公司也持有Imagination Technologies公司9．5％股權。

Apple A8採用台灣積體電路製造公司20nm製程生產，不再由三星代工。

台積電宣稱，20nm工藝相比於28nm可使晶片速度提升30％，或者集成度提高90％，或者功耗降低25％，具體如何權衡就看晶片設計了。

它包含20億個電晶體，大約是Apple A7的兩倍，晶粒大小卻減少13％，由102mm2減至89mm2（沒有採用新架構，只是電晶體排得密。

根據估量，A8 CPU部分面積約12．2平方毫米，相比於A7 17．1平方毫米縮小了29％，也就是說在塞入了更多電晶體後，蘋果憑藉更新的工藝，反而減小了CPU所占面積。

1GB LPDDR3內存亦一同封裝在SoC。

iPhone 6採用的LPDDR3內存是由SK Hynix生產，iPhone 6 Plus的內存則由Elpida生產。

A8的內存子系統基本沒變，只有一些細微的調整。

SRAM緩存依然存在，繼續同時為CPU、GPU服務（可視為三級緩存），容量還是4MB，而內存控制器還是支持LPDDR3－1600。

經過測試發現，A8的內存帶寬比A7略有增加，2－9％的樣子，很小，說明來自進一步優化。

在A8之後，蘋果發布了A8X，蘋果A系列GPU正式邁進了八核時代。

A8X用的架構仍然是增強版的Cyclone 架構，這個處理器有30 億個電晶體，是A8 的150％，更是A7 的3 倍，他們推算面積會大於A6X 的123 平方毫米，雖然對iPad 來說仍然安裝得到，但是電晶體大幅增長令處理器面積將僅次於A5X 的165 平方毫米，是蘋果第二大面積的處理器晶片。

對比之前的A8處理器，單線程的處理跑分為1798，增加了12％，而多線程的跑分是4468，竟然比A8增加高達55％，比A7，更高出68％，也比蘋果網站的描述更高。

與A7以及A8一樣，提供4MB的L3緩存空間，同樣也沒有把處理器以及圖像處理分隔開，令處理的時候可以用盡所有頻寬，提升處理速度。

A9：兩種工藝帶來的性能之爭

Apple A9內含了基於蘋果自主微架構（區別於ARM發布的公版微架構）的中央處理器核心，擁有64比特ARMv8－A指令集架構。

這款晶片於2015年9月9日發布，首先被搭載於iPhone 6S和iPhone 6S Plus智慧型手機中。

蘋果公司宣稱該晶片較前一代蘋果A8的中央處理器性能提高了70％，而圖形性能提高了90％，是當代性能最強的ARM架構晶片。

作為一款雙核64位處理器，系統主頻為1．85 GHz，兼容ARMv8A指令集架構，蘋果給這個自主研發的微架構的代號命名為「Twister」。

iPhone 6S搭載的A9晶片內有2 GB的LPDDR4內存。

高速緩存方面，A9晶片的兩個處理器核心各自擁有64 KB的一級指令緩存和64 KB的一級數據緩存，而3 MB二級緩存、4 MB的三級緩存則由兩個核心以及 系統晶片 其他部分分享。

A9晶片的「Twister」微架構類似第二代「Cyclone」微架構（用於A8晶片）。

它具有以下特性：16級指令流水線，指令發射寬度為6，加載指令延遲周期為4，分支預測失敗代價周期為9，擁有4條整數流水線、4個算術邏輯單元、2個存取單元、2個分支單元等。

A9晶片相較A8晶片性能的大幅提升主要是得益於其1．85 GHz的主頻率、更好的存儲子系統、更細緻入微的微架構調校和更低的工藝節點。

該晶片還包含了一個新的圖像處理器，能為照相機提供更佳的降噪、調焦性能。

A9晶片內部還直接集成了一個M9運動協處理器，這個協處理器主要負責採樣和處理加速度傳感器、陀螺儀、指南針、壓力傳感器等的數據，同時還負責識別Siri語音命令。

在代工方面，蘋果第一次使用雙代工的策略。

這個晶片採用了台積電16nm、三星14nm聯合製造，但也因此造成了兩種晶片之間存在一些差異，引發了很大爭議。

台積電、三星兩個版本的核心面積截然不同，前者有104．5平方毫米，而後者控制在了96平方毫米，差了約9％。

不過，它們的內部結構是一樣的，都有相同的CPU、GPU、內存控制器、協處理器等等，只不過在不同的工藝條件下，具體布局、細節略有差異。

說起核心面積，蘋果A系列處理器一直控制在100平方毫米上下，不過隨著每一代都升級新工藝，也有明顯的起伏波動。

45nm A5是近來最大的，達到了122平方毫米；20nm A8則是最小的，只有89平方毫米。

20多億個電晶體的A9其實不大不小。

同樣地，蘋果在之後推出了A9X。

A9X依然採用雙核心設計，不增加核心數目主要是由於在保證晶片尺寸儘可能小的前提下，想要增加一顆CPU核心實在是太難了。

GPU方面，A9X的內核中一共被發現了6個GPU單元，每個單元內有兩個GPU核心，算下來一共就是12個GPU核心，共計384個流處理器，比Tegra X1的256個還多。

A10：媲美個人電腦的四核CPU

2016年9月7日，蘋果發布了iPhone 7和iPhone 7 Plus智慧型手機，在新旗艦中搭載了蘋果的新一代處理器Apple A10 Fusion。

10 Fusion是基於ARM架構下，蘋果首款使用big．LITTLE配置的四核心SoC，包括兩枚高性能核心及兩枚高效節能核心。

不過A10 Fusion採用就是big．LITTLE內核內置切換器方式（In－kernel switcher，IKS）而不是高通驍龍820採用的HMP方式：一個低功耗核心和一個高性能核心組成一對，共用L2緩存，作為一個虛擬CPU核心（在iOS內核中根據負載需要切換），每個虛擬CPU核心在同一時間點上只有高性能核心或低功耗核心在運作，因此在iOS中僅能看到兩顆處理器核心。

A10的高性能CPU核心代號為「颶風」（Hurricane），而低功耗CPU核心代號為「微風」（Zephyr），均為蘋果公司自行設計的ARMv8兼容微架構。

蘋果宣稱此晶片較上代在CPU性能提升了40％，在圖形運算提升了50％。

這一代的A10 Fusion成為蘋果首款四核處理器，官方數據顯示，它擁有33億個電晶體，A10 Fusion處理器擁有兩個大核心和兩個小核心，在性能方面，A10 Fusion處理器會比iPhone6s的A9處理器提升40％之多，比起iPhone6的A8處理器更是高出了2倍！更重要的是，耗電量只是以往的五分之一。

同樣地，A10 Fusion處理器在GPU方面也有非常大的提升，A10的GPU處理速度比起A9處理器快了接近50％，更是A8的3倍，而耗電也比起A9減少了三分之一，比起A8直接降了一半的功耗。

此外，據蘋果官方介紹，得益於全新的A10 Fusion處理器以及M10處理器，iPhone7的續航時間比iPhone6s增加了2小時，iPhone 7 Plus的續航時間也比iPhone 6s Plus增加了1小時。

當然，A10X也是少不了的產品。

Apple A10X Fusion是蘋果公司設計的64位ARM架構SoC，首次搭載於2017年6月5日發布的10．5寸iPad Pro和第二代12．9寸iPad Pro之上［1］。

A10X集成了嵌入式M10協處理器［2］。

A10X是A10的變種，蘋果宣稱其與A9X相比，CPU速度提升了30％，GPU速度提升了40％。

總結

問世十年，蘋果iPhone全球銷量也突破了12億台。

也就是蘋果每年銷量也會超過一億台。

蘋果公司的市值也一路狂飆。

背後的技術提高和產品體驗是最基礎的保證。

A系列處理的作用功不可沒。

我們期待蘋果未來給我們帶來更多的新技術，更好體驗的產品。