[轉帖]論iPhone處理器十年進化史

論iPhone處理器十年進化史

導讀： 今天，蘋果發佈了最新一代的iPhone，做爲新一代的旗艦，新手機的功能承載了蘋果對將來的但願和消費者的期待。但從咱們半導體人看來更關注的是內部技術的演變，尤爲是其處理器上。

今天，蘋果發佈了最新一代的iPhone，做爲新一代的旗艦，新手機的功能承載了蘋果對將來的但願和消費者的期待。但從咱們半導體人看來更關注的是內部技術的演變，尤爲是其處理器上。

從iPhone 4上搭載自身研發的第一顆A系列處理器A4以來，蘋果一直都保持每一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獲得了大幅提高。新發布的A11處理器使用了2＋4的六核設置，集成了四十多億個晶體管，在性能上相對上一代有了很大的提高。無疑是一個處理器強者。

值着新處理器發佈之際，咱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發佈以前，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。可是到了2010年發佈的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，初版發佈型號內部集成基於45納米制程的一顆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芯片相比，去除了一些接口部件，並將L2 Cache由S5PC110的512KB擴大爲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，安裝該芯片設備普遍的販售了多年之久。

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高2倍，其配備有IT公司頻率爲200MHz的PowerVR SGX543 MP2 GPU，繪圖性能較前一代A4提高7倍之多，具有低功耗特性，支持低功耗DDR2 DRAM 。A5的成本估計比A4貴75％，但隨着產量增長，價格差別應會減小。

經過對蘋果A5處理器初步的芯片顯微分析，咱們發現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大了很多。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，其面積增長到了A4的2．3倍。A5中集成的兩個ARM核心佔去了A5總面積的14％左右，這個比例與ARM單核心在A4中佔取的面積比例是大體類似的。

值得一提的是，在A5以後還有個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，僅圖形處理器升級爲四核心PowerVR SGX543 MP4，專用於iPad （第三代）。蘋果公司聲稱其圖形處理能力爲上一代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競相推出四核心智能手機處理器芯片組以後，智能手機也從今年進入了「四核心時代」。然而iPhone 5在屏幕尺寸與手機處理器芯片的規劃上，咱們可看出Apple不肯盲目追隨市場潮流、堅持既有產品設計原則的態度。由於這一年他們推出的A6依然是雙核。

這個芯片採用蘋果公司研發的Swift架構同步雙核心中央處理器，並整合頻率爲 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，大小爲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 增長至 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高。

一樣在這年，蘋果推出了A6X。A6X是蘋果公司客製化的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］不一樣於A6，A6X被導熱片覆蓋，且內存模塊與芯片分開封裝。

A6X一樣由三星電子代工，使用32納米制程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講是一大步，對於整個移動處理器產業來講也是一大步，由於籍着這個處理器，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，殺得衆安卓措手不及。

移動計算和傳統桌面計算的界限開始模糊，對於業界來講意義非凡而深遠。同時因爲A7出色的性能和功耗，此次蘋果沒有設計X後綴 的芯片，而是讓iPad直接用上了A7，足見這款其強大性能。

採用64位元架構目的是提升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位元系統理論上能夠支援到16 EB（exabytes，2的64次方，16 EB等於16，777，216 TB），二者差異至關明顯。不過以iPhone來說，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，並且高容量的RAM，在初始化（initialize）時也須要大量耗電，對於電量有限的智能手機來講，首要目標應該是省電，而不是把電耗在更多還不須要用到的記憶體上面。

另外要發揮64位元處理器的優點，包含操做系統以及App都要是64位才行；不過64位App不管是在檔案大小或是須要RAM的容量都會變得更大，這樣除了更佔空間之外，也讓電源管理變得更復雜。

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成爲全球首款採用64位元處理器的智能手機。此DoC由三星電子以28納米制程代工生產。

CPU部分是蘋果公司自行研發64位元ARMv8雙核心處理器，因此架構不會徹底遵守Cortex－A57。蘋果表示，Apple A7包含超過10億個晶體管，晶粒（Die）大小爲102mm2。相比下，Intel的桌面型處理器Core i7－4770K包含了8MB L3，晶體管也只是14億，Die大小爲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（便是PS3和Xbox 360）。測試代表性能已經遠超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工藝的芯片。跟以往不一樣的是，此次蘋果芯片改由臺積電代工，而不是以前的三星。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部分爲自家定製的「改良版Cyclone」，上代A7則是「Cyclone」，維持雙核心設計，L1緩存爲64KB指令＋64KB數據，L2爲1MB，L3則爲4MB。GPU則採用Imagination Technologies的PowerVR GX6450，核心數目依然爲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採用臺灣積體電路製造公司20nm製程生產，再也不由三星代工。臺積電宣稱，20nm工藝相比於28nm可以使芯片速度提高30％，或者集成度提升90％，或者功耗下降25％，具體如何權衡就看芯片設計了。

它包含20億個晶體管，大約是Apple A7的兩倍，晶粒大小卻減小13％，由102mm2減至89mm2（沒有采用新架構，只是晶體管排得密。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晶體管後，蘋果憑藉更新的工藝，反而減少了CPU所佔面積。

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，繼續同時爲CPU、GPU服務（可視爲三級緩存），容量仍是4MB，而內存控制器仍是支持LPDDR3－1600。通過測試發現，A8的內存帶寬比A7略有增長，2－9％的樣子，很小，說明來自進一步優化。

在A8以後，蘋果發佈了A8X，蘋果A系列GPU正式邁進了八核時代。

A8X用的架構仍然是加強版的Cyclone 架構，這個處理器有30 億個晶體管，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 來講仍然安裝獲得，可是晶體管大幅增加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芯片。

對比以前的A8處理器，單線程的處理跑分爲1798，增長了12％，而多線程的跑分是4468，居然比A8增長高達55％，比A7，更高出68％，也比蘋果網站的描述更高。與A7以及A8同樣，提供4MB的L3緩存空間，一樣也沒有把處理器以及圖像處理分隔開，令處理的時候能夠用盡全部頻寬，提高處理速度。

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發佈的公版微架構）的中央處理器核心，擁有64比特ARMv8－A指令集架構。這款芯片於2015年9月9日發佈，首先被搭載於iPhone 6S和iPhone 6S Plus智能手機中。蘋果公司宣稱該芯片較前一代蘋果A8的中央處理器性能提升了70％，而圖形性能提升了90％，是當代性能最強的ARM架構芯片。

做爲一款雙核64位處理器，系統主頻爲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爲「Twister」。

iPhone 6S搭載的A9芯片內有2 GB的LPDDR4內存。高速緩存方面，A9芯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芯片其餘部分分享。A9芯片的「Twister」微架構相似第二代「Cyclone」微架構（用於A8芯片）。

它具備如下特性：16級指令流水線，指令發射寬度爲6，加載指令延遲週期爲4，分支預測失敗代價週期爲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芯片相較A8芯片性能的大幅提高主要是得益於其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。

該芯片還包含了一個新的圖像處理器，能爲照相機提供更佳的降噪、調焦性能。A9芯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。

這個芯片採用了臺積電16nm、三星14nm聯合制造，但也所以形成了兩種芯片之間存在一些差別，引起了很大爭議。

臺積電、三星兩個版本的核心面積大相徑庭，前者有104．5平方毫米，然後者控制在了96平方毫米，差了約9％。不過，它們的內部結構是同樣的，都有相同的CPU、GPU、內存控制器、協處理器等等，只不過在不一樣的工藝條件下，具體佈局、細節略有差別。

提及核心面積，蘋果A系列處理器一直控制在100平方毫米上下，不過隨着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多億個晶體管的A9其實不大不小。

一樣地，蘋果在以後推出了A9X。

A9X依然採用雙核心設計，不增長核心數目主要是因爲在保證芯片尺寸儘量小的前提下，想要增長一顆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，每一個單元內有兩個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：媲美我的電腦的四核CPU

2016年9月7日，蘋果發佈了iPhone 7和iPhone 7 Plus智能手機，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，做爲一個虛擬CPU核心（在iOS內核中根據負載須要切換），每一個虛擬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做，所以在iOS中僅能看到兩顆處理器核心。

A10的高性能CPU核心代號爲「颶風」（Hurricane），而低功耗CPU核心代號爲「微風」（Zephyr），均爲蘋果公司自行設計的ARMv8兼容微架構。蘋果宣稱此芯片較上代在CPU性能提高了40％，在圖形運算提高了50％。

這一代的A10 Fusion成爲蘋果首款四核處理器，官方數據顯示，它擁有33億個晶體管，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處理器提高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。

一樣地，A10 Fusion處理器在GPU方面也有很是大的提高，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減小了三分之一，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增長了2小時，iPhone 7 Plus的續航時間也比iPhone 6s Plus增長了1小時。

固然，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日發佈的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速度提高了30％，GPU速度提高了40％。

總結

問世十年，蘋果iPhone全球銷量也突破了12億臺。也就是蘋果每一年銷量也會超過一億臺。蘋果公司的市值也一路狂飆。背後的技術提升和產品體驗是最基礎的保證。A系列處理的做用功不可沒。咱們期待蘋果將來給咱們帶來更多的新技術，更好體驗的產品。