苹果A13仿生芯片揭秘 效率比A12芯片高出30%左右

iPhone 11 Pro及其兄弟产品的发布，再次证实了苹果相对于竞争对手的真正优势，即其拥有整个垂直堆栈，包括软件、系统硬件和芯片设计。

据外媒报道，在2020年9月10日举行的iPhone发布会进行到第72分钟时，苹果公司市场营销高级副总裁菲尔·席勒(Phil Schiller)邀请斯里·桑塔纳姆(Sri Santhanam)走上舞台，介绍三款新手机内置的全新A13仿生芯片。瘦小而稍显害羞的桑塔纳姆是苹果负责芯片工程的副总裁，他在台上演讲了4分钟。

从很多方面来看，这四分钟时间才是苹果发布会上最重要的时刻。只是观众被闪亮的新款iPhone、三摄像头系统、神奇的夜间模式、令人印象深刻的视频功能，以及更重要的电池电量提升所吸引，几乎每人注意到这一点。当桑塔纳姆演讲结束时，我们多数人可能只记得他当初给出的几个数字，比如苹果的新芯片包含85亿个晶体管。

图1：苹果最新款智能手机iPhone 11 Pro

除此之外，A13仿生芯片还有6个CPU内核：其中两个是在2.66 GHz频率下运行的高性能内核(称为Lightning)，另外4个则是效率内核(称为Thunder)。与此同时，这款新片配有一个四核图形处理器、一个LTE调制解调器、一个苹果设计的图像处理器，以及一个八核神经引擎，用于支持机器智能功能，每秒可以进行超过5万亿次运算。

苹果这款新芯片更智能、速度更快、更强大，但却比它的前代产品能耗更低。A13仿生芯片的效率比去年的A12芯片高出30%左右，这也是新款iPhone每天电池续航时间增加5小时的原因之一。

iPhone 11 Pro及其兄弟产品的发布，再次证实了苹果相对于竞争对手的真正优势，即其拥有整个垂直堆栈，包括软件、系统硬件和芯片设计。你可以在iPhone的功能集中看到这些好处，从增强现实功能到深度融合和夜间模式等计算摄影模式。

席勒说:“今年芯片性能提升带来的最大好处之一就是文本转语音功能。我们已经增强了iOS 13的文本转语音功能，这样就有了更多的自然语言处理，而这一切都是通过机器学习和神经引擎完成的。”

卑微起点

自2007年发布第一代iPhone以来，苹果已经走过了漫长的道路。苹果的初代智能手机速度很慢，甚至无法执行最基本的任务，比如复制和粘贴文本。它的电池续航能力很差，摄像头会让超模看起来像“科学怪人的新娘”。最初的iPhone几乎不存在多任务处理功能，它是由运行频率为412mhz的芯片驱动的。这款手机实际上是许多零部件的拼凑组合，使用了包括三星DVD播放器芯片在内的组件。很难想象，这样一种设备有一天会颠覆手机、计算机和通信等多个领域。

苹果很快意识到，如果它想要领先于竞争对手，尤其是那些在安卓生态系统中的竞争对手，它就需要构建完整的堆栈，而这是一个相当复杂的过程。苹果在2008年的某个时候决定设计并制造自己的芯片。当时，该公司只有40名工程师致力于集成来自不同供应商的芯片。然后到2008年4月，苹果斥资2.87亿美元收购了名为P.A. Semi的芯片初创公司。这样一来，苹果芯片工程师的总数就增加到了150人左右，并为手机带来了最重要的专业知识——能效。

这群人的劳动成果最早是通过iPad 4和iPhone 4向世界展示的，这些设备使用的处理器名为A4，是ARM Holdings芯片设计的改良版。A4的主要功能是让视网膜显示屏发光。多年来，苹果的芯片已经支撑起许多新奇的功能，这些功能会在其著名的发布会上引起大多数人的惊叹。Siri、视频通话、基于指纹和图像的识别、相机的多种功能等，所有这些都是苹果公司芯片技术进步的成果。

在2017年iPhone X发布会上，曾有分析人士评论道:“Face ID完美地诠释了苹果不那么秘密的‘秘密酱料’，它是硅、物理硬件、软件和设计的完美融合。苹果将复杂技术转化为神奇时刻的能力，是基于这种需求的和谐结合。而这是史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）为他创立的公司留下的真正遗产。”

激烈竞争

强尼·斯鲁吉(Johny Srouji)负责苹果庞大的芯片业务以及其他硬件技术。许多人认为，该公司年度研发预算中很大一部分被划拨给了斯鲁吉的团队。几年前，斯鲁吉在接受媒体采访时表示:“乔布斯得出的结论是，苹果要想真正做到与众不同，并推出真正独特、真正伟大的产品，就必须拥有自己的硅芯片。”据说，该公司的芯片业务有几百名成员组成，但向苹果高管追问细节时，他们多会选择回避。

苹果的芯片优势并没有被业界忽视。商用芯片的进步速度还不足以赶上苹果，后者始终在加强自己的芯片优势，每次发布手机和平板电脑时都是如此。华为和三星（始终被视为苹果的宿敌）这两家公司很快意识到，移动技术的未来将需要定制芯片，从而使它们能够领先于安卓竞争对手，并更好地与苹果竞争。

这些公司与高通(Qualcomm)正处于一场硅芯片军备竞赛中，它们的位置不断在排行榜上洗牌。去年发布的A12仿生芯片在发布时就让苹果相较于竞争对手略占优势。今年，苹果利用iPhone 11发布会的机会，加强了自己的领先优势。

林利·格温纳普（Linley Gwennap）是研究咨询公司the Linley Group的创始人，也是颇具影响力芯片杂志《微处理器报告》（Microprocessor Report）的出版商，他被广泛认为是最重要的处理器专家之一。格温纳普一生的大部分时间都致力于开发处理器和芯片，他不太容易被营销用语所打动。但他承认，苹果有自己的优势，而且在基准测试中胜出，但它的优势并不多。

在一次采访中谈到A12仿生处理器时，格温纳普指出，虽然苹果在单CPU竞争中领先，但其他公司在其他方面更具竞争优势。他说:“我认为苹果的领先优势并不明显，预计三星、高通和华为等公司都将加大竞争力度。”

那么，自去年的A12推出以来，这些公司是否增强了竞争力度？与三大竞争对手的最新芯片相比，苹果新款六核A13仿生芯片究竟有什么优势？首先让我们看看这些数字：

三星最新的处理器Exynos 9825有8个内核，被分成三个集群：两个高性能定制Mongoose内核运行在2.73 GHz频率下，另外两个Cortex A75内核运行在2.4 GHz频率，四个专注于效率的Cortex A55内核的运行频率为1.9 GHz。Exynos 9825使用Mali GPU和三星神经处理单元，还支持LTE和内存功能。

华为的芯片名为麒麟990 5G，采用了类似的三簇八核结构。它有两个运行在2.86 GHz频率下的高性能Cortex A76内核，另外两个运行频率在2.35 GHz的高性能Cortex A76双核内核，以及四个运行在更慢频率1.95 GHz下的高效Cortex A55内核。除此之外，该芯片还有一个16核GPU和一个三核的达芬奇神经引擎。华为的芯片包含多达103亿个晶体管。

高通的新骁龙855 Plus非常像麒麟990和Exynos。它使用定制的Kryo 485 Gold内核，其中一个功能强大的集群运行频率为2.96 GHz，另外三个Kyro 485 Gold内核在2.42 GHz频率下运行，四个专注于效率的Kryo 485 Silver内核运行频率为1.78 GHz。这种芯片包括一个Adreno GPU和高通的Hexagon 690 AI引擎。

这些芯片的元件速度更快，元件数量也更多，所以你可能认为它们的性能比苹果芯片更好。但现实是，我们几乎从来没有使用移动设备芯片的全部能力，一个或两个高性能内核就足以满足我们对手机的大部分要求。与竞争对手的八核处理器相比，苹果的六核设计可能显得有些落后，但实际上，其芯片上的两大处理器很容易就能超越竞争对手的设计。

苹果的处理器能效更高，这使它们相对于竞争对手具有明显的优势。例如，三星的Mongoose芯片需要谨慎使用，以免导致配置它们的设备过热。即使是最新设计的A13定制效率内核也优于竞争对手。

格温纳普在今年早些时候的《微处理器报告》中指出:“尽管苹果的内核不是最大的，但它们在移动性能方面继续领先。”在他写这篇文章的时候，他正在谈论A12芯片，而A13的性能大约提高了20%。

因此，这里的要点是，规格和基准没有考虑到苹果的真正优势，苹果芯片能与设备紧密集成，该公司的发展战略是在提高关键应用程序性能的同时，从电池中挤出更多运行时间。

内在优势

那么，一家手机公司如何以一种能与客户产生共鸣的方式展示这些技术成果呢？芯片语言无关紧要，重要的是拥有最好的摄像头、最快的手机以及最大的电池。我们使用Instagram、Facebook或YouTube的时间越长，就越愿意把钱花在这些高端手机上。苹果新推出的iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro Max，电池续航时间分别增加了4个小时和5个小时。他们是怎么做到的？

这个问题的答案清楚地说明了苹果拥有整个堆栈的内在优势。为了了解这种垂直整合是如何体现在A13仿生芯片上的，席勒和阿南德·欣皮(Anand Shimpi)接受了采访，后者曾是一位非常有影响力的半导体和系统记者，还创办了AnandTech网站，现在是苹果平台架构团队的一员。

欣皮说：“我们经常公开谈论性能问题，但事实是，我们也将其视为性能功耗比。我们将其视为能源效率，如果你开发出高效的设计，你也恰好开发出高性能的设计。”欣皮和席勒都强调苹果对能效和性能的疯狂关注。例如，CPU团队将研究如何在iOS上使用应用程序，然后使用数据优化未来的CPU设计。这样，当下一代iPhone问世时，它将能更好地完成大多数人在iPhone上做的事情。

欣皮表示:“对于不需要额外性能的应用程序，用户可以去年的性能运行它们，并且只需要更低的功耗即可。”

这种策略不仅适用于CPU，同样的性能功耗比规则也适用于机器学习功能和图形处理。例如，如果一个开发者在iPhone的摄像软件上看到了GPU被大量使用，那么他就可以和GPU架构师一起找出更好的方法来做这件事情，这将为未来的图形芯片带来更有效的设计。

协同作用

那么当A13开始工作时会发生什么呢？通常包括分派、委托和交接。对于低能耗的任务，比如打开和阅读电子邮件，iPhone将使用更高效的内核。但是对于更复杂的任务，比如加载复杂的网页，这需要高性能内核负责。而对于那些常规的、机器学习已经可以胜任的任务，神经引擎可以自行运转。但是对于更新的、更先进的机器学习模型，CPU及其专用的机器学习加速器则提供了帮助。

然而，苹果公司的秘密在于，芯片的所有这些不同部分都能以一种节约电池电量的方式协同工作。在典型的智能手机芯片中，芯片的某些部分被用来完成特定的任务。你可以把它想成是为整个社区打开电源，让他们吃晚饭、看《权力的游戏》(Game of Thrones)，然后关掉电源，然后为另一个想玩电子游戏的社区打开电源。

而对于A13来说，它也采用相同的工作方式，但却可以精确到以家庭为基础的程度，浪费的电量更少。席勒说:“机器学习在整个过程中都在运行，无论是管理电池续航时间还是优化性能。“10年前还没有机器学习。现在，它总是在运行，在做事。”

最后，这项技术的进步是由我们人类想从手机中得到的某些简单东西所决定的，比如在手机上流畅运行游戏，或者在昏暗的夜晚用相机拍下漂亮干净的照片。当我们点击和滑动屏幕的时候，苹果的工程师们正在集中注意力，专注于重新设计明年的芯片，这将吸引我们再次升级设备。

编辑：hfy