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外媒揭秘苹果A13芯片:比三星华为高通芯片好在哪

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在今年的iPhone发布会进行了大约72分钟后,苹果负责营销的高级副总裁菲尔·席勒(Phil Schiller)邀请苹果负责芯片的副总裁斯里·萨萨纳姆(Sri Santhanam)上台,谈论在所有三款新手机中使用的全新A13仿生芯片,后者发表了四分钟的演讲。从很多方面看,这才是整个苹果发布会上最重要的时刻,只是在全新iPhone及其诸多功能改进的掩映下,几乎没有人注意到这一点。

当萨萨纳姆演讲结束时,我们所能记住的就是那些数字了。苹果最新芯片包含85亿个晶体管,有六个CPU内核:包括两个运行频率为2.66 GHz的高性能内核(称为Lightning)和四个效率内核(称为Thunder)。A13仿生芯片有四核图形处理器、LTE调制解调器、苹果设计的图像处理器以及用于机器智能功能的八核神经引擎,每秒可进行超过5万亿次运算。


这款新芯片更智能化、更快、更强大,但功耗却比前一代芯片更低。与去年的A12芯片相比,这款芯片的效率提高了约30%,这也是促使新款iPhone每天电池续航时间增加5个小时的重要因素之一。

iPhone 11系列发布,只是重申了苹果相对于竞争对手的真正优势,即拥有独家的软件、系统硬件和芯片设计。你可以在iPhone的诸多功能中看到这些好处,包括增强现实功能和计算摄影模式,如深度融合(Deep Fusion)与夜间模式等。

席勒在谈论A13仿生芯片及其功能时说:“今年性能提升好处的最大例子之一是文本转语音功能。我们已经增强了iOS 13中的文本转语音能力,提供了更强大的自然语言处理能力,而这一切都是通过机器学习和神经引擎完成的。”

时钟周期

自2007年推出第一代iPhone以来,苹果已经走过了很长的路。该公司第一部智能手机速度很慢,甚至不能执行最基本的任务,如复制和粘贴文本。初代iPhone的电池续航能力很糟糕,拍摄效果也不佳。最初的iPhone几乎不存在多任务处理功能,它的芯片主频仅有412 MHz。这款手机可以说是拼凑的产物,包括使用了三星DVD播放器中的芯片组件。很难想象,这样的设备竟然会颠覆整个手机、计算和通信领域。

苹果很快意识到,如果它想保持领先于竞争对手的优势,特别是那些安卓生态系统中的竞争对手,它就需要构建整个系统,无论是硬件还是软件。苹果设计和制造自家芯片的决定是在2008年的某个时候做出的。当时,该公司只有40名工程师在集成来自各种供应商的芯片。

然后,在2008年4月,苹果以2.87亿美元收购了名为P.A.Semi的芯片初创公司。这使得其芯片工程师的总数增加到大约150人,并带来了手机方面最重要的专业知识——能效。这个团队的劳动成果首次通过iPad 4和iPhone 4向世界展示,这些设备都由名为A4的处理器驱动。A4是ARM控股公司芯片设计的改良版,其主要关注点是凸显视网膜显示屏。

多年来,苹果芯片已经支撑起许多令人惊叹的新功能,比如智能助手Siri、视频通话、基于指纹和图像的识别以及摄像头的众多功能,所有这些都是苹果在芯片研发取得进展的结果。在2017年iPhone X发布时,曾有博文称:“Face ID是苹果不那么秘密的‘秘密武器’的完美例证,这种秘密武器是半导体、物理硬件、软件和为愉悦而设计的理念的完美融合。他们有将复杂技术转变为神奇时刻的能力,这也是史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)为他共同创立的公司留下的真正遗产。”

激烈竞争

强尼·斯洛基(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,公司年度研发预算的很大一部分,专门拨付给了斯洛基的团队。几年前,斯洛基在接受采访时表示:“乔布斯得出的结论是,苹果要想真正脱颖而出,提供真正独特、真正伟大的产品,唯一的办法就是拥有自己的芯片。”据说,苹果有数百人专门从事芯片研发,但向苹果高管们追问细节时,他们都会选择回避。

苹果的芯片优势在业界从未被忽视过。商用芯片的进步速度总是赶不上苹果,后者始终在致力于增强自己的芯片优势,每次发布手机和平板电脑都是如此。华为和三星很快意识到,移动技术的未来将需要定制芯片,这将使它们能够保持领先于安卓竞争对手,并更好地与苹果竞争。

图2:苹果芯片业务副总裁斯里·萨萨纳姆(Sri Santhanam)上周在加州库比蒂诺的史蒂夫·乔布斯剧院讲台上谈到了A13仿生芯片

这些公司以及高通(Qualcomm)等芯片制造商,都在进行一场芯片军备竞赛,且在排行榜上的位置不断洗牌。上一代A12仿生芯片在发布时,让苹果较竞争对手相比略占优势,然后今年,苹果利用iPhone 11发布会加强了其领先优势。

林利·格文奈普(Linley Gwennap)是研究咨询公司The Linley Group的创始人,也是著名芯片杂志《微处理器报道》(Microprocessor Report)的发行人,被广泛认为是最重要的处理器专家之一。格文奈普一生中的大部分时间都致力于处理器和芯片,但市场营销语言并不那么容易给他留下深刻印象。但他承认,苹果有个优势,而且在基准方面取得了胜利,尽管优势还不太明显。

格文奈普在采访中谈到上一代A12仿生时指出,虽然苹果在单CPU竞争中处于领先地位,但其他与之相对的公司同样具有竞争力。他说:“我不认为苹果有太大优势,预计三星、高通和华为都将加快追赶速度。”

那么,自从去年苹果推出A12以来,他们有没有加大追赶力度?与苹果三大竞争对手的最新芯片相比,新的六核A13仿生芯片到底是如何堆叠的?让我们看看相关数字:

三星最新处理器Exynos 9825有八个内核,分布在三个集群中:两个高性能定制Mongoose内核运行在2.73 GHz频率之下,另外两个Cortex A75内核在2.4 GHz下运行,四个效率聚焦内核Cortex A55运行在1.9 GHz频率下。它配置Mali GPU和三星的神经处理单元,支持LTE和内存功能。

华为的芯片名为麒麟990 5G,采用类似的三簇八核方法:两个运行频率在2.86 GHz的高性能内核Cortex A76,另外两个A76双核运行在2.35 GHz频率下,四个效率聚焦内核Cortex A55在更慢的1.95 GHz下运行。完整的芯片是16核GPU以及有三个核的达芬奇神经引擎。华为的芯片包含103亿个晶体管。

高通新推出的骁龙855 Plus,非常像麒麟990和Exynos。它使用定制的Kryo 485金核,其中一个强大群集的运行频率为2.96 GHz,另外三个Kyro 485金核在2.42 GHz频率下运行,四个注重效率的Kryo 485银核运行频率为1.78 GHz。它包括Adreno GPU和高通Hexagon 690 AI引擎。

这些芯片配置了速度更快的组件,而且数量更多,所以你可能会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过移动设备中芯片的全部容量,一两个高性能内核足以满足我们在手机上的大部分活动。与竞争对手的八核处理器相比,苹果的六核设计可能看起来落后。但实际上,其芯片上的两个大处理器轻而易举地超过了竞争对手的设计。

苹果处理器的能效更高,这使它们比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A13中新设计的定制效率内核也优于其竞争对手。今年早些时候,格文奈普在《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,他正在谈论的是A12芯片,而A13的性能提高了至少20%。

因此,这里得出的结论是,规格和基准没有考虑到苹果的真正优势,即与设备紧密集成,以及该公司的发展战略,即在提升关键应用性能的同时,从电池中挤出更多运行时间。

性能提升

那么,手机公司如何以一种与客户产生共鸣的方式来说明这些技术带来的好处呢?有关芯片方面的言辞无关紧要。重要的是拥有最好的摄像头、最快的手机,还有最大的电池。我们使用Instagram、Facebook或YouTube的时间越长,我们就越愿意在这些高端手机上花钱。苹果iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro Max的电池续航时间分别延长4个小时和5个小时,它们是怎么做到的?

这个问题的答案清楚地说明了苹果拥有整个系统的固有优势。为了了解垂直整合是如何在A13仿生芯片上体现出来的,席勒和阿南德·辛皮(Anand Shimpi)接受了采访,后者是个专注于半导体和系统的知名记者,他创立了AnandTech网站。辛皮现在是苹果平台架构团队的一员。

新的A13芯片性能远远超过了去年的A12,其所有主要组件:六个CPU内核、图形处理器和神经引擎的性能都提高了20%。对于已经算是高性能的芯片来说,看到如此显着的提升,不禁让人觉得有点儿像看着尤塞恩·博尔特(Usain Bolt)在短跑中击败自己。

辛皮说:“我们经常公开谈论性能,但现实是,我们将其视为性能功耗比。我们将其视为能源效率,如果你构建出更高效的设计,那意味着你也恰好构建出了高性能设计。”

辛皮和席勒都重点强调这种对能效和性能的关注。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,当下个版本的设备问世时,它将能更好地支持大多数人在iPhone上做的事情。辛皮说:“对于不需要额外性能的应用程序,用户可以按照去年的性能运行,并且只需以低得多的功耗运行即可。”

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iPhone摄像头软件的开发人员看到GPU的利用率很高,那么他可以与GPU架构师合作,找出一种更好的工作方式。这将为未来的图形芯片带来更有效的设计。

协同效应

那么,当A13仿生芯片开始工作时,里面会发生什么呢?通常涉及分配、委派和移交。对于低能耗任务,比如打开和阅读电子邮件,iPhone将使用更高效的内核。但对于能耗更密集的任务,如加载复杂的网页,这将由高性能内核负责。对于某些例行的和机器学习已经胜任的工作,神经引擎可以独自承担。而对于更新、更尖端的机器学习模型,CPU及其专门的机器学习加速器可以提供帮助。

然而,苹果的秘密在于,芯片的所有这些不同部分可以更节省能耗的方式协同工作。在典型的智能手机芯片中,芯片的某些部分被打开以执行特定的任务。你可以把它想象成打开整个社区的电源,让他们吃晚饭,看《权力的游戏》,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。

对于A13来说,在做上述同样事情的时候,它以精准控制单个家庭为基础,为此被浪费的电量更少。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运行。现在,它总是在运行,做很多不同的事情。”

归根结底,这项技术的发展取决于我们想从手机中获得哪些东西,比如在手机上玩流畅运行的游戏,或者在昏暗的夜色中拍摄美丽而干净的照片。当我们敲击和滑动手机屏幕时,苹果的工程师们正在关注和重新思考他们的设计,并致力于开发明年更先进的芯片,这将诱使我们不断升级设备。(小小)

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