蘋果芯片為何能領先競爭對手？深度揭秘A13仿生芯片

　　9月21日消息，據外媒報道，在今年9月10日舉行的iPhone發布會進行到第72分鐘時，蘋果公司市場營銷高級副總裁菲爾·席勒(Phil Schiller)邀請斯里·桑塔納姆(Sri Santhanam)走上舞臺，介紹三款新手機內置的全新A13仿生芯片。瘦小而稍顯害羞的桑塔納姆是蘋果負責芯片工程的副總裁，他在臺上演講了4分鐘。

　　從很多方面來看，這四分鐘時間才是蘋果發布會上最重要的時刻。只是觀眾被閃亮的新款iPhone、三攝像頭系統、神奇的夜間模式、令人印象深刻的視頻功能，以及更重要的電池電量提升所吸引，幾乎每人注意到這一點。當桑塔納姆演講結束時，我們多數人可能只記得他當初給出的幾個數字，比如蘋果的新芯片包含85億個晶體管。

　　除此之外，A13仿生芯片還有6個CPU內核：其中兩個是在2.66 GHz頻率下運行的高性能內核(稱為Lightning)，另外4個則是效率內核(稱為Thunder)。與此同時，這款新片配有一個四核圖形處理器、一個LTE調制解調器、一個蘋果設計的圖像處理器，以及一個八核神經引擎，用于支持機器智能功能，每秒可以進行超過5萬億次運算。

　　蘋果這款新芯片更智能、速度更快、更強大，但卻比它的前代產品能耗更低。A13仿生芯片的效率比去年的A12芯片高出30%左右，這也是新款iPhone每天電池續航時間增加5小時的原因之一。

　　iPhone 11 Pro及其兄弟產品的發布，再次證實了蘋果相對于競爭對手的真正優勢，即其擁有整個垂直堆棧，包括軟件、系統硬件和芯片設計。你可以在iPhone的功能集中看到這些好處，從增強現實功能到深度融合和夜間模式等計算攝影模式。

　　席勒說:“今年芯片性能提升帶來的最大好處之一就是文本轉語音功能。我們已經增強了iOS 13的文本轉語音功能，這樣就有了更多的自然語言處理，而這一切都是通過機器學習和神經引擎完成的。”

　　卑微起點

　　自2007年發布第一代iPhone以來，蘋果已經走過了漫長的道路。蘋果的初代智能手機速度很慢，甚至無法執行最基本的任務，比如復制和粘貼文本。它的電池續航能力很差，攝像頭會讓超�？雌饋硐�“科學怪人的新娘”。最初的iPhone幾乎不存在多任務處理功能，它是由運行頻率為412mhz的芯片驅動的。這款手機實際上是許多零部件的拼湊組合，使用了包括三星DVD播放器芯片在內的組件。很難想象，這樣一種設備有一天會顛覆手機、計算機和通信等多個領域。

　　蘋果很快意識到，如果它想要領先于競爭對手，尤其是那些在安卓生態系統中的競爭對手，它就需要構建完整的堆棧，而這是一個相當復雜的過程。蘋果在2008年的某個時候決定設計并制造自己的芯片。當時，該公司只有40名工程師致力于集成來自不同供應商的芯片。然后到2008年4月，蘋果斥資2.87億美元收購了名為P.A. Semi的芯片初創公司。這樣一來，蘋果芯片工程師的總數就增加到了150人左右，并為手機帶來了最重要的專業知識——能效。

　　這群人的勞動成果最早是通過iPad 4和iPhone 4向世界展示的，這些設備使用的處理器名為A4，是ARM Holdings芯片設計的改良版。A4的主要功能是讓視網膜顯示屏發光。多年來，蘋果的芯片已經支撐起許多新奇的功能，這些功能會在其著名的發布會上引起大多數人的驚嘆。Siri、視頻通話、基于指紋和圖像的識別、相機的多種功能等，所有這些都是蘋果公司芯片技術進步的成果。

　　在2017年iPhone X發布會上，曾有分析人士評論道:“Face ID完美地詮釋了蘋果不那么秘密的‘秘密醬料’，它是硅、物理硬件、軟件和設計的完美融合。蘋果將復雜技術轉化為神奇時刻的能力，是基于這種需求的和諧結合。而這是史蒂夫·喬布斯(Steve Jobs)為他創立的公司留下的真正遺產。”

　　激烈競爭

　　強尼·斯魯吉(Johny Srouji)負責蘋果龐大的芯片業務以及其他硬件技術。許多人認為，該公司年度研發預算中很大一部分被劃撥給了斯魯吉的團隊。幾年前，斯魯吉在接受媒體采訪時表示:“喬布斯得出的結論是，蘋果要想真正做到與眾不同，并推出真正獨特、真正偉大的產品，就必須擁有自己的硅芯片。”據說，該公司的芯片業務有幾百名成員組成，但向蘋果高管追問細節時，他們多會選擇回避。

　　蘋果的芯片優勢并沒有被業界忽視。商用芯片的進步速度還不足以趕上蘋果，后者始終在加強自己的芯片優勢，每次發布手機和平板電腦時都是如此。華為和三星(始終被視為蘋果的宿敵)這兩家公司很快意識到，移動技術的未來將需要定制芯片，從而使它們能夠領先于安卓競爭對手，并更好地與蘋果競爭。

　　這些公司與高通(Qualcomm)正處于一場硅芯片軍備競賽中，它們的位置不斷在排行榜上洗牌。去年發布的A12仿生芯片在發布時就讓蘋果相較于競爭對手略占優勢。今年，蘋果利用iPhone 11發布會的機會，加強了自己的領先優勢。

　　林利·格溫納普(Linley Gwennap)是研究咨詢公司the Linley Group的創始人，也是頗具影響力芯片雜志《微處理器報告》(Microprocessor Report)的出版商，他被廣泛認為是最重要的處理器專家之一。格溫納普一生的大部分時間都致力于開發處理器和芯片，他不太容易被營銷用語所打動。但他承認，蘋果有自己的優勢，而且在基準測試中勝出，但它的優勢并不多。

　　在一次采訪中談到A12仿生處理器時，格溫納普指出，雖然蘋果在單CPU競爭中領先，但其他公司在其他方面更具競爭優勢。他說:“我認為蘋果的領先優勢并不明顯，預計三星、高通和華為等公司都將加大競爭力度。”

　　那么，自去年的A12推出以來，這些公司是否增強了競爭力度?與三大競爭對手的最新芯片相比，蘋果新款六核A13仿生芯片究竟有什么優勢?首先讓我們看看這些數字：

　　三星最新的處理器Exynos 9825有8個內核，被分成三個集群：兩個高性能定制Mongoose內核運行在2.73 GHz頻率下，另外兩個Cortex A75內核運行在2.4 GHz頻率，四個專注于效率的Cortex A55內核的運行頻率為1.9 GHz。Exynos 9825使用Mali GPU和三星神經處理單元，還支持LTE和內存功能。

　　華為的芯片名為麒麟990 5G，采用了類似的三簇八核結構。它有兩個運行在2.86 GHz頻率下的高性能Cortex A76內核，另外兩個運行頻率在2.35 GHz的高性能Cortex A76雙核內核，以及四個運行在更慢頻率1.95 GHz下的高效Cortex A55內核。除此之外，該芯片還有一個16核GPU和一個三核的達芬奇神經引擎。華為的芯片包含多達103億個晶體管。

　　高通的新驍龍855 Plus非常像麒麟990和Exynos。它使用定制的Kryo 485 Gold內核，其中一個功能強大的集群運行頻率為2.96 GHz，另外三個Kyro 485 Gold內核在2.42 GHz頻率下運行，四個專注于效率的Kryo 485 Silver內核運行頻率為1.78 GHz。這種芯片包括一個Adreno GPU和高通的Hexagon 690 AI引擎。

　　這些芯片的元件速度更快，元件數量也更多，所以你可能認為它們的性能比蘋果芯片更好。但現實是，我們幾乎從來沒有使用移動設備芯片的全部能力，一個或兩個高性能內核就足以滿足我們對手機的大部分要求。與競爭對手的八核處理器相比，蘋果的六核設計可能顯得有些落后，但實際上，其芯片上的兩大處理器很容易就能超越競爭對手的設計。

　　蘋果的處理器能效更高，這使它們相對于競爭對手具有明顯的優勢。例如，三星的Mongoose芯片需要謹慎使用，以免導致配置它們的設備過熱。即使是最新設計的A13定制效率內核也優于競爭對手。

　　格溫納普在今年早些時候的《微處理器報告》中指出:“盡管蘋果的內核不是最大的，但它們在移動性能方面繼續領先。”在他寫這篇文章的時候，他正在談論A12芯片，而A13的性能大約提高了20%。

　　因此，這里的要點是，規格和基準沒有考慮到蘋果的真正優勢，蘋果芯片能與設備緊密集成，該公司的發展戰略是在提高關鍵應用程序性能的同時，從電池中擠出更多運行時間。

　　內在優勢

　　那么，一家手機公司如何以一種能與客戶產生共鳴的方式展示這些技術成果呢?芯片語言無關緊要，重要的是擁有最好的攝像頭、最快的手機以及最大的電池。我們使用Instagram、Facebook或YouTube的時間越長，就越愿意把錢花在這些高端手機上。蘋果新推出的iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro Max，電池續航時間分別增加了4個小時和5個小時。他們是怎么做到的?

　　這個問題的答案清楚地說明了蘋果擁有整個堆棧的內在優勢。為了了解這種垂直整合是如何體現在A13仿生芯片上的，席勒和阿南德·欣皮(Anand Shimpi)接受了采訪，后者曾是一位非常有影響力的半導體和系統記者，還創辦了AnandTech網站，現在是蘋果平臺架構團隊的一員。

　　欣皮說：“我們經常公開談論性能問題，但事實是，我們也將其視為性能功耗比。我們將其視為能源效率，如果你開發出高效的設計，你也恰好開發出高性能的設計。”欣皮和席勒都強調蘋果對能效和性能的瘋狂關注。例如，CPU團隊將研究如何在iOS上使用應用程序，然后使用數據優化未來的CPU設計。這樣，當下一代iPhone問世時，它將能更好地完成大多數人在iPhone上做的事情。

　　欣皮表示:“對于不需要額外性能的應用程序，用戶可以去年的性能運行它們，并且只需要更低的功耗即可。”

　　這種策略不僅適用于CPU，同樣的性能功耗比規則也適用于機器學習功能和圖形處理。例如，如果一個開發者在iPhone的攝像軟件上看到了GPU被大量使用，那么他就可以和GPU架構師一起找出更好的方法來做這件事情，這將為未來的圖形芯片帶來更有效的設計。

　　協同作用

　　那么當A13開始工作時會發生什么呢?通常包括分派、委托和交接。對于低能耗的任務，比如打開和閱讀電子郵件，iPhone將使用更高效的內核。但是對于更復雜的任務，比如加載復雜的網頁，這需要高性能內核負責。而對于那些常規的、機器學習已經可以勝任的任務，神經引擎可以自行運轉。但是對于更新的、更先進的機器學習模型，CPU及其專用的機器學習加速器則提供了幫助。

　　然而，蘋果公司的秘密在于，芯片的所有這些不同部分都能以一種節約電池電量的方式協同工作。在典型的智能手機芯片中，芯片的某些部分被用來完成特定的任務。你可以把它想成是為整個社區打開電源，讓他們吃晚飯、看《權力的游戲》(Game of Thrones)，然后關掉電源，然后為另一個想玩電子游戲的社區打開電源。

　　而對于A13來說，它也采用相同的工作方式，但卻可以精確到以家庭為基礎的程度，浪費的電量更少。席勒說:“機器學習在整個過程中都在運行，無論是管理電池續航時間還是優化性能。“10年前還沒有機器學習�，F在，它總是在運行，在做事。”

　　最后，這項技術的進步是由我們人類想從手機中得到的某些簡單東西所決定的，比如在手機上流暢運行游戲，或者在昏暗的夜晚用相機拍下漂亮干凈的照片。當我們點擊和滑動屏幕的時候，蘋果的工程師們正在集中注意力，專注于重新設計明年的芯片，這將吸引我們再次升級設備。(騰訊科技審校/金鹿)