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A13仿生芯片,苹果发布会的无名英雄

发布时间:2019-09-21 08:43:10  来源:IT之家    背景:

  在一年一度的iPhone发布活动开始大约72分钟后,苹果营销高级副总裁Phil Schiller邀请Sri Santhanam上台,介绍三款新手机内置的全新A13仿生芯片。苹果负责硅工程的Santhanam略显腼腆,发表了四分钟的讲话。从各方面说,这可能是整个活动中最重要的四分钟,然而并没有太多观众注意到这点,他们往往被闪亮的新款iPhone、三摄像头系统、神奇的暗黑模式、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。

  当Santhanam说完的时候,让人想到的只有数字。苹果的新芯片包含85亿个晶体管。此外,还有6个CPU内核:两个运行在2.66 GHz的高性能内核(称为Lightning)和4个效率内核(称为Thunder)。它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,以及一个用于机器智能功能的八核神经引擎,它每秒可以运行超过5万亿次操作。

  这款新芯片更智能、更快、更强大,但不知何故却比它的前辈消耗更少的能量。它的效率比去年的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及其姊妹产品的发布,再次证实了苹果相对于竞争对手的真正优势在于拥有整个垂直堆栈:软件、系统硬件和芯片设计。从增强现实功能,到深度融合和暗黑模式等计算摄影模式,可以在iPhone的各种功能设置中看到这些好处。

  “今年性能提升带来的最大好处之一就是文本到语音的转换,”Schiller在坐下来讨论A13仿生及其功能时表示。“我们已经增强了iOS 13的文本到语音功能,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。”

  时钟周期

  自2007年发布第一代iPhone以来,苹果已经走过了漫长的道路。第一部手机速度很慢,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,它的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,它是由一块412MHz的芯片驱动的。这款手机由包括三星DVD播放器芯片在内的部件组装而成。很难想象这样一种设备有一天会颠覆电话、计算机和通信的整个理念。

  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Android生态系统中的竞争对手,它就需要构建完整的堆栈——这是一个复杂的过程。苹果在2008年的某个时候决定设计并制造自己的硅。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,在2008年4月,苹果以2.87亿美元收购了一家名为P.A. Semi的芯片初创公司。这样一来,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技术: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,苹果的芯片已经启用了一些功能,这些功能会在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——所有这些都是苹果硅技术进步的成果。在2017年iPhone X的发布会上,我在博客上写道:“Face ID完美地诠释了苹果不那么神秘的‘秘密酱料’——硅、物理硬件、软件和设计的完美共生。它们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。”这是乔布斯为他创立的公司留下的真正遗产。

  竞争开始

  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的很大一部分被指定给了Srouji的团队。几年前,Srouji在接受《彭博商业周刊》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材料。”据说,该公司的芯片业务有几百名成员,但向苹果高管追问细节时,他们很快就沉默了。

  苹果的芯片优势并没有被业界忽视。使用商用硅还不足以赶上苹果,因为苹果一直在锤炼自己的芯片优势,不然它也不会一次只推出一部手机和一台平板电脑。华为和三星这两家公司很快意识到,移动技术的未来将需要定制硅,从而使它们能够领先于Android竞争对手,更好地与苹果竞争。

  这些公司与高通正处于一场硅军备竞赛中,并不断在排行榜上上演洗牌。最新一代的A12仿生芯片在发布时比苹果的竞争对手略占优势。今年,苹果利用iPhone 11发布会的机会,加强了自己的领先地位。

  Linley Gwennap是研究咨询公司Linley Group的创始人,也是有影响力的微处理器报告通讯的出版商,被广泛认为是最重要的处理器专家之一。Gwennap一生的大部分时间都致力于处理器和芯片的研发,并且他不太容易被营销用语打动。他表示,苹果确实有优势,它能在基准测试中获胜,但优势并不多。

  Gwennap在接受采访时谈到上一代A12仿生时指出,虽然苹果在单CPU竞争中处于领先地位,但其他厂商与苹果的竞争相对激烈。

  “我不认为他们会走得更远,”他表示。“我预计三星、高通和华为将提升自己的地位。”

  那么,自去年的A12以来,他们的表现是否有所提高呢?与苹果三大竞争对手的最新芯片相比,新款六核A13仿生芯片究竟有什么优势?让我们看看这些数字。

  三星最新的处理器Exynos 9825有8个核,被分成三个集群:两个高性能定制Mongoose核运行在2.73GHz,另外两个Cortex A75核运行在2.4GHz,四个专注于效率的Cortex A55核运行在1.9GHz。有一个Mali GPU和三星的神经处理单元,以及LTE和内存功能。

  华为的芯片名为麒麟990 5G,采用了类似的三集群、八核技术。有两个高性能的Cortex A76内核运行在2.86GHz,另外两个A76内核运行在2.35GHz,四个注重效率的Cortex A55内核运行在更慢的1.95GHz。构成该芯片的是一个16核的GPU和一个三核的Da Vinci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核心,其中一个功能强大的集群时钟频率为2.96GHz,另外三个Kyro 485 Gold核心以2.42GHz的时钟速度运行,四个专注于效率的Kryo 485 Silver核心运行频率为1.78GHz。它包括一个Adreno GPU和高通的Hexagon 690 AI引擎。

  这些芯片有一些更快的组件,所以你可能会认为这些芯片的性能比苹果的好,但事实是,我们几乎没有使用移动设备中芯片的全部容量。一个或两个高性能的内核足以满足我们对手机的大部分需求。与竞争对手的8核处理器相比,苹果的6核设计可能显得有些滞后,但实际上,其芯片上的两个大处理器很容易超越竞争对手的设计。苹果的处理器更有效地消耗能量,这使它们比竞争对手有明显的优势。例如,三星的Mongoose芯片需要谨慎使用,以免导致装有它们的设备过热。即使是最新设计的A13自定义效率核心也优于竞争对手。

  Gwennap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,他说的是A12芯片,而A13的性能提高了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——与设备紧密集成,以及该公司在提高关键应用性能的同时,为电池争取了更多时间。

  权力游戏

  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相机,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,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重点关注了电池。这两款手机的电池续航时间将分别增加4小时和5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堆栈的内在优势。为了了解这种垂直整合是如何体现在像A13仿生芯片这样的芯片上的,Schiller和Anand Shimpi接受了采访。Anand Shimpi在过去是一位有影响力的专注于半导体和系统的记者,并且创建了Anandtech网站,现在是苹果平台架构团队的一员。

  新的A13在性能上大大超过了去年的A12,它的所有主要部件都有20%的性能提升:六个CPU、图形处理器和神经引擎。对于一个已经表现出色的芯片来说,看到如此显著的提振,有点像是在看博尔特在冲刺中击败了自己。

  “我们经常公开谈论性能,”Shimpi表示。“但事实是,我们将其视为每瓦特的性能,这其实是在追求能源效率,如果构建高效设计,您也会碰巧建立性能设计。”

  Shimpi和Schiller都对能效和性能的疯狂关注表现出了强烈的态度。例如,CPU团队将研究如何在iOS上使用应用,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。

  Shimpi表示:“对于不需要额外性能的应用,可以运行在去年的性能上,并且只需要更低的功耗即可。”

  这种策略不仅适用于CPU。同样的每瓦特性能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的大量使用,那么她就可以和GPU架构师一起找出更好的方法来做事情。这将为未来的图形芯片带来更有效的设计。

  硅协同

  那么当A13 Bionic开始工作时会发生什么呢?一般概念包括任务、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web页面,这将由高性能内核负责。对于一些常规的、已建立良好的机器学习工作,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提供了帮助。

  然而,苹果的秘密在于,芯片的所有这些不同部分都以一种节约电池电量的方式协同工作。在一个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。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》,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,在单一的集成基础上,可以考虑采用相同的开关方式,从而消耗更少的电子。

  “机器学习在整个过程中都在运行,无论是管理电池寿命还是优化性能,”Schiller表示。“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一些简单的东西所决定的——激烈的游戏在手机上运行起来就像在游戏机上一样流畅,或者在昏暗的夜晚用相机拍下漂亮干净的照片。当我们点击和滑动的时候,苹果的工程师们正在集中注意力,重新开始他们的设计,并为明年的芯片工作,这将吸引我们再次升级。

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