蘋果A11芯片深度解析：CPU+GPU+AI火力全開

9 月 13 日凌晨，蘋果在秋季發(fā)布會上正式推出了全新一代 iPhone 智能手機：iPhone 8、iPhone 8 Plus 和 iPhone X（發(fā)音為 iPhone 10）。

這三款新設(shè)備的都搭載了全新的移動芯片，蘋果稱之為 A11 仿生（不是“Fusion”），并表示這是 iPhone 上有史以來最強大、最智能的芯片。

通過發(fā)布會介紹的 A11 仿生芯片細節(jié)，不難發(fā)現(xiàn)蘋果自主定制芯片野心非常大，可謂雄心勃勃。并且隨著時間的推移，針對半導(dǎo)體芯片的定制設(shè)計越來越多，A11 達到了前所未有的高度。

蘋果在發(fā)布會中的幻燈片多次出現(xiàn)并多次強調(diào)，A11仿生芯片內(nèi)部的CPU、GPU、性能控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元、ISP等這些都是蘋果自己設(shè)計（Apple-designed）的。

那么，關(guān)于蘋果這枚“智能過人”的 A11 芯片，其亮點有哪些？對未來的重要影響又在哪里呢？

自主設(shè)計的CPU內(nèi)核：六個核心在A10芯片上，蘋果推出了所謂的“Fusion”技術(shù)，CPU采用新的四核心設(shè)計，擁有2個高性能核心和2個高能效核心。高低能效兩種內(nèi)核可以根據(jù)不同的需要，來達到理想的性能與能效表現(xiàn)。

其中高能效內(nèi)核用于應(yīng)付密集型的重度任務(wù)，提升處理速度保證性能。而高能效內(nèi)核則應(yīng)用于日常事務(wù)，低能耗運行，從而保證電池續(xù)航能力的提升，享受更長的單次充電續(xù)航時間。

最新的A11仿生芯片，蘋果又向前邁進了一步。

這一次A11仿生的CPU采用了六核心設(shè)計，由2個高性能核心與4個高能效核心組成。相比A10 Fusion，其中兩個性能核心的速度提升了25%，四個能效核心的速度提升了70%，性能與能效表現(xiàn)更加出眾。

關(guān)鍵是，蘋果還準(zhǔn)備了第二代性能控制器，因此可以同時發(fā)揮六個核心的全部威力，性能提升最高可達70%，以應(yīng)對多線程工作負(fù)載。

對于六個CPU 核心全部發(fā)揮性能這一點，究竟提升多大還不清楚，但至少在基準(zhǔn)測試上，目前泄露的跑分成績相當(dāng)驚人。

從下面圖可以看到（10.2、10.3 和 10.5 分別對應(yīng)三款新機型），A11 仿生在Geekbench 4的性能基準(zhǔn)測試中，單核平均得分高達4169，而多核得分也有9837將近一萬的分?jǐn)?shù)，秒殺所有手機行業(yè)內(nèi)同基于ARM授權(quán)設(shè)計的移動處理器。

對比自家，此前A10 Fusion的iPhone 7 Plus在單核模式下的得分約為3514，在多核中則為5970。而搭載蘋果目前最強移動芯片A10X Fusion的最新12.9 英寸iPad Pro，單核跑分的成績?yōu)?924，多核則是9371。

若是對比x86平臺的2017 年款 MacBook Pro，這款搭載3.1 GHz英特爾Core i5處理器的產(chǎn)品單核得分為4274。當(dāng)然，多核還是英特爾更強，但至少A11 給 x86 陣營的低電壓處理器帶來了威脅。

A11 仿生的 CPU 性能澎湃已毋庸置疑，不過沒有一臺手機會時刻保持 CPU 多核同時高性能運行。

因此，A11 仿生也會在性能核心與能效核心之間合理分配任務(wù)，智能地適當(dāng)?shù)毓芾砣蝿?wù)，將輕量級的任務(wù)或后臺任務(wù)交給高能效核心去處理，例如發(fā)短信或者瀏覽網(wǎng)頁，很多日常做的事情大多交給高能效內(nèi)核就能完成，耗電更少。

此外，蘋果還公布，A11 仿生芯片有 43 億個晶體管。這就表示，A11 相比 A10 采用了更加先進的工藝制程打造，不出意外的話將是臺積電的 10 納米 FinFET 工藝制程。

因為得益于新工藝，才能在既定面積之內(nèi)塞進更多晶體管或先進的功能。如果 A11 芯片保持 125 平方毫米的尺寸，至少可將晶體管提高到 60 億個，不過蘋果在同一芯片區(qū)域內(nèi)做了其他更多的工作。

無論如何，雖然從早期 A4 到今天 A11 芯片，蘋果無一不是基于 ARM 授權(quán)的指令集定制自主 CPU 核心，但始終能夠能保持業(yè)內(nèi)最強 CPU 性能的優(yōu)勢。所以，蘋果沒有理由不堅定走自主定制的道路，并且將優(yōu)勢進一步擴大。

過去幾年，競爭對手大多通過定制 ARM 內(nèi)核并打造多核 CPU 的方式與 A 系列芯片競爭，起碼不落下風(fēng)，但今年蘋果加入到多核的競爭中，性能領(lǐng)先優(yōu)勢再次擴大，對于高通、三星、麒麟等這些對手會如何回應(yīng)，令人期待。

蘋果自主設(shè)計的 GPU之前蘋果采用一直采用來自 Imagination Technologies 公司設(shè)計的 GPU 圖形處理單元。

不過，蘋果早就已經(jīng)確認(rèn)將放棄 PowerVR GPU，改用將自主研發(fā) GPU 圖形芯片技術(shù)。蘋果這一舉動，直接導(dǎo)致 Imagination Technologies 公司在今年早些時候被迫掛牌出售。

雖然 Imagination Technologies 認(rèn)為在 2018 年之前蘋果無法自主設(shè)計 GPU，但是蘋果的舉動就是那么意外。A11 仿生芯片的誕生證明了 Imagination Technologies 的推測是錯誤的。

蘋果在發(fā)布會上表示，A11 仿生芯片還整合了蘋果自主設(shè)計的三核心 GPU 圖形處理單元，圖形處理速度與上一代相比最高提升可達 30% 之多。

很顯然，今年 A11 仿生芯片就能用上蘋果自主設(shè)計的 GPU，這一點的確出乎很多人的意料，因為 Imagination Technologies 不認(rèn)為蘋果能夠完全避開自家的 IP 知識產(chǎn)權(quán)、專利和保密信息，如果蘋果從基礎(chǔ)完全重新設(shè)計 GPU 架構(gòu)而不侵犯 IP，這絕對是一項超級艱難的挑戰(zhàn)。

事實上，蘋果不是無情拋棄 Imagination Technologies 的 GPU，反而是過去多年時間已經(jīng)做了大量鋪墊。

可以說是 2013 年甚至更早，蘋果就有了打造自主 GPU 團隊的多個舉動，很多 GPU 相關(guān)的移動芯片廠商被蘋果收購，來自 IBM、AMD、飛思卡爾甚至是 Imagination Technologies 等公司的優(yōu)質(zhì)圖形工程師人才被蘋果搶到手。

當(dāng)一個 GPU 團隊組建完成，再加上自主定制 CPU 的長期經(jīng)驗，相關(guān) GPU 自主設(shè)計的工作也就順其自然展開了。

所以，其實從 A8 開始蘋果就基于 Imagination Technologies 的 IP 定制 GPU，被譽為 GPU“心臟”著色器內(nèi)核以及驅(qū)動都是自主完成設(shè)計。只不過到了 A11 仿生這一代芯片，蘋果才真正公布了完全自主設(shè)計的 GPU。

蘋果沒有透露太多自主設(shè)計 GPU 的細節(jié)，不過表示 A11 仿生的 GPU 圖形處理單元已針對機器學(xué)習(xí)技術(shù)、新穎的沉浸式 3D 游戲和 AR 增強現(xiàn)實體驗進行了優(yōu)化。

其中在 AR 方面蘋果稱，A11 能發(fā)揮六核 CPU 進行全局追蹤、場景識別，GPU 圖形處理單元還能配合進行驚人的 60 fps 高速處理，同時自主定制的 ISP 圖像信號處理單元還可以實時進行光線預(yù)測，最后加上新雙攝和重新校準(zhǔn)的傳感器，讓 AR 體驗更加超乎想象的流暢體驗，且真實感達到了前所未有的新高度。

A11 仿生只是蘋果第一次自主設(shè)計 GPU 的嘗試而已，雖然看起來是剛剛起步，但已經(jīng)在 AR 方面發(fā)揮重大作用了，未來必然會往更重大的方向上前進。

畢竟蘋果為了保持行業(yè)的差異化，多年期就開始部署自主基礎(chǔ)技術(shù)，圍繞處理器或傳感器技術(shù)展開工作，目的是掌握更高的控制權(quán)，打造屬于自己最理想的圖形性能、創(chuàng)新視覺和圖形環(huán)境。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎5 月份彭博社爆料蘋果內(nèi)部已經(jīng)開始測試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎，甚至是在搭載新 A 系列芯片的設(shè)備中測試，當(dāng)時很多推測就認(rèn)為 A11 非常有可能集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎。

事實證明，A11 仿生成為了蘋果第一枚神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎的 SoC 移動 芯片。那么，這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎有什么呢？

蘋果在發(fā)布會上解釋，有一種 AI 人工智能叫作機器學(xué)習(xí)，即讓電腦通過觀察的方式進行學(xué)習(xí)。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎就是專為機器學(xué)習(xí)而開發(fā)的硬件，它不僅能執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的高速運算，而且具有杰出的能效。

簡而言之，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎能夠擔(dān) CPU 和 GPU 的任務(wù)，大幅提升芯片的運算效率，以更少的能耗更快的完成更多任務(wù)。

在 A11 仿生中，蘋果表示自家的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎采用雙核設(shè)計，每秒運算次數(shù)最高可達 6000 億次。不過，蘋果沒有像華為那樣透露具體的浮點運算性能（當(dāng)時華為麒麟 970 的 NUP 在 FP16 下提供的運算性能可以達到 1.92 TFLOPs）。

蘋果表示，自家的 AI 單元主要用于勝任機器學(xué)習(xí)任務(wù)，能夠識別人物、地點和物體，為“面容 ID”和“動話表情”等創(chuàng)新的功能提供強大的性能。

其中對于 iPhone X 的“面容 ID”，面容 ID 功能會投射 30000 多個肉眼不可見的紅外光點，然后將得到的紅外圖像和點陣圖案傳輸給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建臉部的數(shù)學(xué)模型，再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至安全隔區(qū)，以確認(rèn)數(shù)據(jù)是否匹配。而且，就算樣貌隨著時間而改變，它也能隨之進行調(diào)整適應(yīng)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎是蘋果在 A 系列芯片上的首次嘗試，雖然目前服務(wù)的范圍還很有限，更多的為 iPhone X 而設(shè)計，但未來這一 AI 單元很快會擴展到更多蘋果生態(tài)的領(lǐng)域當(dāng)中，包括無人駕駛汽車系統(tǒng)、AR 增強現(xiàn)實技術(shù)、Apple TV 和 HomePod 音箱等，讓更多原本生硬的設(shè)備也能采用與人類同樣的方式進行交互，變得真正會思考。

A11讓蘋果有太多“過人”之處 靜等對手在不到十年的時間里，蘋果打造了一支世界級的芯片團隊，并且在移動行業(yè)取得了巨大的成就，這令人難以置信。

盡管大多數(shù)時候我們只簡單看到了表面上的性能收益，但隨著蘋果越來越重視芯片和內(nèi)部組件的定制設(shè)計和研發(fā)，除了無可比擬的性能優(yōu)勢之外，特定領(lǐng)域的功能特征上也形成巨大的競爭優(yōu)勢。

有了最好的應(yīng)用生態(tài)，最好的定制級移動處理器，最受贊譽可完全掌控的操作系統(tǒng)，可以說蘋果的軟硬件整合能力越來越強大了。

這種碾壓級的優(yōu)勢很多 OME 手機制造商根本難以與之競爭，部分原因在于，首先大多數(shù)智能手機制造商起步太晚，再者很多廠商負(fù)擔(dān)不起的相關(guān)和巨額的研發(fā)支出。

因此，對于蘋果在手機行業(yè)的競爭對手而言，直接從高通這樣的芯片公司購買方案顯然更簡單，也更可取。

就拿 AI 單元來說，除了蘋果和華為已有 NPU 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元之外，高通從 2014 年開始也公開了 NPU 的研發(fā)，并且在最新兩代驍龍 8xx 芯片上都有所體現(xiàn)，例如驍龍 835 就集成了“驍龍神經(jīng)處理引擎軟件框架”，提供對定制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層的支持，OEM 廠商和軟件開發(fā)商都可以基于此打造自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元。

其實 ARM 本身早已在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上發(fā)力，今年所發(fā)布的 Cortex-A75 和 Cortex-A55 都融入了 自家的 AI 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) DynamIQ 技術(shù)。

ARM 聲稱，通過 DynamIQ 技術(shù)在未來 3-5 年內(nèi)實現(xiàn)比當(dāng)前設(shè)備高 50 倍的人工智能性能，可將特定硬件加速器的反應(yīng)速度提升 10 倍。

很顯然，AI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元、機器學(xué)習(xí)等這些詞，今天只是開始而已。因此蘋果對手實現(xiàn)超車是可能辦得到的，就像華為買的寒武紀(jì)的 NPU 授權(quán)，小米的澎湃也可以去買，三星自己定制的 Exynos 完全可以基于 DynamIQ 技術(shù)，其他廠商只要采購高通芯片即可。

當(dāng)然，蘋果不會止步不前，而且正如前述，蘋果龐大的閉環(huán)生態(tài)鏈?zhǔn)瞧洹斑^人”之處。更重要的是，蘋果正逐漸擁有更多核心技術(shù)，所以我們看到了自主 S 系列芯片、T 系列芯片和自主儲存控制器等，未來還會更多。

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