iPhone13的強悍之源

一個影響蘋果未來的重要決定

蘋果旗下的AppleA系列芯片之所以總能優于同期Android陣營競品，主要就是它們融合了蘋果獨家的“自研”核心架構，較之基于ARM公版架構設計的驍龍、天璣、麒麟等競品有著天生“傲骨”。

但是，iPhone也并非天生強大，至少在iPhone4之前，蘋果手機搭載的都是三星旗下的S5L8900和S5PC110處理器（圖1），在性能上并沒能和Android陣營手機拉開差距。原因也很簡單，三星S5PC110處理器也曾用于三星i9000/S8500、谷歌NexusS和魅族M9等手機，大家“心臟”相同，差異只是系統體驗和軟件生態的建設。

此時的蘋果發現了一個問題：智能手機是一種精密的電子設備，其PCB主板是一個整體，除了處理器芯片外還涉及到其它器件的布局和走線（圖2）。在這個大環境下，如果直接使用高通或三星的處理器，就必須按照對方的芯片規格設計PCB，需要蘋果“遷就”芯片供應商，還會陷入配置同質化的怪圈。另一方面，iPhone作為智能手機的標桿和探索者，現有的處理器很難滿足蘋果對性能和功能上的需求，與其讓芯片供應商為其單獨定制，還不如自己開發。

于是，在Android陣營手機大都在依賴德州儀器和高通提供的處理器時，蘋果就展開了各種收購和組建自己工程師團隊之旅，走向ARM和其他芯片供應商不曾走過之路。

基于公版架構的二次研發

蘋果的自研之路始于iPhone4時代，只是當時蘋果的研發團隊還處于起步階段，所以它發揮了“拿來主義”精神——AppleA4處理器直接采用了Cortex-A8架構，集成PowerVRSGX535GPU，整體規格和三星S5PC110相近（可視為基于S5PC110二次優化），但依靠更大的L2Cache（二級緩存），在同等頻率下性能略好于S5PC110（圖3）。

隨后，蘋果在iPhone4s搭載的AppleA5時代引入了Cortex-A9同步雙核心架構，集成PowerVRSGX543MP2GPU。需要注意的是，從AppleA5開始，蘋果還經常為iPad定制更強的后綴帶有X的增強版處理器，如A5X，主要變化是集成更強的PowerVRSGX543MP3GPU。本文我們主要討論手機專用的處理器芯片，有關X系列的后續芯片本文就不再贅述了。

基于指令集層面的真正自研

嚴格來講，AppleA4和A5都屬于蘋果“半自研”的處理器，因為它們采用的都是ARM原生的Cortex-A系列公版架構，同期的高通和三星等芯片供應商也在用，大家在性能層面依舊很難拉開差距，誰的核心數量多，誰的主頻高誰就更強，毫無技巧可言。

因此，蘋果從AppleA6開始才算是進入了真正意義上的自研CPU時代（圖4）。因為AppleA6不再使用Cortex-A公版架構，而是拿更底層的ARMv7指令集“開刀”，并在其基礎上打造出了蘋果自主研發的“Swift”架構核心，擁有3個前端解碼管線和2個FPU單元，集成SGX543MP3GPU。作為對比，同期基于ARMv7指令集設計的Cortex-A9公版架構核心僅有2個前端解碼管線和1個FPU單元。

隨后的AppleA7更具歷史意義，因為它是業內首顆64位移動處理器（圖5）。A7芯片的核心是基于ARMv8指令集打造的“Cyclone”架構，并集成PowerVRG6430GPU和M7協處理器，后者主要負責處理各種傳感器的數據，可以顯著降低耗電量。至此，蘋果旗下的AppleA系列全面切換到了ARMv8指令集時代（見表），只是偶爾進行小幅優化迭代，比如AppleA12/A13采用的是ARMv8.3-A，AppleA14/M1則升級到了ARMv8.4-A。

基于指令集的自研架構，擁有比同期ARM公版架構更好的性能底蘊，而這也是AppleA系列芯片核心數量明明只有雙核/四核/六核，卻能怒懟同期四核/八核競品的底氣所在。

再往后，AppleA11Bionic仿生芯片需要引起我們的重視，因為它內部的CPU、GPU、性能控制器、NPU和ISP等單元都是蘋果自己設計（Apple-designed）的。作為蘋果首次自研的三核GPU，其圖形處理速度與上一代相比最高提升可達30%，而這也直接導致Imagination旗下的PowerVRGPU業務崩盤。此外，A11Bionic還集成神經網絡引擎，和同期的麒麟970一起，將智能手機推向了AI時代（圖6）。