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苹果iPhone A4 CPU A5 CPU介绍

时间:2011-11-8 20:31:22 栏目:对比测评 点击: 来源:D6电脑网

 [对比测评]-本文简要:苹果iPhone A4 CPU A5 CPU介绍...
D6电脑网 (d6pc.com): 苹果iPhone A4 CPU A5 CPU介绍-对比测评
   在一年多以前前,当苹果A4处理器面世的时候,大家同样对这款产品进行了分析,当时,人们是怀着对苹果能在刚刚收购了PA Semi公司不久的条件下,只花如此短的时间就推出A4处理器而感到敬佩不已的心情,对这款产品来进行分析。而到iPad2的A5处理器,情况则有所不同,时间已经又过了一年了。

那么,苹果A5处理器的初步分析结果究竟如何?它能够达到人们所预期的水平吗?

首先我们简单讲一下A4 A5之间的简单区别:

A4:1GHz 的 ARM Cortex A8 核心,单核。类似产品:三星S5PC110 (三星i9000,s8500)

A5 CPU:1GHz ARM Cortex-A9 CPU核心架构。主要的特性就是双核CPU+双核GPU,还有增加了仲裁逻辑模块,以及内存控制模块。

A4处理器与A5处理器的区别讲述:

  根据市场调研公司iSuppli于3月13日发布的报道《iPad 2 Carries Bill of Materials of $326.60, IHS iSuppli Teardown Analysis Shows》一文,苹果A5芯片的成本相对于A4提升了约75%。如果核心面积提升2倍的话,那么这种程序的成本提升也是与猜测相对应的。因此A4升级至A5,核心尺寸的增加也是可以理解的。

  不过iSuppli估计A5芯片的成本大约为14美元。因此虽然核心面积的增加(A4 53平方毫米、A5 122平方毫米),导致了成本的增加,但是其带来的影响并不大,其影响甚至还不如功耗变化的影响大。

  Cortex-A9硬宏实现

  另外根据IO Snoops的分析,苹果A4处理器的工作频率固定在1GHz,而A5处理器则可以随当前运行的应用程序而改变运行频率。UBM TechInsights表示,这显示A5处理器采用了比A4更优秀的电源管理电路设计,而这也是A5相对A4的重要区别之一。这个区别的另外一个佐证是iPad2上所使用了由Dialog Semiconductor制造的电源管理IC芯片,这款芯片的型号也与A4所用的芯片有所区别。所以在性能大幅度的提升下,功耗得到了合理的控制。

  进化的CPU架构效率大幅提高

  除了核心数量提升了2倍,A5 Cortex-A9 CPU架构也出现了变化。Cortex-A8采用的是双指令解码管线,程序指令采用的是In-Order执行(即顺序执行,只能按固定的优先级处理,处理速度较慢)。如果以Intel CPU对比,差不多相当于其Pentium时代产品。而Cortex-A9虽然同样采用的是双指令解码,但是其指令执行顺序为Out-of-Order(乱序执行,可以多任务并行执行,最大限度发挥处理器的效能,处理速度快),容许量方面相差25%。

  Cortex-A9流程图

  这个所带来的影响程序,可以通过Cortex-A9所占据的核心区域来了解。通过ARM公司在去年(2010年)的“CMP Conference”所进行的演示,在使用台积电 40nm工艺的双核心Cortex-A9的核心面积约在6.7平方毫米,其频率目标为2GHz,1.9W功耗,这里还包括了L1缓存和总线接口。

  顺便介绍一下的是X86架构双指令Out-of-Order Bobcat核心基于40nm工艺时,单核心面积在5平方毫米以上,因此Cortex-A9双核要比双核的X86芯片面积小很多。

  Cortex-A9新特性

  因此可以估计如果采用三星45nm工艺的话,其面积会比台积电40nm要大。同时以1GHz频率为目标的A5 Cortex-A9核心,为了保证10小时的续航时间,台积电已经拿出最好的电力控制方案了。而我们拿到的iPad2的核心处理器主频被锁定在了900MHz,可见在性能和功耗方面想两全还是太困难了。

  GPU双核提升9倍?无根据!

  iPad2上GPU核心数量也由以前的1个变成了2个。GPU核心架构为Imagination Technologies的PowerVR SGX543MP2,不过根据介绍其性能同样也提升了2倍以上。PowerVR SGX的晶体管数量提升是肯定的,因此其双核心华对于A5的核心面积以及功耗影响也是很大的。

  采用的测试程序为Futuremark的Tai Chi(太极),从测试的影片中,我们能明显看出左侧开发机的流畅度和光影效果要强于右侧的Nexus S。未来索尼NGP将会采用PowerVR SGX543MP4+,图形处理能力比起现在展示的双核GPU SGX543MP2提升会更多。

  PowerVR SGX架构并不是SIMD(Single Instruction, Multiple Data)架构,应该说其设计与NVIDIA架构设计很相似,与AMD的VLIW(Very Long Instruction Word)架构设计存在差异。

  Tegra 2将作何回应

  当前的PowerVR SGX架构单个核心最多可拥有16个scalar处理器。一般认为iPad的PowerVR Core最多核心数量同样为16个,由于iPad2核心数量成为了2个,因此处理器数量也提升至32个。这个构成其处理器数大大超过了Tegra 2(G70架构1Vertex Shader+1Pixel Shader的构成)。

  另外就是scalar处理器共计32个,这个数字与NVIDIA GF100系列Fermi建架构的单个SM(Streaming Multiprocessor)相等。当然实际的性能影响因素是多种多样的,比如说显存带宽啊,GPU主频等等。在iPad2发布的时候,乔布斯提到图形性能将提升9倍的言论,这个数字的来源根据目前仍然不清楚。

  A5将引领游戏潮流iOS火爆一时

  iPad2性能的提升,受益最大的当然就是游戏。Apple的电脑产品每年都会进行硬件的升级,对于电脑而言同样也需要3D图形性能的提升。去年在推出iPad后,Epic Games和id Software的2大FPS(First Person Shooter)游戏厂商均为其量身定制了FPS游戏,包括有Epic Games旗下Chair Entertainment推出的《Infinity Blade》以及id Software的《RAGE HD》。

  我们不能说未来的游戏市场就会被苹果的iPad和iPhone所主宰,但是在掌上设备中,确实是从iOS平台上风靡起来的。在iPhone正式采用A4处理器之后,大量的游戏开始扎堆推出,而且画面也有了质的提升。相信在A5推出之后,更多更绚丽的游戏也会接踵而至的。

  当然从目前来看,A5处理器的特点之一就是核心面积巨大,作为一颗移动产品的低功耗ARM芯片,它的122平方毫米的尺寸确实太大了,不利于功耗的降低和成本的控制;当然了成本对苹果而言不是问题。反观NVIDIA的Tegra2,芯片面积49平方毫米,CPU部分一样,解码能力等甚至比A5高;虽然A5的GPU理论性能比Tegra2高大约4倍,但是实际测试性能测试折算之后只高1.6倍。

  不过毕竟苹果不是搞芯片设计的,A5的核心及GPU都是来自于ARM及Imagination Technology的授权,所以实际来说还是Imagination Technology太不给力了。但是苹果的优势就是优化能力,当年在三星的ARM11构架的400MHz还不是太成熟的芯片以及128MB内存的配合下iPhone 1代都能取得如此的成就,苹果的软件优化实力的确让人钦佩。

回顾A5的“前辈”A4:

2010年1月27日,苹果首度公开了有关iPad和A4处理器的演示文件,前者早已成为人们关注的热点,而后者却在暗中积攒能量。

2010年里,A4开始出现在iPhone4,iPod Touch和Apple TV等产品上。尽管iPad的成功并非主要仰仗A4,但A4的表现也还算到位。毫无疑问,当时A4已经成为苹果采用iOS系统的各种设备的核心部件,也是苹果赚钱机器中的重要一环。

尽管在消费电子市场,不少消费者们已经被苹果的产品搅得意乱情迷。不过这一次我们准备从半导体市场和技术的角度来分析一下苹果的A4和A5处理器。尽管从实力和资历上讲,现在就把A4/A5与其它半导体市场上的处理器产品相提并论似乎还为时过早,但由于这两款产品的高产量和高额利润,其它的半导体公司其实也已经开始重视苹果的A系列处理器产品。

当年A4处理器公布的时候,人们最关心的问题是这款处理器的设计工作有多少是真正由其收购的设计团队,特别是PA Semi的那一帮人马,来完成的?尽管当时有关这个问题有许多的传言,但我们希望找到一些实际的证据。为此,我们将自己和其它几家分析机构对A4芯片显微分析的结果综合在一起,给出了我们自己的判断。

我们认为,A4处理器中应该有采用苹果收购的Intrinsity公司的芯片设计技术。另外我们还发现A4在功能电路的分块设计上与三星的S5PC110的风格非常相似。从这点上看,苹果的A4处理器并非人们所想象的那样是由苹果自主设计而来,实际上,A4中仅有两个电路功能模块与三星的S5PC110有区别,可见A4处理器很可能采用了别家公司的芯片设计技术。

而A5理应有所不同,毕竟留给苹果的开发时间相比之下更多了,而且三星也已经准备在自己的Galaxy 10.1产品上转向使用Nvidia的Tegra2芯片。

苹果A5与A4在芯片内部结构上的区别:

通过对苹果A5处理器初步的芯片显微分析,我们发现A5主要有两方面的特性值得注意。首先,A5的核心面积要比A4大了不少。UBM Techinsights 和Chipworks两大分析机构都得出A5的核心面积达到12.1X10.1mm=122平方毫米的结论。相比A4的53平方毫米,其面积增加到了A4的2.3倍。

我们来看一看A4/A5的核心布置图,考虑一下是什么导致了A5面积的极大增加。这里我们采用的是Chipworks的核心布置图,图中可见,A5中集成的两个ARM核心占去了A5总面积的14%左右,这个比例与ARM单核心在A4中占取的面积比例是大致相似的。

 

A4处理器芯片结构分析图

 

A5处理器芯片结构分析图

再次回顾A4处理器:

2008年四月份,苹果收购了PA Semi公司,自那以后,苹果多次在公开场合宣称此举是为了”进一步提升苹果的产品与竞争对手的差异化“。较近的一个例子是苹果高管Tim Cook曾在苹果公司2011年第一财季营收会议上称:”从我们的设计观点来看,我们会把设计的着力点放在那些我们自信完全可以超越市场上其它产品的产品上。最近的一个例子就是A4处理器。不过有关A4,我们并不认为我们必须投资兴建能生产这种芯片的芯片工厂,因为我们在市场上还可以选择相对更优秀的芯片代工方案,但我们认为购买芯片设计的专利并不是个好主意,因此我们决定把重点放在芯片的自行设计上。“

那么。苹果在A4上是不是真的在按照Tim Cook的这番说辞去做的呢?从设计时长和实际的芯片显微分析结果上看,A4的实际情况显然并非如此。A4的许多部分与三星的S5PC110芯片非常类似,仅有两个模拟功能模块与后者有所区别。可见A4与三星的S5PC110并没有很大的区别,不过最近有另一篇文章提到A4处理器中可能内置了视频解码硬加速模块。

假如A4中真的如这篇文章所说加入了视频解码硬件加速模块,那么有心的读者可能会想到,这与苹果严格禁止Flash软件出现在其iOS平台设备上的做法是否有一定的联系?但是不要忘记,这里所说的视频解码硬件加速模块很有可能是A4中未标明的Logic core之一,那么就意味着也许三星S5PC110中本来就有这么一个模块,而并不是苹果后来才增加的。最后,A4与其它的Soc产品是否有明显的区别?从我们上面的分析结果已经可以看出,答案显然是否定的。

由此可见,苹果在A4处理器上采用的是谨慎小心且相当保守的设计思路,毕竟其主体iPad平台所起到的作用对苹果而言是十分关键的,而且同时还背负了很大的风险。

由此可见,iOS平台上各种产品的成功并不是由于A4的缘故,A4本身并不是什么超凡脱俗之物,况且同样采用了A4的Apple TV也未见的有什么建树。相反,导致这些产品成功的因素主要是市场策略,产品总体设计,系统部件设计,功能集成设计以及也许是最重要的环节--软件的设计。

A5的差异化之路在何方?

这样,苹果要在A5上实现自己”进一步产品差异化“的承诺,至少有两条路可走。首先是购买芯片设计专利的授权,然后再以其为基础加入一些自己设计的功能模块。A5核心中CPU/GPU部分都应用了其它公司的专利授权设计,为了实现差异化,苹果有可能在这些模块中加入额外的视频增强功能模块,或者为CPU部分加入NEON SIMD指令集扩展支持等等,不过本文的目的并不在于辨别出A5中究竟加入了哪些自行设计的特殊模块。

第二,苹果已经形成了一套完整的iOS平台产品线,他们手中的王牌之一是功能集成化设计。虽然具体的实现上需要依靠第三方零部件厂商来代工制造这些元件,但是苹果在产品功能整合方面的设计实力是很强的。而他们完全可以利用这个优势来增强自己的竞争优势。

而如果要充分发挥这些集成功能上的优势,最有效的方法就是为这些独特的功能设计专用集成电路,而不是采用通用型处理器如ARM核心等来负责处理和实现这些功能。尽管这样做对软件兼容性没有好处,但使用专用硬件却可以在处理速度和省电性能上做到最佳。

如此,在A5中苹果完全有可能去掉以往一些需要用软件形式通过ARM Core运行的软件功能,改用自己设计的硬件逻辑模块来处理这些特殊功能。

总结:

总而言之,A5处理器的设计思路应该是相当大胆的。除去双核CPU+双核GPU之外,他们还向A5中加入了另外的专用逻辑电路实现对功能集成的支持,从而令自己的功能集成方面的优势得以进一步发挥。可以预计,在A系列处理器后续产品的设计中,苹果还将继续沿专用逻辑电路模块设计的路线走下去。



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