蘋果A12處理器：第一個實現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用的7nm移動SoC芯片

過去的幾年里，蘋果的芯片設(shè)計團隊一直在架構(gòu)設(shè)計和制造工藝兩條路線上穩(wěn)居業(yè)界最前沿，此番隨新一代iPhone XS一齊亮相的A12處理器同樣保持了這份優(yōu)良傳統(tǒng)，它是業(yè)界第一個實現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用的7nm移動SoC芯片。

一般來說制程的數(shù)字越小，晶體管的Metal Pitch和Gate Pitch等特征尺寸就越小。雖然最近幾年制程的命名逐漸脫離了與實際物理尺寸之間的關(guān)聯(lián)而轉(zhuǎn)向商業(yè)化名稱，但它們?nèi)匀淮碇w管密度的飛躍，供應(yīng)商能夠在相同的芯片面積中塞入更多晶體管以提升性能。

不久前，外媒TechInsights對iPhone XS進行了拆解并為A12芯片進行了X光掃描，我們可以借由他們分享的透視圖對A12進行一波深入的分析和猜想。

A12的主要性能模塊均位于芯片的右方和下方，其中最右側(cè)是占地面積最大的GPU集群，4顆核心2*2對稱排列，將一小塊公用電路夾在中間。左側(cè)緊挨著GPU集群中腰的是CPU和GPU的共享緩存(L3緩存)，下方是低功耗CPU核心集群，左方是的高性能CPU核心集群，最左邊則是8核NPU。

GPU和CPU的共享緩存是整個SoC緩存體系的一部分，層級位于內(nèi)存控制器和獨占緩存之間。由于處理器訪問內(nèi)存要消耗掉大量電力，使用片上共享緩存可以節(jié)能降耗，且由于數(shù)據(jù)的局部性，性能還會有所提升。

從圖上可以看出，A12的共享緩存被劃分成了4個區(qū)塊，而此前自A7至A11這5代處理器均為2區(qū)塊設(shè)計。緩存區(qū)塊的加倍很有可能代表著緩存性能有了很大提升，這個在稍后的測試中再見分曉。

最后， NPU可以說是此次A12中進化幅度最大的一個性能模塊，核心數(shù)從A11的雙核激增為8核，實際性能更是從A11的0.6TOP暴漲至5TOP，提升近9倍。需要注意的是，有傳言稱此前A11的NPU使用的是CEVA的架構(gòu)設(shè)計，不過直到現(xiàn)在也沒有得到證實，而此次蘋果A12的網(wǎng)頁上明確提到了“Apple-designed”，這意味著這次的NPU架構(gòu)的確是出自蘋果的自主研發(fā)。

縱觀A11和A12中不同模塊的面積變化，可以清晰的看到臺積電全新7nm制程的優(yōu)勢。鑒于幾乎所有的模塊架構(gòu)都有了變化，無法計算出7nm制程的晶體管密度有多大提升，不過若以單個GPU核心作為參考，在A12中相比A11中的面積減小了37%。

更大的CPU和緩存結(jié)構(gòu)

此次A12的大核心代號為“Vortex(旋風)”，相比A11的“Monsoon(季風)”最大的改進在于L1數(shù)據(jù)緩存和指令緩存雙雙翻倍，均從64KB增加到了128KB。人們一直很想搞清楚的一個問題是，蘋果處理器的緩存體系到底具有怎樣的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在我們可以通過使用不同隊列深度測試內(nèi)存延遲來一窺端倪。

測試結(jié)果是，L1緩存的延遲拐點從64KB轉(zhuǎn)移到了128KB，這很正常，但在L2緩存的延遲在3MB~6MB范圍內(nèi)會一直持續(xù)增加，而這種情況僅在以完全隨機的模式訪問時發(fā)生，在較小的訪問窗口中，L2緩存的延遲從3MB到6MB又是一直平坦的。

在隊列深度超過L2緩存的容量后，Monsoon核心的延遲曲線會進一步增加4MB左右，Vortex核心的曲線則會一直延續(xù)8MB，這便是二者的共享緩存容量范圍，再往后便進入了內(nèi)存的領(lǐng)域。這與在芯片透視圖上實際看到的情況很相符，A12的共享緩存不僅分區(qū)數(shù)量加倍，容量也從4MB增加到了8MB。

而代號為“Tempest(暴風)”的小核心這邊情況則稍有些復(fù)雜，乍看之下可能會認為A11中代號為“Mistral(干冷的北風)”的小核心只有512KB L2緩存而A12則有1.5MB，但實際上這只是緩存電源管理策略造成的假象。通過延遲圖表可以看出，Mistral核心在768KB和1MB處存在明顯的波動，而Tempest核心的類似波動則發(fā)生在2MB處。

綜合以上數(shù)據(jù)，可以得出下表中的數(shù)據(jù)：

A12的大核心L2緩存結(jié)構(gòu)相比A11沒有任何變化，兩者都有128個SRAM塊，每個SRAM塊大小為48KB。而A12的小核心L2緩存容量翻倍，意味著SRAM塊數(shù)從16個增加到了32個。

不過，蘋果在A11和A12上使用的緩存電源管理策略允許在數(shù)據(jù)粒度較小時只激活部分緩存電路，在A11上這個粒度應(yīng)該是256KB，而在A12上這個粒度應(yīng)該是512KB。這也讓我們更加有理由認為A11的小核心L2緩存容量是1MB，A12則是2MB，這也意味著每個SRAM塊大小為64KB。

然而再回過頭看大核心，雖然我們之前認為其容量為6MB，不過仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)其曲線在8MB處有一些變化。曲線的變化預(yù)示著測試數(shù)據(jù)的尺寸正在接近緩存容量的邊界，這使我們猜測A11和A12的大核心實際上有8MB L2緩存。

總而言之，蘋果處理器的緩存方面毫不吝惜晶體管的使用，A12在這方面則更進一步，整顆SoC上的各級緩存超過了16MB，這樣不惜血本的規(guī)模真的足以讓高通三星等公司同時期的旗艦產(chǎn)品無比汗顏。

進擊的GPU

在GPU方面，業(yè)界普遍對A12有著很高的期望，不僅僅是在性能方面，同樣也在架構(gòu)方面。

去年，Imagination發(fā)布了一份新聞稿，稱蘋果計劃在未來15~24個月內(nèi)不再在新產(chǎn)品中使用其知識產(chǎn)權(quán)。

撇去Imagination股票價格的崩潰以及隨后賣身的命運不談，盡管蘋果確實聲稱A11的GPU為自主設(shè)計，但它看起來仍然像是從Imagination的Rogue架構(gòu)衍生而來，依然是基于TBDR(Tile Base Deffered Rendering，Imagination的專利渲染技術(shù))，只不過A11 GPU一顆核心的規(guī)模就相當于A10的兩顆而已。

而A12代號為“G11P”的GPU仍然與A11的GPU有著非常明顯的相似之處，各個功能塊似乎都位于相同的位置并以類似的方式構(gòu)造。蘋果表示A12 GPU最大的進步是支持顯存壓縮，而這也就意味著蘋果此前使用的GPU都不支持顯存壓縮(喵喵喵???)，以及顯存壓縮可以顯著提升GPU性能。

所謂顯存壓縮，指的是從GPU到顯存的透明幀緩沖區(qū)壓縮。PC端像NVIDIA和AMD這樣的廠商已經(jīng)應(yīng)用這一技術(shù)N多年了，即使在內(nèi)存帶寬沒有增加的情況下，它也能提高GPU的性能。移動SoC的GPU也需要內(nèi)存壓縮，這是因為移動SoC的帶寬相比桌面級GPU更加有限。

Arm的AFBC是移動領(lǐng)域最公開談?wù)摰娘@存壓縮方案，高通和Imagination等其他廠商也都有自己的顯存壓縮技術(shù)。相比之下蘋果在A12上剛剛引入這一功能似乎太晚了，不過這也意味著A12將從中獲得效率和性能上的顯著提升。

Vortex核心：大規(guī)模內(nèi)存改進

在談及Vortex核心之前，首先需要了解一下蘋果新SoC的頻率。在過去幾代中，蘋果一直在穩(wěn)步提高其大核心的頻率，同時也提升了微架構(gòu)的IPC。下表是A12和A11的頻率表：

A11和A12在單大核心滿載時的最高頻率分別為2380MHz和2500MHz;雙大核心滿載頻率分別為2325MHz和2380MHz。而在小核心加入工作后，A12的大核心頻率仍被設(shè)計為穩(wěn)定在2380MHz，而A11則會進一步下調(diào)至2083MHz。

與愈發(fā)激進的大核心相比，A12的小核心部分則更顯保守。在只啟動一顆小核心時，A11的頻率為1694MHz，而A12則為1587MHz;啟動兩顆和三顆時A11為1587MHz，A12為1562MHz;而在四顆小核心滿載時，A11仍能保持在1587MHz，而A12則進一步降至1538MHz。

正如之前所提到的，蘋果在A12的緩存結(jié)構(gòu)和內(nèi)存子系統(tǒng)上投入了大量的工作?；氐骄€性延遲圖上，我們看到以下針對大核和小核的完全隨機延遲的行為：

大核心方面，與A11的Monsoon核心相比，A12的Vortex核心僅有5%頻率提升，但L2緩存的絕對延遲從約11.5ns降至約8.8ns，降幅高達29%，這意味著Vortex核心的L2緩存可以在更短的時間內(nèi)完成讀寫訪問。

小核心方面，A12的Tempest核心與A11的Mistral核心延遲表現(xiàn)相似，但A12在L2分區(qū)和電源管理方面又有了很大的變化，允許訪問更大的L2物理區(qū)塊。

這里只進行了64MB隊列深度的測試，顯然延遲曲線在這個數(shù)據(jù)集中并沒有變得平緩，但可以看出內(nèi)存延遲已經(jīng)有所改善。當小核心處于活動狀態(tài)時，內(nèi)存控制器DVFS的最大頻率會提高，這也是Tempest核心的內(nèi)存訪問存在較大的差異的原因：當大核心上有高負載時，它們的性能會更好。

A12的共享緩存也發(fā)生了巨大的變化，雖然緩存帶寬相比A11有所降低，但訪問延遲得到了很大改善。

指令吞吐量和延遲

由于蘋果并沒有像Arm和三星一樣公布其架構(gòu)設(shè)計，為了比較Vortex核心的后端特性，我們測試了A12的指令吞吐量，其中后端的性能由其執(zhí)行單元的數(shù)量決定，延遲由其設(shè)計質(zhì)量決定。

Vortex核心與Monsoon核心看起來非常相似，整數(shù)除法和浮點除法的執(zhí)行延遲都減少了2個周期，浮點吞吐量則是翻了一倍。

從架構(gòu)的中端和后端來看，Monsoon核心是一次重要的更新。此前A10處理器的大核心代號為“Hurricane(颶風)”，其解碼寬度為6，而Monsoon核心解碼寬度增加至7，同時后端的整數(shù)ALU單元也從4個增加到了6個。

Monsoon核心和Vortex核心均有6個整數(shù)執(zhí)行單元(包括2個復(fù)雜單元)、2個加載/存儲單元、2個分支端口和3個浮點/矢量流水線，這樣寬裕的后端執(zhí)行單元規(guī)模遠遠超過三星M3和Arm即將推出的Cortex A76。

事實上，如果沒有非典型的共享端口情況的話，完全可以說蘋果的微架構(gòu)在后端單元方面遠遠超過其他任何處理器架構(gòu)，包括桌面CPU。

CPU性能2倍于安卓旗艦

SPEC2006是一個重要的基準測試軟件，它與其他測試軟件的區(qū)別在于所處理的數(shù)據(jù)集更大更復(fù)雜。雖然GeekBench 4已經(jīng)成為行業(yè)中的熱門，但它的測試項目較小，工作負載也較輕。因此使用SPEC2006作為基準測試更有代表性，它可以充分展示微架構(gòu)的更多細節(jié)，特別是在內(nèi)存子系統(tǒng)性能方面。

性能測試在一個散熱良好的環(huán)境中進行，可以保證在1~2小時內(nèi)完整運行測試套件不會出現(xiàn)問題。

在左側(cè)軸上，條形圖表示給定工作負載下的電能消耗情況，越長的條形意味著消耗的電能越多。條形上的文字標注顯示的是消耗電能的具體數(shù)值(單位為焦)，以及測試期間的平均功耗(單位為瓦)。

在大多數(shù)工作負載下，A12的大核心頻率比A11高5%，但實際上頻率并不是鎖死的，因而在SPECint2006中，A12的表現(xiàn)平均比A11好24%。

其中增幅最小的是456.hmmer和464.h264ref這兩項測試，這也是SPECint2006套件中成為瓶頸最多的測試。由于A12架構(gòu)方面似乎沒有真正的重大變化，小幅增長主要歸功于更高的頻率以及緩存結(jié)構(gòu)的改進。

而在445.gobmk測試項上A12的改進則非常大，相比A11增幅為27%。這項測試的負載特征是存儲地址事件中的瓶頸以及分支錯誤預(yù)測。

429.mcf、471.omnetpp、473.Astar、483.xalancbmk以及部分403.gcc測試項對內(nèi)存子系統(tǒng)很敏感，A12在這幾項上取得了30%~42%不等的性能提升，顯然新的緩存結(jié)構(gòu)和內(nèi)存子系統(tǒng)在這方面取得了很大的成效。

在能耗比方面，A12相比A11平均提升了12%，但需要注意的是，這里的能耗比指的是最高性能時的功耗降低了12%，而A12展示出性能相比A11提高了24%，兩個SoC的性能功耗曲線已經(jīng)大不相同。

不過，盡管7nm制程可以降低能耗，但在性能提升幅度最大的基準測試中，A12的功耗相比A11不降反升，平均功率從3.36瓦增加到了3.64瓦。也就是說，A12花在提升性能上的功耗，要比7nm制程降低的功耗更多一些。

接下來是SPECfp2006測試，由于XCode中沒有Fortran編譯器且它不是NDK的一部分，要讓它在Android上工作非常復(fù)雜，因此我們選擇C和C++基準測試。

SPECfp2006有更多的內(nèi)存密集型測試，在7次測試中，只有444.namd、447.dealII和453.povray在內(nèi)存子系統(tǒng)達不到標準時才會看到主要的性能回歸。這對A12很有利，其在SPECfp的平均性能增幅為28%，提升最大的433.milc一項甚至提升了75%。同樣的分析適用于450.soplex，優(yōu)秀的緩存結(jié)構(gòu)和內(nèi)存性能帶來了40%的性能提升。

而470.lbm是一項有趣的測試，它展示了蘋果的架構(gòu)與Arm和Samsung比起來有哪些性能優(yōu)勢。470.lbm的特點最代碼中有大量循環(huán)，要求架構(gòu)中有更大的指令循環(huán)緩沖區(qū)來優(yōu)化這樣的工作負載，在循環(huán)迭代中，核心將繞過decode階段并從緩沖區(qū)獲取指令。看起來蘋果的架構(gòu)恰好有某種類似的機制，也有可能是蘋果處理器內(nèi)核的矢量執(zhí)行性能Lbm的熱循環(huán)大量使用SIMD，而高達3倍的執(zhí)行吞吐量優(yōu)勢最終產(chǎn)生了優(yōu)秀的性能。

(高通的Kryo架構(gòu)由于獨特的設(shè)計使驍龍820在這一項上的表現(xiàn)仍優(yōu)于最近的安卓陣營處理器。)

與SPECint測試類似，A12在SPECfp測試中的能耗比有明顯提升，在所有測試中總能量比A11低10%。另一方面A12的功耗也有所增加，平均功耗從3.65瓦上升至4.27瓦，其中433.milc項目的功耗從2.7瓦增至4.2瓦，增加了75%;482.sphinx3項目的功耗則達到了A12所有SPEC測試項中的最大值5.35瓦。

總體而言，蘋果在Vortex核心和內(nèi)存子系統(tǒng)方面的改進，使A12的實際性能比宣傳中的還要強。與目前最強的安卓陣營SoC相比，A12無論在性能上還是在能耗比上都有將近2倍的壓倒性優(yōu)勢，而如果是在正常使用條件下A12的優(yōu)勢可能還會更大。

這也讓我們對今年發(fā)布的三星M3 架構(gòu)有了更好的認知，即只有當功耗在可控范圍內(nèi)時，更高的功耗才能帶來更高的性能(Exynos 9810的功耗是蘋果上代A11的2倍，但其性能卻只有A11的一半)。

GPU能耗比1.8倍于驍龍845

GPU的性能提升是此次A12的最大亮點之一，通過 “簡單的”將GPU從3核擴充為4核，以及引入顯存壓縮技術(shù)，蘋果表示A12的GPU性能相比A11提升了50%。

在進入基準測試之前必須要知道的是，在最近兩三年里，蘋果開始注重注重峰值性能而忽視長時間運行時的穩(wěn)定性能，使用中常常出現(xiàn)過熱降頻導致性能下降。因此蘋果最新GPU的峰值性能和峰值功耗是一個必須關(guān)注的大問題。

在3DMark物理測試中，iPhone XS和A12相比去年的iPhone X取得了很大的進步。3DMark物理測試此前一直對蘋果的處理器不夠友好，這個境遇在A11上才得到了一定的緩解。A12整體上再次提高了SoC的性能和能耗比，最終在本次測試中勝過了驍龍845。

在3DMark測試的圖形部分，iPhone XS的持續(xù)性能比去年的iPhone X提高了41%，不過一加6更加奔放的功耗和溫度限制讓其性能仍然更勝一籌。

不過就性能峰值而言，iPhone XS在3DMark測試中遇到了大問題，如果測試時手機的溫度比較低，就會很快在測試中崩潰。監(jiān)控顯示在低溫時處理器的頻率很高，平臺瞬時峰值功耗可達約7.5瓦，系統(tǒng)無法提供足夠的瞬態(tài)電流，會引起電壓下降，甚至損壞GPU。

除了3DMARK之外，Kishonti的GFXBench多年來一直是行業(yè)標準，新的Aztec測試給我們帶來了不同的工作量。不久前Kishonti發(fā)布了GFXBench的5.0版本，這個版本建立在新的渲染引擎上運行，并引入了High Tier和Normal Tier模式下的全新測試場景Aztec Ruins。新的測試更加考驗著色性能，利用更復(fù)雜的效果來強調(diào)GPU的算術(shù)能力。

Normal Tier模式下的Aztec Ruins測試要求相對較低，iPhone XS的峰值性能相較于去年的iPhone X提升了51%，持續(xù)性能則提升了61%，相比一加6則提升了45%。而在High Tier模式下，iPhone XS的持續(xù)性能比iPhone X高出61%，比一加6則高出31%。

功耗方面，由于沒有時間在各種設(shè)備上測量Aztec，所以仍然依賴標準的曼哈頓3.1和T-Rex測試數(shù)據(jù)。

在曼哈頓3.1中， iPhone XS的性能比iPhone X高出75%。這里的改進不僅要歸功于增加的核心，還有顯存壓縮技術(shù)降低RAM功耗的功勞。

在環(huán)境溫度22°C時，A12測試曼哈頓3.1時的峰值功耗達到6瓦。但即使在這樣的峰值功耗下，A12的效率也超過了所有其他SoC，說明蘋果對功耗的控制是非常有效的。在運行測試3分鐘后功率回落至合理的3.79瓦，而此時處理器的能耗比僅相較峰值功耗時提升了16%，證明A12的能耗比曲線非常平坦，6瓦的峰值功耗仍在芯片本身的可控范圍之內(nèi)，足見蘋果在芯片設(shè)計上的功力之強大。

在T-Rex測試中，iPhone XS的持續(xù)性能相比iPhone X提升了61%，而功耗與曼哈頓3.1測試時表現(xiàn)相似，峰值功耗略高于6瓦，數(shù)分鐘后降至4W以下，能耗比同樣提升不大。

那么為什么近兩三年的蘋果處理器在峰值性能和持續(xù)性能之間存在如此大的差異呢?實際上這種變化是由于日常GPU應(yīng)用場景的變化，以及蘋果將GPU用于非3D相關(guān)應(yīng)用的加速需求。

蘋果對API棧的垂直集成和嚴格控制意味著GPU加速成為現(xiàn)實，而峰值性能是一個重要指標。蘋果大量將GPU用于各種其他用途，例如在應(yīng)用程序中使用GPU進行相機圖像處理的硬件加速。這些應(yīng)用場景均為事務(wù)性工作負載，需要較高的峰值性能以盡快處理完成。

相比之下，過去幾年里Android在GPU計算方面一直是一場災(zāi)難，這主要怪沒有在AOSP中支持OpenCL——這使得供應(yīng)商對OpenCL的支持非常不完善。RenderScript由于無法保證性能而從未獲得太多的關(guān)注，Android設(shè)備和SoC的碎片化意味著在第三方應(yīng)用程序基本上無法使用GPU計算。

得益于新的A12處理器，iPhone XS和XS Max展示了業(yè)界領(lǐng)先的性能和效率，并且目前是最佳的游戲移動平臺。不過蘋果還是應(yīng)該在手機的熱量分布上做一些功課，iPhone XS一如上代iPhone X一樣熱量分布過于集中，非常影響使用體驗。

本文來源：雷鋒網(wǎng)