讓人驚嘆的Apple Watch智能手表芯片S1

　　Apple Watch搭載的是S1芯片，在這款尺寸為 26 毫米×28 毫米的芯片內(nèi)有 30 個(gè)獨(dú)立的組件，這絕對(duì)稱得上“讓人驚嘆”。其中還包括了 NXP 的 NFC 芯片、AMS 的 NFC 信號(hào)放大器及Maxin的音頻放大器。今天外媒與我們一起從更專業(yè)的角度來(lái)了解這款芯片。目前開(kāi)發(fā)和銷售智能手表的 OEM 很多都是智能手機(jī)廠商，所以我們會(huì)看到這些廠商通常都是直接將智能手機(jī)的部件“塞到”智能手表里面。

　　很多Android Wear 手表使用的都是調(diào)制解調(diào)器的高通 Snapdragon 400 芯片。而 A7 芯片從散熱設(shè)計(jì)功耗的角度來(lái)說(shuō)是適合智能手表的。Android Wear 手表的電池容量大約為 400 mAh，可續(xù)航 1-2 天，但是對(duì)于市場(chǎng)來(lái)說(shuō)這些手表太大，這種時(shí)候就需要特別針對(duì)智能手表的外形和大小設(shè)計(jì)的 SoC 片上系統(tǒng)。

　　對(duì)于 Apple Watch S1 芯片，目前還沒(méi)有合適的跑分測(cè)試工具，但是從這款設(shè)備的拆解我們可以看到，該 SoC 使用的是三星 28nm LP 制程，使用的只可能是 HKMG 或 poly SiON 柵極結(jié)構(gòu)。選擇不同的結(jié)構(gòu)功率效率也會(huì)不同，因?yàn)?HKMG 制程的漏泄功率更小。和使用 20/14nm 制程的成本相比，這兩種制程的成本差異并不大，另外參考 TSMC 在 Snapdragon 600 和 800 芯片上從 28LP 制程換成 28HPm 后對(duì)電池續(xù)航的影響，基本可以確定蘋果的這款芯片使用的是 HKMG 制程。

　　我們也已經(jīng)知道二進(jìn)制文件是為手表的 ARMv7k 處理器進(jìn)行編譯，可惜目前關(guān)于該指令集架構(gòu)并沒(méi)有相關(guān)記錄。watchOS 是在 iOS/Darwin 的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，也就是說(shuō)為了獲得存儲(chǔ)保護(hù)和關(guān)鍵抽象，比如虛擬內(nèi)存，它需要內(nèi)存管理單元MMU，這就排除了使用像 ARMv7m 這樣的 MCU ISA 的可能性，我們猜測(cè)蘋果使用的可能是衍生的 ARMv7-A，精簡(jiǎn)掉不必要的指令，以減小功率消耗。

　　至于設(shè)備的 GPU 就不那么神秘了，從出現(xiàn)在 Apple Watch 中的 PowerVR 驅(qū)動(dòng)器來(lái)看，S1使用的可能是 PowerVR Series 5 GPU，具體哪款尚未清楚，有可能是 PowerVR SGX543MP1。不過(guò)我更傾向于 PowerVR GX5300，因?yàn)樗翘貏e針對(duì)穿戴設(shè)備優(yōu)化的 GPU，使用的驅(qū)動(dòng)器也一樣。但是不管怎樣，在 watchOS 2 到來(lái)之前 Apple Watch 都無(wú)法原生運(yùn)行應(yīng)用這一點(diǎn)來(lái)看，我們目前能夠深入挖掘的東西很少，而且即使 watchOS 2 發(fā)布，圖形跑分可能還是不好測(cè)試。

　　接下來(lái)我們可以來(lái)了解一下 CPU 的分級(jí)存儲(chǔ)器體系，對(duì)于需要優(yōu)化以確保代碼能有足夠時(shí)間和/或空間局部性來(lái)保證代碼性能的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)非常重要的信息。

　　如圖所示， 在 DRAM 28KB 和 64KB 之間有一個(gè)非常大的波動(dòng)變化，因?yàn)槲覀円呀?jīng)清除了 L1 數(shù)據(jù)緩存的本地最大值，我們基本可以確定 L1 數(shù)據(jù)緩存大小為32KB，目前市場(chǎng)上很多產(chǎn)品的 L1 數(shù)據(jù)緩存也在 32 和 64KB 之間。而在 224KB 左右的地方再次出現(xiàn)大變化，我們也可以確定 L2 的數(shù)據(jù)緩存為 256KB，和目前大型智能手機(jī) CPU 的 1-2MB 共享緩存相比小了很多，但是和 A5 或者 A7 相比則恰好合適。

　　Apple Watch 的 CPU 最大頻率是520 MHz。我們接下來(lái)看看它的架構(gòu)。在關(guān)于整數(shù)運(yùn)算這方面，整數(shù)添加延遲是一個(gè)循環(huán)，而整數(shù)乘法延遲則是三個(gè)循環(huán)。但是因?yàn)榱魉€整數(shù)乘法的吞吐量能輸出一個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)果。同樣的比特移位需要兩個(gè)周期來(lái)完成，而吞吐只需要一個(gè)時(shí)鐘周期。乘法和加法交錯(cuò)吞吐量將只有一半。我們可以猜測(cè)這是因?yàn)檎麛?shù)加法 block 和整數(shù)乘法 block 相同，然而這并沒(méi)有什么意義，因?yàn)閺倪壿媽用鎭?lái)說(shuō)，加法和乘法區(qū)別太大了。

　　從數(shù)據(jù)類型的角度來(lái)說(shuō)，整數(shù)只是一個(gè)因素，還有布爾值、字符、字符串和不同大小的整數(shù)，但是說(shuō)到十進(jìn)制，應(yīng)用程序仍然使用浮點(diǎn)來(lái)編譯。像這款低功率 CPU，浮點(diǎn)通常比整數(shù)慢，因?yàn)楦↑c(diǎn)運(yùn)算的相關(guān)法則比較復(fù)雜。

　　如果你打開(kāi)的網(wǎng)頁(yè)的延遲和吞吐時(shí)間是針對(duì) Cortex A7 的，你可能猜測(cè)它是 Cortex A7，那你可能就猜對(duì)了。同時(shí)加載存儲(chǔ)意味著這些是 XOR 運(yùn)算，不能以平行方式執(zhí)行。乘法運(yùn)算和加法運(yùn)算也是一樣。雖然 Cortex A7 和 Cortex A5 有相同點(diǎn)，但也不能說(shuō)明為什么可以每時(shí)鐘周期可增加兩次立即值/恒定值和累加寄存器。

　　從這些數(shù)據(jù)我們可以確定它就是單核 Cortex A7。雖然只是 Cortex A7 但是最大時(shí)鐘速度較低，也就是說(shuō)邏輯設(shè)計(jì)上相比性能他更重視功率效率。標(biāo)準(zhǔn)電池可以利用某些技術(shù)和風(fēng)格，這些技術(shù)實(shí)際會(huì)影響 2+ GHz 芯片的性能，但是卻非常適合使用在 520 MHz 芯片中、從衡量能源效率與性能的角度來(lái)說(shuō)，Cortex A7 是一個(gè)有利于 perf/W（Performance per Watt，每瓦性能）的設(shè)計(jì)，因此我認(rèn)為未來(lái)關(guān)鍵的不同點(diǎn)將在于執(zhí)行方法，而不是架構(gòu)。雖然我也希望 Apple Watch 能夠使用更為先進(jìn)的制程，比如 14LPP/16FF+，但是在 Apple Watch 第二代或者第三代出來(lái)之前基本都沒(méi)有這種可能。