a11處理器內(nèi)部圖

蘋果A11仿生芯片內(nèi)置一系列為特定任務(wù)設(shè)計(jì)的處理核心和強(qiáng)大的控制器。對于這個處理器我們目前了解的不多，而隨著新iPhone的上市，今天我們終于可以對它的GPU、神經(jīng)引擎、6核CPU、NVMe SSD控制器和新的定制視頻編碼器進(jìn)行更深入的了解。

新的3核GPU

這是蘋果首次在旗下A系列芯片中整合自主定制的GPU，相比iPhone 7中本就是智能手機(jī)圖形架構(gòu)佼佼者的Imagination GPU，前者的速度提升了30%。

蘋果的新款GPU不僅速度更快了，能效也更高了，相同的工作量下它的能耗只是A10 Fusion處理器的一半。

當(dāng)初行業(yè)開發(fā)GPU是為了給圖形加速，可多年來它也開始承擔(dān)其他具有相似重復(fù)性質(zhì)的數(shù)學(xué)運(yùn)算任務(wù)，所以也被稱為“通用GPU（General Purpose GPU）”。蘋果當(dāng)初開發(fā)OpenCL作為API去執(zhí)行GPGPU，不過后來他們已經(jīng)將GPGPU計(jì)算整合到Metal API中，后者專為iOS和Mac設(shè)備中的GPU優(yōu)化。在今年6月份的WWDC上，Metal API已經(jīng)更新到Metal 2版本。

現(xiàn)在蘋果同時自主設(shè)計(jì)圖形芯片及管理它的芯片，那我們可以期待GPU和GPGPU的發(fā)展會更快。另外蘋果也同時在研究機(jī)器學(xué)習(xí)，這是GPU最擅長的任務(wù)之一。機(jī)器學(xué)習(xí)只在一系列已知的東西）上建立模型，然后利用這個“知識”模型去尋找識別出匹配的東西。比如已知的東西是各種花的照片，那它就可以利用模型在新的照片或者相機(jī)取景器中尋找可能是花朵的東西。

蘋果僅表示新GPU有3個核心，并沒有提供其他關(guān)于新GPU設(shè)計(jì)的詳細(xì)技術(shù)信息。不同的GPU設(shè)計(jì)需為特定任務(wù)和戰(zhàn)略優(yōu)化，這些設(shè)計(jì)也讓核心的定義有極大的差別，所以無法直接將蘋果的GPU和英特爾、英偉達(dá)、AMD、高通、ARM Mali以及其他廠商的GPU作有意義的對比。

TBDR

值得指出的是，蘋果表示A11仿生芯片GPU圖形架構(gòu)基于區(qū)塊延遲渲染（Tile Based Deferred Rendering）。TBDR渲染技術(shù)是專為資源有限的移動設(shè)備設(shè)計(jì)的。它能夠有效地僅渲染3D場景中人眼可見的場景。桌面PC GPU（以及高通Adreno和ARM Mali移動GPU）的IMR立即渲染模式IMR實(shí)行的是無差別對待，那些遮蔽處理的部分依然會被渲染處理器，這也導(dǎo)致無意義的讀寫操作更多，浪費(fèi)了大量性能和帶寬，移動GPU一般無法接受這種簡單粗暴的方式。

TBDR則跳過用戶看不到的東西，將場景分成不同的區(qū)塊，分析哪些區(qū)塊需要渲染，節(jié)省了性能和寬帶，區(qū)塊內(nèi)存速度更快、延遲率低。這種處理流程能讓它異步執(zhí)行頂點(diǎn)和片段，有利于更好地利用整個GPU。蘋果指出：執(zhí)行頂點(diǎn)通常需要大量使用固定功能硬件，而執(zhí)行片段時需要使用數(shù)學(xué)運(yùn)算和帶寬。完全重疊能讓設(shè)備同時利用GPU上的所有硬件區(qū)塊。

TBDR作為一項(xiàng)技術(shù)，和Imagination的PowerVR有著緊密的聯(lián)系。后者選擇了比較與眾不同的方式，與桌面GPU并行開發(fā)，在第一代iPhone問世時嶄露頭角，是專為移動平臺優(yōu)化的完美GPU架構(gòu)，它的能效有著PC GPU無法企及的優(yōu)勢。

不過雖然今年春天Imagination說了，蘋果還沒有證明他們沒有侵犯Imagination知識產(chǎn)品，但是現(xiàn)在Imagination好像已經(jīng)不再絮絮叨叨地稱蘋果新GPU使用了任何未獲得授權(quán)的PowerVR技術(shù)，相反Imagination現(xiàn)在已是自身難保，在沒有了蘋果的訂單之后情況急轉(zhuǎn)直下，最近有消息稱他們已經(jīng)把自己賣出去了。

另外雖然目前成功的GPU架構(gòu)不多（很多嘗試最終都以失敗告終），可TBDR也不是Imagination完全獨(dú)有的。這就跟CPU行業(yè)一樣，雖有很多競爭者都嘗試打破現(xiàn)狀，但是目前移動設(shè)備CPU還是ARM架構(gòu)主導(dǎo)，PC和服務(wù)器還是英特爾的x86架構(gòu)主導(dǎo)。

蘋果的Metal 2向開發(fā)者提供了TBDR的細(xì)節(jié)，以便開發(fā)者優(yōu)化內(nèi)存使用，提供更細(xì)粒度的同步讓GPU可以完成更多工作。蘋果還表示新GPU有一些特性能夠極大強(qiáng)化TBDR，能讓第三方應(yīng)用和游戲的性能和功能達(dá)到一個新的層次。

四核ISP神經(jīng)引擎

開發(fā)全新的GPU架構(gòu)“還不是那么具有創(chuàng)造性”，所以A11仿生芯片的圖形信號處理器ISP中還有全新的神經(jīng)引擎，它能夠解決各種特定任務(wù)，比如匹配、分析和計(jì)算攝像頭傳感器圖像數(shù)據(jù)中的數(shù)千個參照點(diǎn)。

這些任務(wù)其實(shí)可以由GPU來完成，但是網(wǎng)絡(luò)引擎已特別針對矩陣乘法和浮點(diǎn)處理進(jìn)行邏輯優(yōu)化，所以它特別擅長處理這些任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)引擎本身有兩個平行核心，用于處理實(shí)時就算，每秒能夠執(zhí)行6000億次運(yùn)算。也就是說除了能夠像上一代ISP一樣，在照片上使用復(fù)雜的效果之外，它也能夠?qū)?shí)時視頻使用效果。除了使用各種效果，它也能夠讓相機(jī)系統(tǒng)識別場景中的物體及結(jié)構(gòu)構(gòu)成，以追蹤和聚焦用戶當(dāng)前拍攝的物體。

網(wǎng)絡(luò)引擎也是A11仿生芯片的名字來源?！胺律蓖ǔＪ侵溉双@得電機(jī)、電子裝置增強(qiáng)生物功能，即因?yàn)檫@些增強(qiáng)而有了超人能力。而對于A11仿生芯片，你可以反過來理解它。它其實(shí)是機(jī)器獲得類人類功能增強(qiáng)。你還可以這樣理解：對于使用這塊芯片的人而言，它就是仿生學(xué)增強(qiáng)，能讓用戶完成一般機(jī)器人無法完成的任務(wù)。

6個新的CPU核心、第二代性能控制器

A11仿生芯片的第三個重點(diǎn)是蘋果自助設(shè)計(jì)的ARM架構(gòu)CPU核心。蘋果自2010年開始推出定制A4 SoC，在隨后幾年迅速完善其設(shè)計(jì)。2013年推出首款64位ARM A7芯片，行業(yè)競爭對手一時之間都傻眼了。

去年的A10 Fusion之名源于一個新的架構(gòu)，它實(shí)際上由2個高性能核心和2個高能效核心組成，兩組不同性能的CPU內(nèi)核設(shè)計(jì)就可以很好的解決，每一組內(nèi)核所起到的作用明顯不同，更多是為了在性能和效能之間非常平衡。簡單的說，通過內(nèi)藏于A10內(nèi)部定制的硬件級別的管理器，可以讓芯片更好地管理、組織、協(xié)調(diào)和分配設(shè)備上的各項(xiàng)任務(wù)，根據(jù)最大處理能力或者節(jié)能任務(wù)要求，決定如何分配CPU內(nèi)核的使用。

今年蘋果指出，他們的第二代性能控制器能夠在更低能耗的核心上執(zhí)行任務(wù)，或者在更快的高性能核心上加快流程，甚至能夠讓整個6核CPU火力全開。使用不對稱多任務(wù)處理設(shè)計(jì)，A11仿生芯片就能夠根據(jù)需要處理的任務(wù)，按比例單獨(dú)激活任意數(shù)量的內(nèi)核。

在多個核心上處理多個任務(wù)需要的不僅僅是SoC上的多個核心，應(yīng)用和OS特性也需要有針對性設(shè)計(jì)，以充分利用這些核心。而其實(shí)早在iPhone問世之前多年，蘋果在操作系統(tǒng)層面就有這樣的針對性設(shè)計(jì)，蘋果第三方開發(fā)者也是如此。

蘋果已經(jīng)詳細(xì)介紹過他們的軟件操作系統(tǒng)戰(zhàn)略：關(guān)閉不必要的處理器單元，對進(jìn)程進(jìn)行有效定序，這樣它們的調(diào)度運(yùn)行就能在最大程度實(shí)現(xiàn)快速、高效。如今芯片硬件中也采用相似的戰(zhàn)略。其他移動設(shè)備廠商，比如三星和LG等則永遠(yuǎn)不要開發(fā)自己的PC OS平臺。

谷歌從一開始就是往便攜移動平臺的方向?qū)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/502/" target="_blank">Android進(jìn)行調(diào)整，并不適合那些對性能有要求的用戶。谷歌并沒有真正意義上的平板電腦或桌面計(jì)算業(yè)務(wù)，手機(jī)平臺也是針對平均售價低于300美元的手機(jī)——Android One價格是100美元，可以說很有競爭力了。Android買家其實(shí)是廣告的受眾，而不是對UI、應(yīng)用性能或多任務(wù)處理支持等復(fù)雜特性要求比較高的用。Android應(yīng)用還是為了便于廣告投放而優(yōu)化。

A11兩個性能優(yōu)化的通用CPU相比去年A10的，速度有了25%的提升，能效核心則有更大的提高，A11能效核心增加到4個，速度提升了70%。

Geekbench跑分中，同等配置的iPhone 7和iPhone 8在有著明顯的差異，單核速度后者比前者快25%，多核快80%。

這值得特別提出來，因?yàn)樘O果的這款芯片還有新的神經(jīng)引擎、GPU、相機(jī)ISP以及其他功能，超出了一般處理器跑分測試有效測試的范圍。

多年來三星也在營銷他們的八核處理器，然而三星處理器和蘋果的對比實(shí)在太鮮明，三星單核其實(shí)很慢，操作系統(tǒng)沒有優(yōu)化，無法有效利用多核性能。谷歌甚至還宣稱Nexus 7有16核（CPU和GPU核心總和），然并卵，營銷始終只是營銷，設(shè)備并不會因此變得更快一點(diǎn)。其實(shí)設(shè)備不僅一點(diǎn)都沒有變快，隨著使用時間越來越長，設(shè)備的性能不斷減弱。

相比各種吹噓營銷，蘋果則突出產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，比如A11仿生芯片為3D游戲和AR體驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化。

除了CPU，蘋果在A7中還設(shè)計(jì)了Secure Enclave來存儲敏感數(shù)據(jù)。蘋果表示A11仿生芯片在這方面有了提升，不過沒有詳細(xì)介紹。

SSD、安全存儲

A11仿生芯片中還有其他特別的特性比如超快SSD存儲控制器集成了定制ECC算法。這不僅僅是為了提升速度。蘋果硬件技術(shù)高級副總裁強(qiáng)尼·斯洛基（Johny Srouji）表示：“用戶購買設(shè)備，存儲的耐用性和性能應(yīng)該與設(shè)備保持一致?！?/p>

也就是說設(shè)備上存儲的數(shù)據(jù)（文件、應(yīng)用和照片）能得到更好的保護(hù)，盡量避免錯誤或者存儲失敗等問題，降低丟失內(nèi)存和文件的風(fēng)險(xiǎn)，也避免設(shè)備使用一段時間之后莫名其妙變慢的問題。這是很多Android設(shè)備的通病。

蘋果在2015年MacBook上首推定制NVMe SSD存儲控制器，在硬件層面優(yōu)化SSD讀寫。然后在A9芯片中將這項(xiàng)技術(shù)引入iOS設(shè)備中。當(dāng)初開發(fā)NVMe是為了企業(yè)市場，而不是消費(fèi)者電子產(chǎn)品。因?yàn)闆]有適合的解決方案可將NVMe控制器添加到手機(jī)上，有比較便宜的、現(xiàn)成的（有一定年代的）協(xié)議可訪問SSD存儲。蘋果就自己開發(fā)了。

A11使用的是蘋果第三代iOS存儲控制器，不過需要介紹的東西實(shí)在太多，蘋果在發(fā)布會上也沒有對它進(jìn)行介紹。

新的蘋果視頻編碼器

兩年前，蘋果A9帶來了基于硬件的HEVC解碼器，支持設(shè)備播放H.265 / High Efficiency視頻內(nèi)容。去年A10中引入硬件編碼器，支持iPhone 7以那個格式創(chuàng)建和保存內(nèi)容。

iOS 11也支持這些新特性，并在相機(jī)設(shè)置中添加了相應(yīng)的“高效視頻捕捉”選項(xiàng)。打開這個選項(xiàng)，照片就會使用HEIF格式，視頻使用HEVC格式壓縮。

這些High Efficiency格式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠極大減小高像素照片和視頻占據(jù)的空間。

蘋果表示，HEVC格式下1分鐘的4K 30fps視頻大小為170MB，H.264格式的話同樣的視頻大小為350MB，后者是前者的2倍。

要播放這些HEVC視頻內(nèi)容自然需要能夠解碼它們的設(shè)備。A9之前的iOS設(shè)備可以軟解，可是相比硬解，軟件需要的時間更長，而且非常耗電。

HEIF視頻可以轉(zhuǎn)換成H.264視頻，或者用戶可以默認(rèn)“大部分兼容”，從而繼續(xù)以JPG格式保存圖片，以H.264格式來保存視頻。但這也就意味著禁用4K 60fp（以及24fps電影設(shè)置）來錄制視頻。

蘋果為A11開發(fā)專屬視頻編碼器，還公開了這一點(diǎn)，著實(shí)有趣啊！以前在iPod和其他設(shè)備中，蘋果會直接使用行業(yè)中已有的標(biāo)準(zhǔn)，整合支持各種音頻和視頻編解碼器，包括微軟的WMA、WMV和VC-1等。蘋果沒有激活這個動能，而是選擇使用MPEG LA合作伙伴開發(fā)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

我們不知道微軟是否獲得Windows Media IP對蘋果所購買芯片的授權(quán)，可還有一個更大的問題就是蘋果需要問他們不想使用的東西付錢。如今蘋果自己開發(fā)視頻編碼器，他們就只需要針對支持的格式優(yōu)化，而不是芯片供應(yīng)商選擇的所有編解碼器。

谷歌的YouTube起初是與蘋果合作為iOS用戶提供H.264視頻內(nèi)容。不過谷歌有意完善他們從On2收購來的VP8和VP9編解碼器。雖然YouTube還是繼續(xù)為iOS用戶提供H.264視頻，可是YouTube視頻沒有H.264格式或者更新的H.265/HEVC格式，所以Safari用戶無法在網(wǎng)頁上查看4K YouTube視頻。

所以你會看到Apple TV 4K也無法播放YouTube 4K內(nèi)容，這其實(shí)還是因?yàn)楣雀璨惶峁〢pple TV 4K可以解碼的內(nèi)容?，F(xiàn)在還不知道蘋果和谷歌會如何解決這個問題，谷歌是不是繼續(xù)拒絕對iOS設(shè)備提供4K支持。

iPhone 7、iPhone 8和iPhone X中整合了高效、專門優(yōu)化的HEVC編碼器后，用戶存儲更多照片和視頻需要的空間卻更少?？梢韵氲降氖牵@也能夠降低SSD存儲磨損，因?yàn)橛写蠹s一半東西會被寫出、移動然后突然抹去。

HEVC還支持錄制更高幀率的內(nèi)容。iPhone 8和iPhone X支持錄制4K 60fps視頻。iPhone 7錄制的4K視頻雖然也很清晰，但是如果錄制過程中攝像頭或拍攝對象的移動速度過快，畫面就會出現(xiàn)抖動。支持60fps幀率的話，視頻看起來就會更好。

不過幀率越好，如果沒有先進(jìn)的壓縮技術(shù)，一分鐘的視頻可能會占據(jù)800MB空間。使用HEVC，4K 60fps視頻相比4K 30fps視頻占據(jù)的空間也沒有增加很多。在這里要提醒用戶，HEVC 60fps視頻需要強(qiáng)大的處理能力或者專門的硬件解碼器才能播放。舊款Mac播放iPhone 7錄制的4K視頻已經(jīng)非常吃力了。

雖然我們介紹了這么多關(guān)于A11仿生芯片的內(nèi)容，但是這塊芯片里還有很多未被公開的秘密。

拆解iPhone8A11處理器內(nèi)部構(gòu)造

iPhone 8、iPhone 8 Plus和iPhone X均使用Apple A11 Bionic處理器，究竟這個處理器內(nèi)部有什么構(gòu)造，可以做到2+4核超強(qiáng)性能？最近有專業(yè)芯片拆解研究網(wǎng)站拆解了iPhone 8 Plus，看看A11處理器的構(gòu)造。

TechInsights（在2016年與Chipworks合并的研究機(jī)構(gòu)）為iPhone 8 Plus作一次詳細(xì)的拆解，Chipworks過去多次拆解iPhone解構(gòu)處理器以及其他芯片的構(gòu)造，在2016年9月與TechInsights合并之后，兩者一起繼續(xù)拆解iPhone。在拆解了iPhone 8 Plus后，發(fā)現(xiàn)Apple A11 Bionic處理器的面積比Apple A10 Fusion少足30%，原因是A11用上更先進(jìn)的10nm制程以及遷就iPhone X主板大小，導(dǎo)致面積縮小。

A11處理器擁有6核心，2核高效4核省電，就算面積縮小，處理器仍內(nèi)藏復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從TechInsights的圖片顯示A11處理器的6核分布在整體芯片的右方，2個CPU1是高效處理核心，占用面積較大，4個CPU2是省電處理核心，面積較小。總結(jié)而言處理核心占A11處理器面積的15%。

而A11處理器伺用較大的卻是圖像處理核心，占20%面積，擁有6核心，位置與A10 Fusion處理器相似。

iPhone 8 Plus主板芯片逐一踢爆

除了A11處理器之外，TechInsights也拍下了iPhone 8 Plus的主機(jī)板正反兩面照片，在A11處理器背面就有SK Hynix的3D NAND快閃儲存芯片和BCM59355無線充電芯片，而A11處理器那一面就分布了Micron 3GB LPDDR4 SDRAM、和NXP，有一點(diǎn)要留意的是因?yàn)樘O果和高通的官司關(guān)系iPhone 8 Plus嘗試擺脫高通，在Baseband以及LTE部分均用上了Intel芯片。