苹果平台架构副总裁谈A14设计与公司芯片战略

2020年的iPad Air是苹果公司首款使用新型A14 Bionic芯片组的设备，芯片的影响也将不仅限于平板电脑，它将为下一代iPhone提供动力，而Apple将于明日推出该产品。苹果公司平台架构副总裁Tim Millet和Mac和iPad产品营销高级总监Tom Boger阐明了该公司设计A14的方法，以及求对iPad Air及其它的意义。

一、打造一款“野兽”芯片

在较高的水平上，A14似乎与苹果的其他Bionic芯片组相似。就像A12和A13一样，这个SoC包含一个六核CPU(两个核是高性能核，四个核用于低优先级任务)。这里的GPU内核数量也保持不变，为四个。

但是，不要被这些过去的相似之处所迷惑：由于A14是使用5纳米制造工艺设计的，因此这种单芯片系统的工作比以往任何时候都多。但是，让我们先退后一步。我们会发现向更密集的芯片组设计的转变已经发生了多年，并且没有丝毫放缓的迹象。

A14可能是世界上第一个商用的5nm芯片，但是苹果的竞争对手并不落后。高通公司首款5nm移动芯片组Snapdragon 875可能会在12月举办的的公司虚拟Snapdragon Summit上首次亮相。然后是三星，除了为高通公司制造这些骁龙之外，三星还开始拉开5nm Exynos 1080芯片组的帷幕。

基于这些新制造工艺的芯片的主要优点是，它们更密集地集成晶体管，这些难以置信的小型开关，可以控制电子的流动。这些充当逻辑门的基础，逻辑门产生集成电路，集成电路产生成熟的处理器。

无论如何，转向5nm意味着Apple可以把有更多的晶体管用于芯片上的所有系统。回头看一下：该公司去年使用的A13 Bionic有85亿个晶体管，而新芯片是118亿个。如您所料，晶体管数量的急剧增加为苹果提供了额外的处理位，以显着提高速度、效率、CPU和GPU内核。但这也使苹果可以自由地对设备的整体体验进行微妙的改进。

“芯片架构师考虑功能的一种方式不一定是直接将[晶体管]映射到产品中的功能，而是要使诸如图形堆栈中软件之类的基础技术能够放大GPU中的新功能”，Millet说。“因为这将不可避免地成为游戏中的视觉功能，或用户界面中的快速过渡。”

转向5纳米设计的A14也使苹果可以自由地将其更多的晶体管“预算”投入到CPU和GPU以外的组件上。而要获得最佳的全方位体验，苹果，三星和华为等公司(仅有的其他为自己的移动设备设计芯片的公司)具有明显的优势。在这种情况下，由于Apple完全控制其片上系统中的内容，因此可以在其他处理内核和组件成为主流之前对其进行投资。

最好的例子是该公司的神经引擎，该组件首次出现在iPhone X的A11芯片组中，用于加速各种功能所需的神经网络，例如安全面部解锁，Siri语音识别和增强现实等。苹果是最早在其芯片中集成专用神经加速器的公司之一。而华为在苹果宣布其自己的神经引擎之前一周就发布了麒麟970及其神经处理单元，而三星和高通后来才赶上来。

毫不奇怪，今年的神经引擎与我们在2017年看到的第一个引擎相去甚远。虽然原始协处理器可以每秒执行6000亿次操作，但去年的A13在相同的时间内将标准提高到了6万亿次。同时，A14通常每秒执行11万亿次的操作，从而消除了障碍。

大规模的重新设计使这种提升成为可能：A14的神经引擎现在包含16个内核，而去年的A13为8个。将引擎的核心数量增加一倍将是一个有趣的选择，因为许多依赖它的iOS功能似乎已经运行良好。既然如此，为什么不把更多的新晶体管投入到进一步提高CPU和GPU性能上呢?大多数人可能会立即注意到这一点?

答案有两个。首先，苹果公司继续在增强神经网络中看到巨大的潜力，不仅是因为其自身的软件体验，而且对于那些应用程序开发人员可能能够在适当的位置安装适当的组件来实现。例如，流行的图像编辑应用程序Pixelmator Pro依靠神经引擎提供了一项功能，该功能可使低分辨率图像看起来异常清晰和干净。同时，在创意频谱的另一端，Algoriddim的djay Pro AI应用程序使用神经引擎来更有效地隔离歌曲中的人声和乐器音轨。

Millet说：“我们看到了传统CPU指令集无法完成的事情的机会。” “理论上您可以在GPU上执行执行神经引擎在做的许多操作，但是您不能在紧密，受热约束的enclosure内执行该操作。”

这是答案的另一半，这就是苹果必须在纯粹的“马儿”和“效率”之间取得平衡。毕竟，如果马匹过早疲劳，那就没有必要确保它们跑得快。

Millet说：“我们努力专注于能源效率，因为这适用于我们生产的每种产品。” 通过将重点放在芯片设计上，苹果不必担心这种情况“它专注于手机的能源效率(以某种方式)在iPad Air中不起作用”。当然可以了。”

二、实际影响

大家一致肯定的是，A14是比它的前辈更令人印象深刻，但所有这一切都引发了一个有趣的问题：它有多强大?这是真的吗?

这主要是因为苹果尚未就A14 Bionic比去年的A13 Bionic的性能提高多少发表任何声明，在即将到来的主题演讲中，我们可以期待更多细节。在苹果披露新产品iPad Air，他们确实说了A14的CPU比前代产品提升40%，人们可以期望图形性能最多提高30%。

但是，必须注意的是，现实生活中的性能提升并不总是符合Apple的承诺。例如，当公司表示A14的CPU性能比当前iPad Air的A12芯片组强大30%时，它并没有超出您和我可以使用的流行基准测试工具的结果。根据Boger的说法，这些数字是“实际应用程序工作负载”的合并。换句话说，它们是源自许多不同性能因素的综合数字，所有这些都证明了实际使用此东西的感觉。

Millet补充说：“我们了解许多应用程序的单线程性能确实很重要。” “因此，我们确保在谈论诸如此类的事情时，我们能够很好地表示单线程性能。我们还表示，更多具有前瞻性的开发人员实际上正在利用即将推出的额外内核。”

由于我在2020年花费了大量时间测试苹果设备，因此我的想法迅速转向A14如何模糊Air与iPad Pro之间的界限。毕竟，2020 iPad Pro依靠的是两年前芯片组的增强版本。与苹果的新芯片相比，它如何堆叠?

总体而言，iPad Pro仍然具有优势。当我们在今年早些时候对其进行测试时，它是一台速度非常快的机器，而Millet和Boger很快指出，当前型号的A12Z芯片组比A14具有更多的CPU和GPU内核(每个内核八个)。GPU计算能力的巨大差异尤其意味着iPad Pro将继续更适合图形工作以及Apple专业用户可能会处理的其他“高性能工作负载”。但这并不是说iPad Air的芯片组在这里完全被淘汰了。

博格指出：“由于A14具有我们最新一代的CPU内核，因此您可能会在这里和那里看到一些东西，它们可能会胜过A12Z。”

苹果制造了一款售价600美元的平板电脑，其功能有时会超过其专业级硬件，这是一个大问题。但是，更重要的是，苹果公司在设计A14时所做的工作可能会影响其后续设备。

三、走向未来

正如我之前说的，A14将为新款iPad Air以及可能是该公司最新推出的iPhone系列提供动力，但几乎肯定还会在其他产品中使用。看看Apple的入门级iPad系列：尽管它们从未获得过为iPad Pros制造的高端芯片组版本，但它们经常被上一代iPhone中使用的芯片所刷新。如果您是Apple设备的粉丝，那么您是否还不打算大肆购买新手机或平板电脑也没关系-您最终体验A14的机会还不错。

即使您不这样做，您仍然可以从其中进行的一些工作中受益。当苹果公司的人们开始研究芯片组时，他们不仅专注于为单个产品构建芯片组。他们考虑了公司的整体阵容。“我们花了很多时间与产品团队和软件团队合作，而架构小组确实位于其中。” Millet说。

苹果在制造产品时，必须弄清从CPU和GPU到相机和显示模块以及大量传感器的重要组件清单。以良好的方式将所有组件连接起来是Millet团队的工作，而他们最大的优先事项之一就是确保将它们编织在一起的芯片级体系结构参数化-即可扩展以用于不同类型的设备。

他说：“最终，我们要确保在为一代构建CPU时，我们不一定只为一代构建CPU。” 虽然这并不意味着会在Apple Watch之类的产品中看到A14的六核CPU，但为该公司的旗舰手机芯片组开发的体系结构很可能会改编并在其他地方重复使用。事实证明，我们可能不必等很久就能看到一个很好的例子。

几周以来，一直有传言称iPad Pro由A14的高性能版本A14X提供动力，有人传言称该产品将于2021年初推出。在发布由A12驱动的iPhone XS系列仅一个月后，苹果就宣布了其第三代iPad Pro和A12X芯片组。

谣传A14X也是该公司的首批商用Apple Silicon Mac中的芯片组。被问及该公司在Mac芯片上的工作是否完全影响了A14的发展时，Millet指出：“有时，独特的平台制约着发明的发展。”

最终，对于A14和苹果公司在不久的将来的计划，我们仍然知之甚少。

它的体系结构还可以如何扩展或限制为适用于不同的硬件?苹果从设计像A14这样的移动芯片组中学到的知识是否会给它提供在英特尔和AMD上需要的工具?Millet完全没有讨论这些话题，但似乎一模一样：无论是否购买iPad Air(或iPhone 12)，苹果的工作都会对该芯片组会在未来几年都产生影响。