苹果处理器到底有哪些玄机？

前段时间查了一下苹果的处理器发展史，原始资料来源于网络，发个贴只是整理一下，可能会有出入，有问题欢迎交流。先聊两个概念CPU和SoC：

CPU（Central Processing Unit）翻译中文叫中央单元，SoC（System-on-a-Chip）翻译中文叫片上系统。在电脑上我们通常叫处理器为CPU，当我们叫手机处理器为CPU时候就不再准确，应该叫SoC。在SoC中可以集成CPU、GPU、协处理器、通信模块、内存管理器等等其他外围器件，设计厂家根据自己的业务进行差异化设计（也可能是拍脑袋的或者根据心情决定的）。

回到苹果处理器上面，苹果处理器一共有4个系列：

A系列：iphone，iPad，iPod touch和Apple TV中使用的“片上系统”（SoC）系列，集成CPU、GPU、Cache等；

S系列：Apple Watch上使用，集成CPU、RAM、Flash、无线模块、传感器和I/O口等；

T系列：2016和2017年的macBook Pro 上使用的Touch ID芯片，定位在安全类的芯片，运行自己的watchOS；

W系列：一系列专注于无线和蓝牙连接的定制处理器（原来以为W是watch的缩写，好像不是，有知道的讲讲）。

放张图镇楼：

历代A系列SoC的参数一览：

2 Prior：

Prior：（2007年~2009年）

在苹果推出Apple A系列处理之前，iPhone早期的处理器是苹果提出规格、三星设计和生产的（这是我理解的两者分工情况，类比我们的无线或终端提出规格，海思来设计、外面代工厂生产）。生产工艺为90纳米->64纳米->45纳米过度，架构采用ARM11-》 ARM Cortex-A8（就是ARM公版的架构，32位的），单核单通道。这个阶段已经封装了图形处理器GPU，比同期的诺基亚手机在技术处理器上已经领先了。产品概念好技术也要领先才能被市场认可呀。

3 Apple A4：

Apple A4：

Apple A4处理器由苹果公司设计、三星生产的，45nm工艺，同样采用ARMv7指令集，ARM Cortex-A8的公版架构，单核，显卡与三星设计的前一代一样PowerVR SGX 535。升级的一个特点是L2缓存比之前三星的版本由256KB提升到了512KB，领一个特点是A4版本的内存采用了双通道的设计，由原来的1.6G/s提升一倍到3.2G/s，能够给CPU提供更充足的带宽。总体来说A4并没有什么大的创新点，与三星处理器非常相似。网上找到的芯片内部的图片，没有指示出具体的模块位置，有了解的可以补充一下。

4 Apple A5/A5X：

苹果A5是由美国苹果公司所设计并由三星电子所生产的ARM处理器，用于取代Apple A4。iPad 2使用是Apple A5处理器的第一款设备，2011年10月4日推出的iPhone 4S也采用Apple A5处理器，2012年10月推出的iPad Mini仍然继续采用了Apple A5处理器，安装该芯片设备广泛的贩售了多年之久。Apple A5 采用 45 及 32 纳米Core ARM Cortex-A9同步双核心架构，苹果公司声称其运算性能可提升2倍，其配备有IT公司频率为200MHz的PowerVR SGX543 MP2 GPU，绘图性能较前一代A4提升7倍之多，具备低功耗特性，支持低功耗DDR2 DRAM。A5的成本估计比A4贵75％，但随着产量增加，价格差异应会减少。

Appe A5架构上出现了一次大的变化，从原来的单核变为双核、GPU升级PowerVR SGX543MP2，工艺也在这个版本提升到了32nm，但是这一代的内核依旧是使用ARM公版Cortex-A9，没有自行设计内核。

Apple A5X是A5的派生版本，图形处理器升级至PowerVR SGX543 MP4，用于iPad (第三代)。其他差异看表。A5X作为一个过渡版本，尝试了4个GPU的配置，工艺是45nm，功耗也起来了，这也是苹果的芯片发展策略，双核CPU+多GPU。

网上找到Apple A5拆解图，比较清晰的标示了主要的功能模块。对A5处理器和其九层金属进行去层处理，在芯片的右半部分发现了两个基于ARM的内核，每个内核都有大约4.5兆字节的高速缓存。集成的512MB DDR SDRAM也包含在右下角。

5 Apple A6/A6X：

个人认为A6是苹果手机芯片的一次最重要的里程碑！从Apple A6开始，苹果不再使用公版ARM内核，转而使用自研的ARM内核。依旧是三星进行生产，工艺再次提升到32nm。Apple A6的架构名称为Swift，使用ARMv7指令集。并含有多项ARM Cortex-A15 MPCore的特性，例如支持Advanced SIMD v2 和 VFPv4。Swift有三个前端解码管线和2个FPU单元，相比之下，基于Cortex-A9的CPU只有2个前端解码管线和1个FPU单元。A6 处理器封装了 1 GB LPDDR2-1066 RAM，相比之下A5处理器只封装了 512MB LPDDR2-800 RAM，理论内存带宽也从 A5 的6.4 GB/s 增加至 8.5 GB/s。A6还搭载了一个新版的ISP，与A5对比，A6的拍摄速度、低光照下性能、噪声消去和视频防抖性能都有提升。

A6X是苹果公司客制化的SoC。它是Apple A6的衍生版本，包含与Apple A6相同的同步双核心ARMv7架构中央处理器，仅图形处理器升级到运行于300MHz的四核心PowerVR SGX554 MP4。不同于A6，A6X被导热片覆盖，且内存模块与芯片分开封装。

A6X同样由三星电子代工，使用32纳米制程HKMG (High-κ Metal Gate)制造，面积123mm，比A6大26%。A6X是该公司最后一款32位元架构的A系列SoC。

A6 使用自研的双核架构+GPU开始对抗Android/ target=_blank class=infotextkey>安卓阵营的4核8核的时代，功耗得到很好的控制，这就是架构的厉害（当然也会系统有关）！这里想多说几句，苹果因为懂自己的业务，在设计芯片时候能够把这种优势发挥出来，并且落实的架构中。华为应该可以是可以学习的，设计出更好的架构，至少要比高通好，只是谁能来拉通这个事情呢？！我这小兵感慨一下下。

照例找了一下A6的内部结构图，标示的不多，但可以看见里面有3个GPU，工艺相比A5X的45nm使用了32nm工艺，工艺提升，GPU也少了一个，功耗也就控制下来。功耗不就是ARM战胜Intel的核心么，控制不住功耗就没意义了。

6 Apple A7

A7是首款ARMv8 64位SoC，28nm工艺，一举拉开了与其他厂商的差距，这一代也就是高通被拉开差距的一代。2011年10月ARM推出全新的一代64位指令集ARMv8-A，2012年10月30日发布了Cortex-A53和Cortex-A57内核。2013年9月苹果发布了自己的全新架构的64位处理器Apple A7，而这时候的高通还在使用ARM的公版，2015年推出自己的64位Kryo架构产品骁龙820。被苹果拉开2年差距，海思麒麟芯片也在这个时候上位了。从某种意义上讲，不是麒麟发展速度快了，而是高通摔了一跤。

在Apple A7中，开始使用L3 cache，同时内存也由原来的32位双通道改为64位单通道（12.8 GB/s），性能比A6（8.528 GB/s）高，比A6X（17.1 GB/s）低。从这里的两代AxX产品可以发现，评估的过渡版本芯片是用来做性能摸高的，实际在正式版本中会权衡性能和功耗。

忘了说，A7这一代的内核架构名称叫Cyclone。没有A7X产品。在GPU上性能也有大幅提升。经Chipworks检测，新的GPU是全新6系PowerVR G6430，苹果表示GPU性能已达初代iPhone的56倍，性能达到游戏主机级别（即是PS3和Xbox 360）。测试表明性能已经远超iPad上采用的PowerVR SGX543 MP4组合。工艺提升之后终于在Apple A7上看见了成熟的4 GPU的方案。即GPU是Imagination的PowerVR Series 6的四个集群版本，即G6430。

7 Apple A8

Apple A8的架构叫Typhoon，同样是64位双核，GPU进行了升级，工艺台积电使用了20nm，不是三星代工的了（三星亦敌亦友总是受制于人就换了吧）。苹果公司表示，它的CPU性能提高了25％，图形性能提高了50％，而与之前的苹果A7相比，它的功耗仅为50％。不过这代的台积电的工艺并不成熟，比起高通的处理器810，核少频率低，功耗也还好吧。

A8 的内部结构图找了一下，继续提升GPU竞争力，又多了2个Shared Texture Unit。

A8X上苹果尝试了三核CPU+8核GPU的架构，又进行了一次技术突破。

看下A8的内部结构：

1Apple A9/A9X：

Apple A9的架构是Twister，采用2核+6核GPU，还加入了M9运动协处理器。A9有14nm和16nm两种工艺版本，没错，和三星重归于好了。苹果公司宣称该芯片较前一代苹果A8的中央处理器性能提高了70%，而图形性能提高了90%。它具有以下特性：16级指令流水线，指令发射宽度为6，加载指令延迟周期为4，分支预测失败代价周期为9，拥有4条整数流水线、4个算术逻辑单元、2个存取单元、2个分支单元等。A9芯片相较A8芯片性能的大幅提升主要是得益于其1.85 GHz的主频率、更好的存储子系统、更细致入微的微架构调校和更低的工艺节点。

A9X继续升级摸高，12个GPU+64位双通道DDR。

找到了图，但是没有表示位置，不过看了前面的图，也能猜的差不多了。

A9X:

1Apple A10/A10X Fusion

和安卓阵营一直增加CPU核数不同，苹果之前一直在加GPU。在A10上也采用了4核设计（2大核和2小核，架构名字叫 (2x Hurricane + 2x Zephyr），GPU和A9一样的是6个，但有升级。

A10 Fusion采用big.LITTLE内核内置切换器方式（In-kernel switcher，IKS）而不是高通骁龙820采用的HMP方式：一个低功耗核心和一个高性能核心组成一对，共用L2缓存，作为一个虚拟CPU核心（在IOS内核中根据负载需要切换），每个虚拟CPU核心在同一时间点上只有高性能核心或低功耗核心在运作，因此在iOS中仅能看到两颗处理器核心。A10的高性能CPU核心代号为“飓风”（Hurricane），而低功耗CPU核心代号为“微风”（Zephyr），均为苹果公司自行设计的ARMv8兼容微架构。苹果宣称此芯片较上代在CPU性能提升了40%，在图形运算提升了50%。

A10又没有选择三星代工生产。上个图片吧。

A10X这次的过渡版本主要是试了一下工艺，选择了10nm，同时CPU设计了6核（3大Hurricane+3小Zephyr），继续摸高。

A10X:

10 Apple A11 Bionic

A11的CPU部分为六核心设计，由2颗代号为“季风”（Monsoon）的高性能核心及4颗代号为“西北风”（Mistral）的节能核心以big.LITTLE配置组成，具备容量达 8 MiB 的二级缓存，但取消了三级缓存。A11与前代芯片最大的不同是使用第二代性能控制器，采用HMP全域任务调度形式能使6颗CPU核心得以同时运行。苹果公司一如既往不公开A11的CPU时钟频率信息，不过根据某些性能测试工具（如GeekBench）的大略量度，高性能CPU核心的最高时钟频率大约为 2.5 GHz，节电CPU核心的最高时钟频率大约为 1.5 GHz。A11除了集成了由苹果公司所设计之3核心图形处理器（GPU）以外，也开始内置支持光照环境侦测和先进像素处理的图像处理单元（ISP），另A11亦包含了每秒能够演算出6000亿笔指令，被苹果公司命名为Neural Engine的神经网络专用加速电路模块，以运用于Face ID、Animoji及其他机器学习任务上。苹果公司称相较于前代的Apple A10 Fusion，CPU部分高性能核心和节电核心的性能分别提升25%及70%，GPU性能较前代提升30%。