為何蘋果還要開發(fā)速度更快的A7處理器？
為何蘋果還要開發(fā)速度更快的A7處理器？
本文作者為科技撰稿人Steve Cheney。本文試圖從處理器的效能功耗比方面分析軟件和硬件的決定因素，對(duì)于A7芯片是否將改變手機(jī)軟件的性能，我們拭目以待。
今天有傳聞?wù)f下個(gè)月即將發(fā)布的iPhone 5S將采用蘋果自主開發(fā)的A7處理器，雙核，64位，運(yùn)行速度會(huì)比iPhone 5**1%。
當(dāng)人們不斷YY下一代iPhone的時(shí)候，讓我們來看看蘋果的軟件硬件的生態(tài)圈和系統(tǒng)芯片的發(fā)展。蘋果**的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是自主研發(fā)的策略，它從來不會(huì)去使用或者購買其他的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用處理器，相反卻更加專注于應(yīng)用/服務(wù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不會(huì)為了兼容其他處理器而折衷。我們可以拿高通的驍龍?zhí)幚砥髯鰧?duì)比。數(shù)以千計(jì)的Android設(shè)備都使用驍龍?zhí)幚砥鳎运鼤?huì)在兼容性上考慮很多，而使用蘋果A7處理器的設(shè)備，最多也就是iPhone、iPad、iPod和iTV，這樣蘋果就可以去掉更多平臺(tái)兼容方面的累贅考慮，從而兼顧更多的功能，比如DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）或者圖像性能等iOS擅長(zhǎng)的方面。
那A7是2核還是4核呢？現(xiàn)在多核的結(jié)構(gòu)一般有三個(gè)主要的決定因素：省電，性能和系統(tǒng)/內(nèi)存帶寬，但對(duì)于手機(jī)平臺(tái)來說，效能功耗比（performance per Watt）才是重點(diǎn)。形象點(diǎn)說，多核處理器就像是用4個(gè)不同的鍋在4個(gè)不同的灶臺(tái)上做飯，相比只使用一個(gè)大鍋，4個(gè)小鍋可以讓廚師更方便地準(zhǔn)備配料，廚師也可以關(guān)閉其中幾個(gè)灶臺(tái)來省燃?xì)狻＼浖褪菣?quán)衡點(diǎn)。
A7芯片不僅要管理好各核之間的交流，并且要決定哪些代碼在哪個(gè)核上進(jìn)行編譯和運(yùn)行。這個(gè)過程會(huì)根據(jù)軟件內(nèi)部的復(fù)雜程度不同而變化。標(biāo)準(zhǔn)的軟件設(shè)計(jì)都沒有很好地解決這個(gè)內(nèi)部問題，事實(shí)上，大家都知道軟件的并行性（software paralleli**）一直是現(xiàn)在計(jì)算設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)**的挑戰(zhàn)。
這些存在于軟件棧結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，也一直在影響著app的設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化和API設(shè)計(jì)。在操作系統(tǒng)層上開發(fā)者必須考慮如何有效地結(jié)合驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)用程序，如何在多核的結(jié)構(gòu)里合理地分配空閑堆棧，這些才是贏得效能功耗比之戰(zhàn)的關(guān)鍵。比如Facebook的iOS app，它使用一個(gè)主要的線程來驅(qū)動(dòng)UI和管理復(fù)雜事件，而使用另一個(gè)線程在后臺(tái)管理計(jì)算復(fù)雜的任務(wù)，比如**活動(dòng)和JSON語法解析，但都不會(huì)影響到UI驅(qū)動(dòng)線程的速度。
所以可以說不同的核管理不同的線程，而代碼不會(huì)自己根據(jù)處理器芯片的設(shè)計(jì)自動(dòng)編譯。
為什么蘋果的芯片這么強(qiáng)？
蘋果自研芯片不是昨天才開始，算起來已經(jīng)有差不多10年的布局，不僅在產(chǎn)業(yè)中有大量的投資，還挖來了許多行業(yè)的專家。 2010年，蘋果以1.21億美元收購了美國德州半導(dǎo)體邏輯設(shè)計(jì)公司Intrinsity，專注于設(shè)計(jì)較少晶體管、低能耗同時(shí)具備高性能的處理器。
2013年8月1日，蘋果收購了成立于2007年的加州半導(dǎo)體公司Passif Semiconductor，其專長(zhǎng)于低功耗無線通訊芯片。
2015年底，蘋果再次斥資1820萬美元，收購了一間位于加州圣何塞北部的面積7萬平方英尺（6500平方米）的芯片制造工廠。這座工廠原屬于芯片制造商Maxim Integrated Products，其設(shè)施包括了芯片制造工具，而且工廠地址靠近三星半導(dǎo)體公司。 蘋果的自研芯片之路 蘋果從喬布斯時(shí)代就一直遵循著這樣的理念——蘋果應(yīng)該擁有自己的半導(dǎo)體技術(shù)，而非依賴于其他的芯片制造商，諸如三星、英特爾和 Imagination Technologies 的零部件混搭。 圖/由Bloomberg整理 到今天為止，蘋果公司已經(jīng)推出了13款A(yù)系列處理器——從最初的iPad的A4芯片，到如今其自研芯片被廣泛應(yīng)用于iPhone、iPad、Apple Watch、Apple TV等全產(chǎn)品線中。
而在2017年發(fā)布的A11 Bionic 芯片，因具備6核64位CPU，讓其集成了更高的CPU能力。 根據(jù)蘋果芯片業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Johny Srouji的說法，對(duì)于每一代芯片， 蘋果一般從3年前就開始著手架構(gòu)設(shè)計(jì) ，也就說去年發(fā)布的A11 Bionic芯片早在2014年間就進(jìn)行開發(fā)工作。Johny Srouji本人在2008年就加盟蘋果，負(fù)責(zé)位管理位于美國加州和以及以色列的芯片制造和測(cè)試團(tuán)隊(duì)（有好幾百號(hào)人）。
除了自建團(tuán)隊(duì)以外，蘋果也一直從高通挖人，2017年6月高通核心通信芯片主管Esin Terzioglu加盟蘋果。 以往蘋果基帶訂單由高通（Qualcomm）通吃，后來因?yàn)榧夹g(shù)專利費(fèi)的事情掐起來了以后引入了英特爾（Intel）成為高通以外的第二供應(yīng)商，而蘋果的最終目的是能夠在未來自行研發(fā)基帶芯片，把手機(jī)、電腦等所有需要用到的芯片的設(shè)計(jì)和制造核心能力都掌握在自己手里。 從目前的趨勢(shì)來看，蘋果芯片自研的程度會(huì)越來越高，芯片的實(shí)力也會(huì)越來越強(qiáng)。
蘋果每一款產(chǎn)品內(nèi)部都裝著一顆主宰一切的“大腦”，你所使用的任何應(yīng)用都要經(jīng)過它的處理。事實(shí)上，這枚小小的芯片，是一門在指尖打造出一座城市的手藝。 在蘋果芯片世界，有一位幕后操刀手，或許你從未聽說過，但他的重要性卻不容置疑，甚至不遜色于任何一位蘋果高管。
他的名字叫約翰尼斯洛基(JohnySrouji)，在蘋果公司內(nèi)部的硬件技術(shù)部門擔(dān)任高級(jí)副總裁，掌管蘋果的處理芯片團(tuán)隊(duì)。 也就是說，iPhone、iPad、AppleTV、AppleWatch等產(chǎn)品的**處理器，都是在Srouji的帶領(lǐng)下完成設(shè)計(jì)的。如果說喬納森(蘋果軟硬件產(chǎn)品的首席設(shè)計(jì)師)為眾多蘋果產(chǎn)品帶來了精致的外形設(shè)計(jì)，那么Srouji和他的團(tuán)隊(duì)就是控制這些產(chǎn)品的“大腦”。 自從在2008年加入蘋果公司之后，Srouji一直都保持著低調(diào)。
但隨著蘋果芯片的信息逐漸為外人所知，這位技術(shù)天才也開始出現(xiàn)在聚光燈之下了。 美國知名 科技 博客Mashable在蘋果發(fā)布會(huì)后24小時(shí)邀請(qǐng)到蘋果IC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)總監(jiān)、硬件 科技 資深副總裁JohnySrouji一揭A11Bionic芯片的開發(fā)背后的秘密。 在被問到A11Bionic芯片是何時(shí)開始著手開發(fā)的?Srouji給出的答案令人咋舌。他表示，蘋果著手架構(gòu)芯片，一般從3年前就開始。
這意味著A11Bionic芯片早在2014年間就進(jìn)行開發(fā)工作了，而當(dāng)時(shí)蘋果還忙著出貨內(nèi)建A8芯片的iPhone 6。 值得注意的是，2014年時(shí)，少有在手機(jī)層次上討論AI和機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)的議題，然當(dāng)時(shí)，蘋果在架構(gòu)芯片開發(fā)之際，已經(jīng)押寶手機(jī)SoC內(nèi)嵌NeuralEngine(神經(jīng)引擎)了。 為什么說蘋果早在3年前就押寶iPhone手機(jī)SoC內(nèi)嵌神經(jīng)引擎、用來執(zhí)行AI運(yùn)算任務(wù)，這件事讓人另眼相看? 要知道，包括AI在內(nèi)的這些先進(jìn)演算法，例如Siri，通常系在云端上執(zhí)行高階演算，因此，在用戶端便需要有**連結(jié)。然而，iPhone X將AI技術(shù)導(dǎo)入手機(jī)里，顯然是想避免把用戶個(gè)人資料送出手機(jī)、送到云端，但iPhone X的AI應(yīng)用如果想要在手機(jī)層次、而非云端層次上執(zhí)行的話，這也可以解釋對(duì)于強(qiáng)大運(yùn)算芯片的需求，因此設(shè)計(jì)了A11Bionic處理器上的一對(duì)核心。
關(guān)于芯片研究，蘋果從A4到A11的開發(fā)過程中，其實(shí)并非每一次都是從零開始的。蘋果在開發(fā)每一代的芯片時(shí)，都會(huì)先檢視前一代的架構(gòu)，然后再?zèng)Q定到底是要據(jù)此改善、還是重新開始。 由自家的工程師來設(shè)計(jì)處理器，蘋果可以完美的將硬件和軟件進(jìn)行優(yōu)化和結(jié)合，同時(shí)還可以對(duì)處理速度以及電池續(xù)航能力進(jìn)行掌控。
在如今的手機(jī)芯片設(shè)計(jì)行業(yè)，蘋果的戰(zhàn)略布局可以算是非常長(zhǎng)久了，從2007年**代iPhone上市起，蘋果就意識(shí)到芯片自主研發(fā)的重要性，收購了好幾家芯片公司，并通過高薪挖來各路芯片設(shè)計(jì)**來為蘋果設(shè)計(jì)專屬芯片（畢竟蘋果有錢啊），于是借助強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，蘋果自主芯片一路狂奔，從A4到如今的A11，性能往往都是領(lǐng)先于同行旗艦芯片的。 如果蘋果只是買來ARM授權(quán)，用ARM的公版架構(gòu)是無論如何也達(dá)不到如今的性能水平的， 蘋果A系列芯片的強(qiáng)大來源于高效的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的工藝，蘋果不像高通等芯片廠商那樣需要多核心來提升性能和銷量，因?yàn)樽援a(chǎn)自用，而且成本空間更大，蘋果的芯片非常注重單核性能，借助更大的緩存和更大面積的核心，蘋果每一代芯片幾乎能把單核性能發(fā)揮到**，以更少的核心數(shù)量打贏核心數(shù)量多一倍的芯片。 這樣做自然是有代價(jià)的，就是大緩存+大核心+高頻率可能會(huì)帶來更大的能耗和面積，除了設(shè)計(jì)師的架構(gòu)優(yōu)化以外，這就要求蘋果每一代芯片必須采用當(dāng)時(shí)***的生產(chǎn)工藝，A11就采用了***的10nm工藝，當(dāng)然越先進(jìn)的工藝價(jià)格越貴，不過對(duì)于蘋果來說，這點(diǎn)錢不算事， 因?yàn)檫@顆芯片所驅(qū)動(dòng)的iPhone等設(shè)備就是蘋果的印鈔機(jī)。
所以蘋果芯片設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)和高通、聯(lián)發(fā)科等廠商是不同的，主要就在于單核效率和核心數(shù)量上的差別，其實(shí)也不能說誰更好，但是源于目前手機(jī)軟件對(duì)多核CPU的優(yōu)化程度而言，蘋果芯片少核+高效的設(shè)計(jì)理念仍會(huì)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。 蘋果芯片強(qiáng)大的另外一個(gè)關(guān)鍵就在于“因地制宜” ，蘋果圍繞封閉的IOS系統(tǒng)打造專屬芯片擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，IOS的多任務(wù)理念和安卓不同，所以沒有必要堆太多的核心數(shù)量，而需要把盡可能多的計(jì)算資源投入到當(dāng)前任務(wù)中，我們經(jīng)常看到同一個(gè)應(yīng)用，在iPhone上運(yùn)行速度往往更快、更流暢，因?yàn)樘幚砥髟O(shè)計(jì)需要非常多的精力投入在功能驗(yàn)證和性能優(yōu)化上，如果設(shè)備和系統(tǒng)相對(duì)單一，那樣就能保證芯片的優(yōu)化方向更加明確，研發(fā)團(tuán)隊(duì)也能形成合力，這也是IPhone往往比同期的安卓旗艦手機(jī)使用壽命更長(zhǎng)的原因所在（安卓手機(jī)的碎片化太嚴(yán)重了）。 不過蘋果的芯片也并非全都是自主研發(fā)，比如基帶還是依靠高通，今后可能會(huì)和英特爾合作，重要的GPU部分也已經(jīng)開始完全自研，取消了和Imagination的合作，預(yù)計(jì)未來的蘋果芯片自主化程度還會(huì)更高。 總之蘋果芯片能做到這么強(qiáng)，就是由于其資金+人才+生態(tài)系統(tǒng)共同促成的，當(dāng)然也離不開喬布斯當(dāng)年長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略眼光，把芯片自主研發(fā)從一開始就擺到了極其重要的位置。
不是它強(qiáng)，是他系統(tǒng)優(yōu)化匹配的好. 安卓四核CPU 2G運(yùn)存時(shí) 蘋果才雙核 1G 運(yùn)存不到，，安卓開源的配置太雜無法優(yōu)化的好，而蘋果封閉就是量身定制， 系統(tǒng)CPU 都是定向優(yōu)化的，如果那天安卓也統(tǒng)一配CPU型號(hào) 統(tǒng)一零部件，安卓也可以做的強(qiáng)，典型的Windows phone系統(tǒng)封閉的一樣很流暢 為什么蘋果的芯片這么強(qiáng)？ 這百科是很多人都不明白的點(diǎn)，去年的手機(jī)新款iPad Pro直接用上了A12Z，性能堪比很多英特爾芯片的筆記本。今年蘋果更瘋狂，宣布要用ARM架構(gòu)替代已有的X86架構(gòu)，換句話說，以后的蘋果筆記本、iMac都是用A系列芯片，并且用A12Z跑了古墓麗影這樣的大型 游戲 ，不得不說蘋果的芯片實(shí)力真的牛逼。 **、蘋果有世界**的硬件團(tuán)隊(duì) 蘋果的芯片團(tuán)隊(duì)有多牛？前ARM首席架構(gòu)師在去年都入職了蘋果，擔(dān)任蘋果芯片的研發(fā)。
這位架構(gòu)師何許人也？那就是Arm首席CPU架構(gòu)師Mike Filippo，他是Cortex A57/A72/A76三代CPU大核設(shè)計(jì)者，同時(shí)也是已經(jīng)規(guī)劃和開發(fā)中的Hercules(第三代A76)、Ares和Zeus CPU的首席架構(gòu)師。前面的不說，就說這A76，去年的驍龍855、麒麟980，和今年的麒麟990都是基于A76架構(gòu)的。 并且這還是今年才加入的架構(gòu)師，之前蘋果自己的團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)足夠強(qiáng)大了，看看A12、A13、A12Z，哪一款芯片不是獨(dú)角獸級(jí)的。我想Mike加入蘋果，也是蘋果今年宣布轉(zhuǎn)向ARM架構(gòu)的底氣所在。
第二、蘋果有足夠的時(shí)間、足夠的資金、足夠的技術(shù)儲(chǔ)備來發(fā)展芯片 蘋果每一代產(chǎn)品都是提前三年開始規(guī)劃，由此可見蘋果有多恐怖了，再看看國內(nèi)市場(chǎng)，很多手機(jī)都是半年左右就立項(xiàng)拍板生產(chǎn)，但蘋果三年前就在設(shè)計(jì)產(chǎn)品了，這其中就包括芯片，其有足夠的時(shí)間來**優(yōu)化，甚至從系統(tǒng)層面就就開始適配，這就是優(yōu)勢(shì)所在。 另外，蘋果背靠硅谷，是全球的 科技 中心，有人才，有技術(shù)，即使是供應(yīng)鏈，也是全球最**。三星、臺(tái)積電等都為蘋果代工芯片，再結(jié)合蘋果自研架構(gòu)，這種優(yōu)勢(shì)就被放大了。
說到底，蘋果芯片強(qiáng)大的原因就是單核實(shí)力強(qiáng)，單核相當(dāng)于芯片的頂梁柱。如果把芯片看成一個(gè)球隊(duì)，那大核就是這個(gè)球隊(duì)的**核心，就跟前兩年的詹?。
蘋果為什么狂堆單核
因?yàn)楹芏鄳?yīng)用程序都是運(yùn)行在單核模式下的，多核運(yùn)行的程序還是比較少的。當(dāng)單核cpu的性能更加強(qiáng)大的時(shí)候，應(yīng)用程序的運(yùn)行和反應(yīng)也就越快。
概念：
顧名思義處理器只有一個(gè)邏輯核心。
單核處理器向多核處理器的發(fā)展，是處理器歷史上一次重大的變革。
若用人類**來比喻的話，CPU代表執(zhí)行力，是一個(gè)抽象的概念;而操作系統(tǒng)則是各級(jí)**，操作系統(tǒng)的內(nèi)核則是**決策者，**或宰相以及圍繞他們?yōu)楹诵牡囊粋€(gè)班子。
遠(yuǎn)古時(shí)期的CPU是沒有特權(quán)級(jí)別的，（這兒只分析x86系列，最初的8086/8088只有實(shí)模式一種，沒有特權(quán)級(jí)別）就像遠(yuǎn)古的堯舜禹時(shí)代：傳說即使是大禹也要親自干體力活，由于每天泥里來水里去，以至于小腿上都不長(zhǎng)汗毛。
CPU也是如此，到了80286，就出現(xiàn)了保護(hù)模式，保護(hù)模式真正開始實(shí)用，是伴隨著80386出現(xiàn)的，并且一直沿用下來。
在保護(hù)模式設(shè)計(jì)下，CPU出現(xiàn)了特權(quán)階層，就是我們所說的Ring0級(jí)別，在Ring0級(jí)別執(zhí)行的都是特權(quán)指令。
我們通常的程序，都是跑在Ring3級(jí)別的（Ring1、Ring2倆級(jí)別沒有使用），也叫用戶模式，這樣，操作系統(tǒng)的代碼跑在Ring0級(jí)別（以及一些**），通用程序跑在Ring3級(jí)別。
通用程序可以調(diào)用操作系統(tǒng)的功能，就像我們可以去**申冤啦之類，由**的各級(jí)行政民政部門負(fù)責(zé)辦理，但辦理過程一般對(duì)我們是不透明的，因?yàn)槟鞘桥茉赗ing0級(jí)別的，我們因?yàn)闄?quán)限低，無法看到，只能等待執(zhí)行結(jié)果。
