iPhone13的强悍之源

一个影响苹果未来的重要决定

苹果旗下的AppleA系列芯片之所以总能优于同期Android阵营竞品，主要就是它们融合了苹果独家的“自研”核心架构，較之基于ARM公版架构设计的骁龙、天玑、麒麟等竞品有着天生“傲骨”。

但是，iPhone也并非天生强大，至少在iPhone4之前，苹果手机搭载的都是三星旗下的S5L8900和S5PC110处理器（图1），在性能上并没能和Android阵营手机拉开差距。原因也很简单，三星S5PC110处理器也曾用于三星i9000/S8500、谷歌NexusS和魅族M9等手机，大家“心脏”相同，差异只是系统体验和软件生态的建设。

此时的苹果发现了一个问题：智能手机是一种精密的电子设备，其PCB主板是一个整体，除了处理器芯片外还涉及到其它器件的布局和走线（图2）。在这个大环境下，如果直接使用高通或三星的处理器，就必须按照对方的芯片规格设计PCB，需要苹果“迁就”芯片供应商，还会陷入配置同质化的怪圈。另一方面，iPhone作为智能手机的标杆和探索者，现有的处理器很难满足苹果对性能和功能上的需求，与其让芯片供应商为其单独定制，还不如自己开发。

于是，在Android阵营手机大都在依赖德州仪器和高通提供的处理器时，苹果就展开了各种收购和组建自己工程师团队之旅，走向ARM和其他芯片供应商不曾走过之路。

基于公版架构的二次研发

苹果的自研之路始于iPhone4时代，只是当时苹果的研发团队还处于起步阶段，所以它发挥了“拿来主义”精神——AppleA4处理器直接采用了Cortex-A8架构，集成PowerVRSGX535GPU，整体规格和三星S5PC110相近（可视为基于S5PC110二次优化），但依靠更大的L2Cache（二级缓存），在同等频率下性能略好于S5PC110（图3）。

随后，苹果在iPhone4s搭载的AppleA5时代引入了Cortex-A9同步双核心架构，集成PowerVRSGX543MP2GPU。需要注意的是，从AppleA5开始，苹果还经常为iPad定制更强的后缀带有X的增强版处理器，如A5X，主要变化是集成更强的PowerVRSGX543MP3GPU。本文我们主要讨论手机专用的处理器芯片，有关X系列的后续芯片本文就不再赘述了。

基于指令集层面的真正自研

严格来讲，AppleA4和A5都属于苹果“半自研”的处理器，因为它们采用的都是ARM原生的Cortex-A系列公版架构，同期的高通和三星等芯片供应商也在用，大家在性能层面依旧很难拉开差距，谁的核心数量多，谁的主频高谁就更强，毫无技巧可言。

因此，苹果从AppleA6开始才算是进入了真正意义上的自研CPU时代（图4）。因为AppleA6不再使用Cortex-A公版架构，而是拿更底层的ARMv7指令集“开刀”，并在其基础上打造出了苹果自主研发的“Swift”架构核心，拥有3个前端解码管线和2个FPU单元，集成SGX543MP3GPU。作为对比，同期基于ARMv7指令集设计的Cortex-A9公版架构核心仅有2个前端解码管线和1个FPU单元。

随后的AppleA7更具历史意义，因为它是业内首颗64位移动处理器（图5）。A7芯片的核心是基于ARMv8指令集打造的“Cyclone”架构，并集成PowerVRG6430GPU和M7协处理器，后者主要负责处理各种传感器的数据，可以显著降低耗电量。至此，苹果旗下的AppleA系列全面切换到了ARMv8指令集时代（见表），只是偶尔进行小幅优化迭代，比如AppleA12/A13采用的是ARMv8.3-A，AppleA14/M1则升级到了ARMv8.4-A。

基于指令集的自研架构，拥有比同期ARM公版架构更好的性能底蕴，而这也是AppleA系列芯片核心数量明明只有双核/四核/六核，却能怒怼同期四核/八核竞品的底气所在。

再往后，AppleA11Bionic仿生芯片需要引起我们的重视，因为它内部的CPU、GPU、性能控制器、NPU和ISP等单元都是苹果自己设计（Apple-designed）的。作为苹果首次自研的三核GPU，其图形处理速度与上一代相比最高提升可达30%，而这也直接导致Imagination旗下的PowerVRGPU业务崩盘。此外，A11Bionic还集成神经网络引擎，和同期的麒麟970一起，将智能手机推向了AI时代（图6）。