在今年的iPhone發(fā)布會進行了大約72分鐘后，蘋果負責營銷的高級副總裁菲爾·席勒（Phil Schiller）邀請?zhí)O果負責芯片的副總裁斯里·薩薩納姆（Sri Santhanam）上臺，談論在所有三款新手機中使用的全新A13仿生芯片，后者發(fā)表了四分鐘的演講。從很多方面看，這才是整個蘋果發(fā)布會上最重要的時刻，只是在全新iPhone及其諸多功能改進的掩映下，幾乎沒有人注意到這一點。
當薩薩納姆演講結(jié)束時，我們所能記住的就是那些數(shù)字了。蘋果最新芯片包含85億個晶體管，有六個CPU內(nèi)核：包括兩個運行頻率為2.66 GHz的高性能內(nèi)核（稱為Lightning）和四個效率內(nèi)核（稱為Thunder）。A13仿生芯片有四核圖形處理器、LTE調(diào)制解調(diào)器、蘋果設計的圖像處理器以及用于機器智能功能的八核神經(jīng)引擎，每秒可進行超過5萬億次運算。
這款新芯片更智能化、更快、更強大，但功耗卻比前一代芯片更低。與去年的A12芯片相比，這款芯片的效率提高了約30%，這也是促使新款iPhone每天電池續(xù)航時間增加5個小時的重要因素之一。
iPhone 11系列發(fā)布，只是重申了蘋果相對于競爭對手的真正優(yōu)勢，即擁有獨家的軟件、系統(tǒng)硬件和芯片設計。你可以在iPhone的諸多功能中看到這些好處，包括增強現(xiàn)實功能和計算攝影模式，如深度融合（Deep Fusion）與夜間模式等。
席勒在談論A13仿生芯片及其功能時說：“今年性能提升好處的最大例子之一是文本轉(zhuǎn)語音功能。我們已經(jīng)增強了iOS 13中的文本轉(zhuǎn)語音能力，提供了更強大的自然語言處理能力，而這一切都是通過機器學習和神經(jīng)引擎完成的。”
時鐘周期
自2007年推出第一代iPhone以來，蘋果已經(jīng)走過了很長的路。該公司第一部智能手機速度很慢，甚至不能執(zhí)行最基本的任務，如復制和粘貼文本。初代iPhone的電池續(xù)航能力很糟糕，拍攝效果也不佳。最初的iPhone幾乎不存在多任務處理功能，它的芯片主頻僅有412 MHz。這款手機可以說是拼湊的產(chǎn)物，包括使用了三星DVD播放器中的芯片組件。很難想象，這樣的設備竟然會顛覆整個手機、計算和通信領(lǐng)域。
蘋果很快意識到，如果它想保持領(lǐng)先于競爭對手的優(yōu)勢，特別是那些安卓生態(tài)系統(tǒng)中的競爭對手，它就需要構(gòu)建整個系統(tǒng)，無論是硬件還是軟件。蘋果設計和制造自家芯片的決定是在2008年的某個時候做出的。當時，該公司只有40名工程師在集成來自各種供應商的芯片。
然后，在2008年4月，蘋果以2.87億美元收購了名為P.A.Semi的芯片初創(chuàng)公司。這使得其芯片工程師的總數(shù)增加到大約150人，并帶來了手機方面最重要的專業(yè)知識——能效。這個團隊的勞動成果首次通過iPad 4和iPhone 4向世界展示，這些設備都由名為A4的處理器驅(qū)動。A4是ARM控股公司芯片設計的改良版，其主要關(guān)注點是凸顯視網(wǎng)膜顯示屏。
多年來，蘋果芯片已經(jīng)支撐起許多令人驚嘆的新功能，比如智能助手Siri、視頻通話、基于指紋和圖像的識別以及攝像頭的眾多功能，所有這些都是蘋果在芯片研發(fā)取得進展的結(jié)果。在2017年iPhone X發(fā)布時，曾有博文稱：“Face ID是蘋果不那么秘密的‘秘密武器’的完美例證，這種秘密武器是半導體、物理硬件、軟件和為愉悅而設計的理念的完美融合。他們有將復雜技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樯衿鏁r刻的能力，這也是史蒂夫·喬布斯（Steve Jobs）為他共同創(chuàng)立的公司留下的真正遺產(chǎn)。”
激烈競爭
強尼·斯洛基(Johny Srouji)負責蘋果龐大的芯片業(yè)務以及其他硬件技術(shù)。許多人認為，公司年度研發(fā)預算的很大一部分，專門撥付給了斯洛基的團隊。幾年前，斯洛基在接受采訪時表示：“喬布斯得出的結(jié)論是，蘋果要想真正脫穎而出，提供真正獨特、真正偉大的產(chǎn)品，唯一的辦法就是擁有自己的芯片。”據(jù)說，蘋果有數(shù)百人專門從事芯片研發(fā)，但向蘋果高管們追問細節(jié)時，他們都會選擇回避。
蘋果的芯片優(yōu)勢在業(yè)界從未被忽視過。商用芯片的進步速度總是趕不上蘋果，后者始終在致力于增強自己的芯片優(yōu)勢，每次發(fā)布手機和平板電腦都是如此。華為和三星很快意識到，移動技術(shù)的未來將需要定制芯片，這將使它們能夠保持領(lǐng)先于安卓競爭對手，并更好地與蘋果競爭。
圖2：蘋果芯片業(yè)務副總裁斯里·薩薩納姆（Sri Santhanam）上周在加州庫比蒂諾的史蒂夫·喬布斯劇院講臺上談到了A13仿生芯片
這些公司以及高通(Qualcomm)等芯片制造商，都在進行一場芯片軍備競賽，且在排行榜上的位置不斷洗牌。上一代A12仿生芯片在發(fā)布時，讓蘋果較競爭對手相比略占優(yōu)勢，然后今年，蘋果利用iPhone 11發(fā)布會加強了其領(lǐng)先優(yōu)勢。
林利·格文奈普(Linley Gwennap)是研究咨詢公司The Linley Group的創(chuàng)始人，也是著名芯片雜志《微處理器報道》(Microprocessor Report)的發(fā)行人，被廣泛認為是最重要的處理器專家之一。格文奈普一生中的大部分時間都致力于處理器和芯片，但市場營銷語言并不那么容易給他留下深刻印象。但他承認，蘋果有個優(yōu)勢，而且在基準方面取得了勝利，盡管優(yōu)勢還不太明顯。
格文奈普在采訪中談到上一代A12仿生時指出，雖然蘋果在單CPU競爭中處于領(lǐng)先地位，但其他與之相對的公司同樣具有競爭力。他說：“我不認為蘋果有太大優(yōu)勢，預計三星、高通和華為都將加快追趕速度。”
那么，自從去年蘋果推出A12以來，他們有沒有加大追趕力度？與蘋果三大競爭對手的最新芯片相比，新的六核A13仿生芯片到底是如何堆疊的？讓我們看看相關(guān)數(shù)字：
三星最新處理器Exynos 9825有八個內(nèi)核，分布在三個集群中：兩個高性能定制Mongoose內(nèi)核運行在2.73 GHz頻率之下，另外兩個Cortex A75內(nèi)核在2.4 GHz下運行，四個效率聚焦內(nèi)核Cortex A55運行在1.9 GHz頻率下。它配置Mali GPU和三星的神經(jīng)處理單元，支持LTE和內(nèi)存功能。
華為的芯片名為麒麟990 5G，采用類似的三簇八核方法：兩個運行頻率在2.86 GHz的高性能內(nèi)核Cortex A76，另外兩個A76雙核運行在2.35 GHz頻率下，四個效率聚焦內(nèi)核Cortex A55在更慢的1.95 GHz下運行。完整的芯片是16核GPU以及有三個核的達芬奇神經(jīng)引擎。華為的芯片包含103億個晶體管。
高通新推出的驍龍855 Plus，非常像麒麟990和Exynos。它使用定制的Kryo 485金核，其中一個強大群集的運行頻率為2.96 GHz，另外三個Kyro 485金核在2.42 GHz頻率下運行，四個注重效率的Kryo 485銀核運行頻率為1.78 GHz。它包括Adreno GPU和高通Hexagon 690 AI引擎。
這些芯片配置了速度更快的組件，而且數(shù)量更多，所以你可能會認為它們的性能比蘋果芯片更好。但現(xiàn)實是，我們幾乎從來沒有使用過移動設備中芯片的全部容量，一兩個高性能內(nèi)核足以滿足我們在手機上的大部分活動。與競爭對手的八核處理器相比，蘋果的六核設計可能看起來落后。但實際上，其芯片上的兩個大處理器輕而易舉地超過了競爭對手的設計。
蘋果處理器的能效更高，這使它們比競爭對手具有明顯的優(yōu)勢。例如，三星的Mongoose芯片需要謹慎使用，以免導致配置它們的設備過熱。即使是A13中新設計的定制效率內(nèi)核也優(yōu)于其競爭對手。今年早些時候，格文奈普在《微處理器報告》中指出：“盡管蘋果的內(nèi)核不是最大的，但它們在移動性能方面繼續(xù)領(lǐng)先。”在他寫這篇文章的時候，他正在談論的是A12芯片，而A13的性能提高了至少20%。
因此，這里得出的結(jié)論是，規(guī)格和基準沒有考慮到蘋果的真正優(yōu)勢，即與設備緊密集成，以及該公司的發(fā)展戰(zhàn)略，即在提升關(guān)鍵應用性能的同時，從電池中擠出更多運行時間。
性能提升
那么，手機公司如何以一種與客戶產(chǎn)生共鳴的方式來說明這些技術(shù)帶來的好處呢？有關(guān)芯片方面的言辭無關(guān)緊要。重要的是擁有最好的攝像頭、最快的手機，還有最大的電池。我們使用Instagram、Facebook或YouTube的時間越長，我們就越愿意在這些高端手機上花錢。蘋果iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro Max的電池續(xù)航時間分別延長4個小時和5個小時，它們是怎么做到的？
這個問題的答案清楚地說明了蘋果擁有整個系統(tǒng)的固有優(yōu)勢。為了了解垂直整合是如何在A13仿生芯片上體現(xiàn)出來的，席勒和阿南德·辛皮(Anand Shimpi)接受了采訪，后者是個專注于半導體和系統(tǒng)的知名記者，他創(chuàng)立了AnandTech網(wǎng)站。辛皮現(xiàn)在是蘋果平臺架構(gòu)團隊的一員。
新的A13芯片性能遠遠超過了去年的A12，其所有主要組件：六個CPU內(nèi)核、圖形處理器和神經(jīng)引擎的性能都提高了20%。對于已經(jīng)算是高性能的芯片來說，看到如此顯著的提升，不禁讓人覺得有點兒像看著尤塞恩·博爾特(Usain Bolt)在短跑中擊敗自己。
辛皮說：“我們經(jīng)常公開談論性能，但現(xiàn)實是，我們將其視為性能功耗比。我們將其視為能源效率，如果你構(gòu)建出更高效的設計，那意味著你也恰好構(gòu)建出了高性能設計。”
辛皮和席勒都重點強調(diào)這種對能效和性能的關(guān)注。例如，CPU團隊將研究如何在iOS上使用應用程序，然后使用數(shù)據(jù)優(yōu)化未來的CPU設計。這樣，當下個版本的設備問世時，它將能更好地支持大多數(shù)人在iPhone上做的事情。辛皮說：“對于不需要額外性能的應用程序，用戶可以按照去年的性能運行，并且只需以低得多的功耗運行即可。”
這種策略不僅適用于CPU。同樣的性能功耗比規(guī)則也適用于機器學習功能和圖形處理。例如，如果一個開發(fā)iPhone攝像頭軟件的開發(fā)人員看到GPU的利用率很高，那么他可以與GPU架構(gòu)師合作，找出一種更好的工作方式。這將為未來的圖形芯片帶來更有效的設計。
協(xié)同效應
那么，當A13仿生芯片開始工作時，里面會發(fā)生什么呢？通常涉及分配、委派和移交。對于低能耗任務，比如打開和閱讀電子郵件，iPhone將使用更高效的內(nèi)核。但對于能耗更密集的任務，如加載復雜的網(wǎng)頁，這將由高性能內(nèi)核負責。對于某些例行的和機器學習已經(jīng)勝任的工作，神經(jīng)引擎可以獨自承擔。而對于更新、更尖端的機器學習模型，CPU及其專門的機器學習加速器可以提供幫助。
然而，蘋果的秘密在于，芯片的所有這些不同部分可以更節(jié)省能耗的方式協(xié)同工作。在典型的智能手機芯片中，芯片的某些部分被打開以執(zhí)行特定的任務。你可以把它想象成打開整個社區(qū)的電源，讓他們吃晚飯，看《權(quán)力的游戲》，然后關(guān)掉電源，然后為另一個想玩電子游戲的社區(qū)打開電源。
對于A13來說，在做上述同樣事情的時候，它以精準控制單個家庭為基礎(chǔ)，為此被浪費的電量更少。席勒說：“機器學習在整個過程中都在運行，無論是管理電池續(xù)航時間還是優(yōu)化性能。10年前還沒有機器學習運行。現(xiàn)在，它總是在運行，做很多不同的事情。”
歸根結(jié)底，這項技術(shù)的發(fā)展取決于我們想從手機中獲得哪些東西，比如在手機上玩流暢運行的游戲，或者在昏暗的夜色中拍攝美麗而干凈的照片。當我們敲擊和滑動手機屏幕時，蘋果的工程師們正在關(guān)注和重新思考他們的設計，并致力于開發(fā)明年更先進的芯片，這將誘使我們不斷升級設備。
