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150億晶體管的蘋果A15芯片,泛善可陳!

2021-09-15
來源:半導體行業觀察
關鍵詞: 蘋果 A15

  昨晚,蘋果舉辦了聲勢浩大的發布會,除了帶來全新的iPhone、iPad和Apple watch等產品外,當然也少不了蘋果的新的A系列芯片——A15。按照蘋果的說法,這款新處理器將成為“智能手機中最快的芯片”。

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  從蘋果過往的發布會看來,新一代處理器通常使用更小的工藝節點,因為這允許使用更多的晶體管,從而獲得更快的性能。然而,A15 卻使用了與A14相同的 5nm 制造工藝,這表明這里的性能提升可能沒有之前希望的那么大。

  雖然蘋果沒有具體說明A15用的是哪個節點的變體,但考慮到臺積電產品的時間和演變,我們懷疑它將使用新的 N5P 節點,這是去年 N5 節點的迭代。

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  據華興資本分析師估計,臺積電 N5 的晶體管密度約為每平方毫米 1.7 億個晶體管,這將使其成為當今可用密度最高的技術。至于其升級版本的N5P,臺積電承諾,在該節點上的頻率提高至多 5%,或將功耗降低至多 10%,密度提高1.8倍。這個新的節點變體為客戶提供了一條無縫的遷移路徑,那就意味著客戶無需大量的工程資源投資或更長的設計周期,因此任何使用 N5 設計的用戶都可以使用 N5P。例如,N5 的早期采用者可以將他們的 IP 重新用于 N5P 芯片。

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  在這個新工藝的支持下,蘋果A15處理器的晶體管數量也達到了150億,比A14的118億有了明顯的增長。

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  來到芯片的CPU和GPU設計的時候,如上圖所示,新的芯片依然遵循 Apple 的 2+4 CPU 配置的設計,在過去幾代產品中,他們都在使用這種配置。其中兩個是性能核心,四個是效率核心。在今年的發布會上,蘋果今年沒有透露太多關于新 CPU 的信息,而在關于該芯片CPU的性能,蘋果也沒有提供與前代 A14 芯片的比較數據,而是選擇將自己與競爭對手的芯片進行比較,這在過往也是很少發生的。按照蘋果的說法,公司芯片在 CPU 性能方面比最接近的競爭對手快 50%。

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  據anandtech的報道,蘋果這里說的次佳競爭對手是高通的驍龍 888。如果我們查看我們的SPECint2017 基準測試結果,我們可以看到 A14 的性能比驍龍 888 高出 41%。換而言之,對于 A15 來說,如果這個差距擴大到 50%,那就意味著只需要比 A14 快 6%即可,這確實不是一個很大的升級。

  在發布會中,Apple 也沒有評論任何有關新的 ISA 功能,例如是否是Armv9/SVE2,這一切都有待以后考證。

  anandtech也指出,在2019年初,蘋果失去了他們的首席架構師(杰拉德·威廉姆斯III)和它們的CPU設計團隊的一部分成員,這些人員創辦了Nuvia,后者在今年年初被高通收購。anandtech表示,雖然不確定,但這里的時間差距肯定可以與新 CPU 的上市時間相匹配,并且這也是人才流失和團隊改組的第一個跡象。值得注意的是,Apple 繼續聘請了 Arm 的首席架構師 Mike Filippo,那就意味著他們可能正在開發一個新的 CPU 系列。

  另一種理論是,鑒于其在 CPU 性能方面的巨大領先優勢,Apple 決定將更多精力放在降低這一代產品的功耗和能源效率上。這實際上是一個更受歡迎的理論,但我們現在還是無法確認。

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  來到GPU方面,據介紹,A15 是第一款擁有兩個性能版本 SoC。普通的 iPhone 13 mini 和 iPhone 13 配備了配備 4 核 GPU 的 A15,而 Pro 機型配備了配備 5 核 GPU 的配置。事實上,如果我沒記錯的話,這將是我們第一次在手機中看到這樣 SoC,因為我不記得今天之前有任何公司這樣做過。

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  和CPU一樣,蘋果也沒提供和A14的對比。按照蘋果的說法,四核的GPU比競爭對手快30%,如果我們以 GFXBench Aztec 為基準,我們看到 A14 比驍龍 888 快 18% 左右。那就意味著 A15 需要比 A14 快 10% 才能達到這一優勢。更快的 5 核 A15 被宣傳為比競爭對手快 50%,這實際上比 A14 的性能提高了 28%,并且更符合蘋果過去幾年的世代增長。

  Apple 同時還提到了許多其他 SoC 方面的改進,例如提到他們將系統級緩存 (SLC) 翻了一番,大概是 32MB。還有一個新的顯示引擎,可能會處理 120Hz,以及新的視頻解碼器和編碼器——我想知道它們現在支持什么樣的格式;Apple 同時還確實提到了對硬件 ProRes 支持。

  最后,蘋果新芯片的神經引擎即使仍然具有16 核數,但他們將其性能提高到 15.8TOPs,超過了上一代芯片的11 TOPs。

  總體而言,這是一個泛善可陳的芯片。

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  從iPhone的發展,看蘋果的芯片變遷

  2020年10月,蘋果兩款新的手機—iPhone 12 Pro和 iPhone 12正式出售。在11月,大屏幕的 iPhone 12 Pro Max和小型化的 iPhone 12 mini將出售,這就是蘋果在智能手機領域的所謂的高中低端布局,但但和其他廠商給你不一樣,蘋果的這些手機都采用了最先進的“ A14 Bionic”處理器。

  眾所周知,許多專業的半導體制造商都根據手機市場定位開發和銷售兩種或三種類型的芯片/例如,高通公司的“ Snapdragon”具有8系列、7系列、6系列、4系列和2系列,聯發科的“ DIMENSITY”也具有1000系列、800系列和700系列等等。同樣,在Intel的“ Core”系列中,也有i3,i5,i7,i9等由單獨的硅制成的芯片。

  但是,在蘋果方面,公司的差異化手機布局基本使用的都是同一款芯片,其差異化主要是通過其他功能方面體現。

  據我們了解,蘋果正在將處理器的硅類型最小化。過去用于頂級型號的處理器會在下一代頂級型號誕生時進入中端和入門級,新的頂級型號將使用相同的處理器,高端和中端范圍會根據相機的數量等而有所不同。

  蘋果公司通過最大限度地減少昂貴的硅種類來不斷創建新的差異化布局的策略非常有效。增加硅類型的數量不僅會增加設計,而且會成比例地增加制造成本和測試。此外,存在問題時的校正工作也很大。

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  圖1顯示了拆下包裝盒,外部和顯示屏的iPhone 12 Pro。以前附帶的電源適配器和耳機已被取消,包裝盒也越來越薄。外觀也讓人聯想到“ iPhone 4”。卸下顯示屏時,您可以看到內部結構。

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  圖2顯示了拆卸iPhone 12 Pro的過程。按左上角的箭頭順序拆卸。內部使用了兩種螺釘和雙面膠帶,因此不能強行打開,而是在觀察的同時準備好工具,并在拍照時進行拆卸,因此實際上需要一個多小時。花了時間。只需幾分鐘即可完成簡單的拆卸(第二款iPhone需要6分鐘才能卸下面板)。

  將按順序描述圖2。(1)拆下左側中央的板子(2)拆下右上方的三目鏡相機,(3)拆下右側中央的電池,(4)拆下左下方的SIM卡插槽,(5)拆下右下方的揚聲器單元,( 6)去除左下的TAPTIC(振動),(7)去除中心的非接觸充電線圈,(8)去除左上方的UWB通信天線,(9)去除Lightning端子和麥克風的底部。

  盡管在圖2中被省略,但是操作按鈕(音量等)和天線單元被嵌入在框架的側面。

  拆下的物品無需螺絲或雙面膠帶即可重新排列并存放,以便無需工具即可用指尖將其拆開。我們計劃將其用于研討會和講座(用于2分鐘的拆卸展示等)。

  圖3并排顯示了從2017年iPhone X到2020年iPhone 12 Pro的所有最近四年拆除的攝像頭和主板。iPhone X已經成為一個巨大的轉折點!除了通過以L形排列組合兩個電池來確保電池容量外,還通過采用兩層板結構使板小型化,在該結構中,兩塊板通過墊片堆疊在一起。

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  這完全破壞了常規單層基板和電池的形狀。2018年發布的iPhone XS使用變形電池,該電池將兩個電池合并為L形。采用變形的電池是一個巨大的挑戰。在2019年,iPhone 11 Pro的主計算機板更小,因為相機有三個攝像頭。

  從iPhone X到iPhone 11,基本內部布局相同。中心的左側是電池,中心的右側是計算機板。

  在最新的iPhone 12 Pro中,基本布局已被替換。乍看右側的電池和左側的板,看起來像是一個替代品,但實際上是一個很大的改變,因為布線路徑和信號方向也會改變。通過將產生大量熱量(=增加內部距離)的相機和處理器分開來進行散熱的對策可能是更換的背景。將來,Tecanarier計劃拆除iPhone 11和iPhone 12的顯示屏,并實際操作它們以用溫度計澄清溫差。

  iPhone 12 Pro具有更多的ToF傳感器(Apple稱其為“ LiDAR”),并且相機區域約占總數的20%。

  主要芯片的過渡,可以一眼看出半導體制造商的合并和廢除

  表1總結了從iPhone X到iPhone 12 Pro的主要芯片的一些變化。從這張表中,我們可以看到由于半導體制造商的合并/并購而發生的變化(我們還總結了自2007年以來iPhone中出現的半導體歷史)。

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  對于2018年的iPhone XS Max,蘋果采用了內部開發的用于優化電源的PMIC(電源管理IC)芯片,而不是一直使用的Dialog Semiconductor(以下稱為Dialog)制造的芯片。從那時起,蘋果就使用了自己的PMIC。

  在2018年和2019年,蘋果使用了Intel的LTE調制解調器,但為了實現5G(第五代移動通信)通信,蘋果把高通基帶用于iPhone 12 。英特爾的調制解調器業務最初是從德國的英飛凌科技(Infineon Technologies)手中收購的,蘋果在2019年收購了英特爾的調制解調器業務。也許2021或2022年的iPhone將使用Apple的5G調制解調器。

  處理器集成密度

  圖4顯示了處理器從iPhone X到iPhone 12 Pro的過渡。近年來,蘋果公司宣布了A系列晶體管的數量。根據晶體管的數量和實際取出的硅片以及測量的面積,計算出每單位面積的集成密度,并在每一代之間進行比較。順便說一句,蘋果還宣布了基本的內部配置,它告訴我們處理器如何成為差異化和優勢的源頭。

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  從使用10nm工藝的“ A11”到使用7nm的“ A12”,集成密度提高了約1.9倍。從A12(7nm)到A13(7nm +),改進了4%(實際上,通過擴大芯片面積可以改善功能)。而在A14中,通過從7nm +轉移到5nm,集成密度又顯著提高到1.6倍。這樣,小型化的結果非常清晰。我們擁有每一代芯片的清晰照片(我們擁有幾乎所有制造商的所有處理器照片,而不僅僅是Apple),并且將來我們將在各個地方(包括該系列)報告A14的分析結果。

  通過iPhone可以看到半導體的發展嗎?

  2020年是日本“ 5G的元年”。隨著3月份開始提供5G服務,許多5G智能手機已經發布。廉價機型和旗艦機型等型號已投放市場,而5G通信被視為下一次增長的關鍵。

  我們已經拆解并觀察了數十種5G智能手機,表2列出了其中的六種代表性型號。兩者都支持低于6GHz的頻段(表2中只有一種型號支持毫米波),并且相機是差異化的來源。

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  “ Google Pixel 5”(發布于2020年10月15日)和iPhone 12(發布于10月23日)是雙攝像頭,其他四個型號均配備了可以測量距離的ToF傳感器。對5G的支持并不是高端/旗艦產品定位的要素,但是通過結合攝像頭和ToF傳感器等新技術,它已成為高端/旗艦產品。

  圖5顯示了2007年發布的首款iPhone 2G和最新的iPhone 12 Pro的外觀和內部板,以及iPhone中使用的處理器芯片。在此期間,Apple幾乎每年都在不斷發展處理器,通信和傳感器。他們是從“ A4”開始推動內部處理器制造的。iPhone 12中使用的A14是蘋果處理器的第十個芯片。它已經持續發展到可以完全適應其他領域(自動駕駛和機器人技術)的程度,例如增強AI(人工智能)功能和GPU功能以及相機處理。

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  對我而言,蘋果是我分析上一個半導體制造商時代以及當前評估和分析許多系統和芯片(另一個偉大的制造商)時代最激動人心的半導體發展之一。




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