150亿晶体管的苹果A15芯片,乏善可陈

半导体行业观察2021-09-15
从iPhone的发展,看苹果的芯片变迁

昨晚,苹果举办了声势浩大的发布会,除了带来全新的iPhone、iPad和Apple watch等产品外,当然也少不了苹果的新的A系列芯片——A15。按照苹果的说法,这款新处理器将成为“智能手机中最快的芯片”。

从苹果过往的发布会看来,新一代处理器通常使用更小的工艺节点,因为这允许使用更多的晶体管,从而获得更快的性能。然而,A15 却使用了与A14相同的 5nm 制造工艺,这表明这里的性能提升可能没有之前希望的那么大。

虽然苹果没有具体说明A15用的是哪个节点的变体,但考虑到台积电产品的时间和演变,我们怀疑它将使用新的 N5P 节点,这是去年 N5 节点的迭代。

据华兴资本分析师估计,台积电 N5 的晶体管密度约为每平方毫米 1.7 亿个晶体管,这将使其成为当今可用密度最高的技术。至于其升级版本的N5P,台积电承诺,在该节点上的频率提高至多 5%,或将功耗降低至多 10%,密度提高1.8倍。这个新的节点变体为客户提供了一条无缝的迁移路径,那就意味着客户无需大量的工程资源投资或更长的设计周期,因此任何使用 N5 设计的用户都可以使用 N5P。例如,N5 的早期采用者可以将他们的 IP 重新用于 N5P 芯片。

在这个新工艺的支持下,苹果A15处理器的晶体管数量也达到了150亿,比A14的118亿有了明显的增长。

来到芯片的CPU和GPU设计的时候,如上图所示,新的芯片依然遵循 Apple 的 2+4 CPU 配置的设计,在过去几代产品中,他们都在使用这种配置。其中两个是性能核心,四个是效率核心。在今年的发布会上,苹果今年没有透露太多关于新 CPU 的信息,而在关于该芯片CPU的性能,苹果也没有提供与前代 A14 芯片的比较数据,而是选择将自己与竞争对手的芯片进行比较,这在过往也是很少发生的。按照苹果的说法,公司芯片在 CPU 性能方面比最接近的竞争对手快 50%。

据anandtech的报道,苹果这里说的次佳竞争对手是高通的骁龙 888。如果我们查看我们的SPECint2017 基准测试结果,我们可以看到 A14 的性能比骁龙 888 高出 41%。换而言之,对于 A15 来说,如果这个差距扩大到 50%,那就意味着只需要比 A14 快 6%即可,这确实不是一个很大的升级。

在发布会中,Apple 也没有评论任何有关新的 ISA 功能,例如是否是Armv9/SVE2,这一切都有待以后考证。

anandtech也指出,在2019年初,苹果失去了他们的首席架构师(杰拉德·威廉姆斯III)和它们的CPU设计团队的一部分成员,这些人员创办了Nuvia,后者在今年年初被高通收购。anandtech表示,虽然不确定,但这里的时间差距肯定可以与新 CPU 的上市时间相匹配,并且这也是人才流失和团队改组的第一个迹象。值得注意的是,Apple 继续聘请了 Arm 的首席架构师 Mike Filippo,那就意味着他们可能正在开发一个新的 CPU 系列。

另一种理论是,鉴于其在 CPU 性能方面的巨大领先优势,Apple 决定将更多精力放在降低这一代产品的功耗和能源效率上。这实际上是一个更受欢迎的理论,但我们现在还是无法确认。

来到GPU方面,据介绍,A15 是第一款拥有两个性能版本 SoC。普通的 iPhone 13 mini 和 iPhone 13 配备了配备 4 核 GPU 的 A15,而 Pro 机型配备了配备 5 核 GPU 的配置。事实上,如果我没记错的话,这将是我们第一次在手机中看到这样 SoC,因为我不记得今天之前有任何公司这样做过。

和CPU一样,苹果也没提供和A14的对比。按照苹果的说法,四核的GPU比竞争对手快30%,如果我们以 GFXBench Aztec 为基准,我们看到 A14 比骁龙 888 快 18% 左右。那就意味着 A15 需要比 A14 快 10% 才能达到这一优势。更快的 5 核 A15 被宣传为比竞争对手快 50%,这实际上比 A14 的性能提高了 28%,并且更符合苹果过去几年的世代增长。

Apple 同时还提到了许多其他 SoC 方面的改进,例如提到他们将系统级缓存 (SLC) 翻了一番,大概是 32MB。还有一个新的显示引擎,可能会处理 120Hz,以及新的视频解码器和编码器——我想知道它们现在支持什么样的格式;Apple 同时还确实提到了对硬件 ProRes 支持。

最后,苹果新芯片的神经引擎即使仍然具有16 核数,但他们将其性能提高到 15.8TOPs,超过了上一代芯片的11 TOPs。

总体而言,这是一个泛善可陈的芯片。

从iPhone的发展,看苹果的芯片变迁

2020年10月,苹果两款新的手机—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将出售,这就是苹果在智能手机领域的所谓的高中低端布局,但但和其他厂商给你不一样,苹果的这些手机都采用了最先进的“ A14 Bionic”处理器。

众所周知,许多专业的半导体制造商都根据手机市场定位开发和销售两种或三种类型的芯片/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,联发科的“ DIMENSITY”也具有1000系列、800系列和700系列等等。同样,在Intel的“ Core”系列中,也有i3,i5,i7,i9等由单独的硅制成的芯片。

但是,在苹果方面,公司的差异化手机布局基本使用的都是同一款芯片,其差异化主要是通过其他功能方面体现。

据我们了解,苹果正在将处理器的硅类型最小化。过去用于顶级型号的处理器会在下一代顶级型号诞生时进入中端和入门级,新的顶级型号将使用相同的处理器,高端和中端范围会根据相机的数量等而有所不同。

苹果公司通过最大限度地减少昂贵的硅种类来不断创建新的差异化布局的策略非常有效。增加硅类型的数量不仅会增加设计,而且会成比例地增加制造成本和测试。此外,存在问题时的校正工作也很大。

图1显示了拆下包装盒,外部和显示屏的iPhone 12 Pro。以前附带的电源适配器和耳机已被取消,包装盒也越来越薄。外观也让人联想到“ iPhone 4”。卸下显示屏时,您可以看到内部结构。

图2显示了拆卸iPhone 12 Pro的过程。按左上角的箭头顺序拆卸。内部使用了两种螺钉和双面胶带,因此不能强行打开,而是在观察的同时准备好工具,并在拍照时进行拆卸,因此实际上需要一个多小时。花了时间。只需几分钟即可完成简单的拆卸(第二款iPhone需要6分钟才能卸下面板)。

将按顺序描述图2。(1)拆下左侧中央的板子(2)拆下右上方的三目镜相机,(3)拆下右侧中央的电池,(4)拆下左下方的SIM卡插槽,(5)拆下右下方的扬声器单元,( 6)去除左下的TAPTIC(振动),(7)去除中心的非接触充电线圈,(8)去除左上方的UWB通信天线,(9)去除Lightning端子和麦克风的底部。

尽管在图2中被省略,但是操作按钮(音量等)和天线单元被嵌入在框架的侧面。

拆下的物品无需螺丝或双面胶带即可重新排列并存放,以便无需工具即可用指尖将其拆开。我们计划将其用于研讨会和讲座(用于2分钟的拆卸展示等)。

图3并排显示了从2017年iPhone X到2020年iPhone 12 Pro的所有最近四年拆除的摄像头和主板。iPhone X已经成为一个巨大的转折点!除了通过以L形排列组合两个电池来确保电池容量外,还通过采用两层板结构使板小型化,在该结构中,两块板通过垫片堆叠在一起

这完全破坏了常规单层基板和电池的形状。2018年发布的iPhone XS使用变形电池,该电池将两个电池合并为L形。采用变形的电池是一个巨大的挑战。在2019年,iPhone 11 Pro的主计算机板更小,因为相机有三个摄像头。

从iPhone X到iPhone 11,基本内部布局相同。中心的左侧是电池,中心的右侧是计算机板。

在最新的iPhone 12 Pro中,基本布局已被替换。乍看右侧的电池和左侧的板,看起来像是一个替代品,但实际上是一个很大的改变,因为布线路径和信号方向也会改变。通过将产生大量热量(=增加内部距离)的相机和处理器分开来进行散热的对策可能是更换的背景。将来,Tecanarier计划拆除iPhone 11和iPhone 12的显示屏,并实际操作它们以用温度计澄清温差。

iPhone 12 Pro具有更多的ToF传感器(Apple称其为“ LiDAR”),并且相机区域约占总数的20%。

主要芯片的过渡,可以一眼看出半导体制造商的合并和废除

表1总结了从iPhone X到iPhone 12 Pro的主要芯片的一些变化。从这张表中,我们可以看到由于半导体制造商的合并/并购而发生的变化(我们还总结了自2007年以来iPhone中出现的半导体历史)。

对于2018年的iPhone XS Max,苹果采用了内部开发的用于优化电源的PMIC(电源管理IC)芯片,而不是一直使用的Dialog Semiconductor(以下称为Dialog)制造的芯片。从那时起,苹果就使用了自己的PMIC。

在2018年和2019年,苹果使用了Intel的LTE调制解调器,但为了实现5G(第五代移动通信)通信,苹果把高通基带用于iPhone 12 。英特尔的调制解调器业务最初是从德国的英飞凌科技(Infineon Technologies)手中收购的,苹果在2019年收购了英特尔的调制解调器业务。也许2021或2022年的iPhone将使用Apple的5G调制解调器。

处理器集成密度

图4显示了处理器从iPhone X到iPhone 12 Pro的过渡。近年来,苹果公司宣布了A系列晶体管的数量。根据晶体管的数量和实际取出的硅片以及测量的面积,计算出每单位面积的集成密度,并在每一代之间进行比较。顺便说一句,苹果还宣布了基本的内部配置,它告诉我们处理器如何成为差异化和优势的源头。

从使用10nm工艺的“ A11”到使用7nm的“ A12”,集成密度提高了约1.9倍。从A12(7nm)到A13(7nm +),改进了4%(实际上,通过扩大芯片面积可以改善功能)。而在A14中,通过从7nm +转移到5nm,集成密度又显着提高到1.6倍。这样,小型化的结果非常清晰。我们拥有每一代芯片的清晰照片(我们拥有几乎所有制造商的所有处理器照片,而不仅仅是Apple),并且将来我们将在各个地方(包括该系列)报告A14的分析结果。

通过iPhone可以看到半导体的发展吗?

2020年是日本“ 5G的元年”。随着3月份开始提供5G服务,许多5G智能手机已经发布。廉价机型和旗舰机型等型号已投放市场,而5G通信被视为下一次增长的关键。

我们已经拆解并观察了数十种5G智能手机,表2列出了其中的六种代表性型号。两者都支持低于6GHz的频段(表2中只有一种型号支持毫米波),并且相机是差异化的来源。

“ Google Pixel 5”(发布于2020年10月15日)和iPhone 12(发布于10月23日)是双摄像头,其他四个型号均配备了可以测量距离的ToF传感器。对5G的支持并不是高端/旗舰产品定位的要素,但是通过结合摄像头和ToF传感器等新技术,它已成为高端/旗舰产品。

图5显示了2007年发布的首款iPhone 2G和最新的iPhone 12 Pro的外观和内部板,以及iPhone中使用的处理器芯片。在此期间,Apple几乎每年都在不断发展处理器,通信和传感器。他们是从“ A4”开始推动内部处理器制造的。iPhone 12中使用的A14是苹果处理器的第十个芯片。它已经持续发展到可以完全适应其他领域(自动驾驶和机器人技术)的程度,例如增强AI(人工智能)功能和GPU功能以及相机处理。

对我而言,苹果是我分析上一个半导体制造商时代以及当前评估和分析许多系统和芯片(另一个伟大的制造商)时代最激动人心的半导体发展之一。

本文来自微信公众号“半导体行业观察”(ID:icbank),来源:内容来自半导体行业观察综合,36氪经授权发布。

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