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深度解析苹果A12处理器:性能和能耗比令安卓旗舰SoC汗颜

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发表于 2018-10-10 16:00:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

过去的几年里,苹果的芯片设计团队一直在架构设计和制造工艺两条路线上稳居业界最前沿,此番随新一代iPhone XS一齐亮相的A12处理器同样保持了这份优良传统,它是业界第一个实现量产应用的7nm移动SoC芯片。
此前在雷锋网《详细解读7nm制程》一文中我们曾介绍过,一般来说制程的数字越小,晶体管的Metal Pitch和Gate Pitch等特征尺寸就越小。虽然最近几年制程的命名逐渐脱离了与实际物理尺寸之间的关联而转向商业化名称,但它们仍然代表着晶体管密度的飞跃,供应商能够在相同的芯片面积中塞入更多晶体管以提升性能。
不久前,外媒TechInsights对iPhone XS进行了拆解并为A12芯片进行了X光扫描,我们可以借由他们分享的透视图对A12进行一波深入的分析和猜想。

A12的主要性能模块均位于芯片的右方和下方,其中最右侧是占地面积最大的GPU集群,4颗核心2*2对称排列,将一小块公用电路夹在中间。左侧紧挨着GPU集群中腰的是CPU和GPU的共享缓存(L3缓存),下方是低功耗CPU核心集群,左方是的高性能CPU核心集群,最左边则是8核NPU。
GPU和CPU的共享缓存是整个SoC缓存体系的一部分,层级位于内存控制器和独占缓存之间。由于处理器访问内存要消耗掉大量电力,使用片上共享缓存可以节能降耗,且由于数据的局部性,性能还会有所提升。
从图上可以看出,A12的共享缓存被划分成了4个区块,而此前自A7至A11这5代处理器均为2区块设计。缓存区块的加倍很有可能代表着缓存性能有了很大提升,这个在稍后的测试中再见分晓。
最后, NPU可以说是此次A12中进化幅度最大的一个性能模块,核心数从A11的双核激增为8核,实际性能更是从A11的0.6TOP暴涨至5TOP,提升近9倍。需要注意的是,有传言称此前A11的NPU使用的是CEVA的架构设计,不过直到现在也没有得到证实,而此次苹果A12的网页上明确提到了Apple-designed,这意味着这次的NPU架构的确是出自苹果的自主研发。

纵观A11和A12中不同模块的面积变化,可以清晰的看到台积电全新7nm制程的优势。鉴于几乎所有的模块架构都有了变化,无法计算出7nm制程的晶体管密度有多大提升,不过若以单个GPU核心作为参考,在A12中相比A11中的面积减小了37%。
更大的CPU和缓存结构
此次A12的大核心代号为Vortex(旋风),相比A11的Monsoon(季风)最大的改进在于L1数据缓存和指令缓存双双翻倍,均从64KB增加到了128KB。人们一直很想搞清楚的一个问题是,苹果处理器的缓存体系到底具有怎样的结构,现在我们可以通过使用不同队列深度测试内存延迟来一窥端倪。

测试结果是,L1缓存的延迟拐点从64KB转移到了128KB,这很正常,但在L2缓存的延迟在3MB~6MB范围内会一直持续增加,而这种情况仅在以完全随机的模式访问时发生,在较小的访问窗口中,L2缓存的延迟从3MB到6MB又是一直平坦的。

在队列深度超过L2缓存的容量后,Monsoon核心的延迟曲线会进一步增加4MB左右,Vortex核心的曲线则会一直延续8MB,这便是二者的共享缓存容量范围,再往后便进入了内存的领域。这与在芯片透视图上实际看到的情况很相符,A12的共享缓存不仅分区数量加倍,容量也从4MB增加到了8MB。
而代号为Tempest(暴风)的小核心这边情况则稍有些复杂,乍看之下可能会认为A11中代号为Mistral(干冷的北风)的小核心只有512KB L2缓存而A12则有1.5MB,但实际上这只是缓存电源管理策略造成的假象。通过延迟图表可以看出,Mistral核心在768KB和1MB处存在明显的波动,而Tempest核心的类似波动则发生在2MB处。
综合以上数据,可以得出下表中的数据:

A12的大核心L2缓存结构相比A11没有任何变化,两者都有128个SRAM块,每个SRAM块大小为48KB。而A12的小核心L2缓存容量翻倍,意味着SRAM块数从16个增加到了32个。
不过,苹果在A11和A12上使用的缓存电源管理策略允许在数据粒度较小时只激活部分缓存电路,在A11上这个粒度应该是256KB,而在A12上这个粒度应该是512KB。这也让我们更加有理由认为A11的小核心L2缓存容量是1MB,A12则是2MB,这也意味着每个SRAM块大小为64KB。
然而再回过头看大核心,虽然我们之前认为其容量为6MB,不过仔细观察可以发现其曲线在8MB处有一些变化。曲线的变化预示着测试数据的尺寸正在接近缓存容量的边界,这使我们猜测A11和A12的大核心实际上有8MB L2缓存。
总而言之,苹果处理器的缓存方面毫不吝惜晶体管的使用,A12在这方面则更进一步,整颗SoC上的各级缓存超过了16MB,这样不惜血本的规模真的足以让高通三星等公司同时期的旗舰产品无比汗颜。
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