造了一個(gè)個(gè)驚喜。作為該公司自研定制芯片最成功之一的手機(jī)A系列芯片,，伴隨著A16 Bionic芯片的發(fā)布,，目下市場(chǎng)上開始出現(xiàn)了一些不同的聲音，“擠牙膏”,、“提升不大”等等,。蘋果A系列芯片真的輝煌不再了嗎？

其實(shí)不然,，A16芯片依然地表最強(qiáng)

在最近召開的蘋果發(fā)布會(huì)上,，關(guān)于A16 Bionic芯片,，蘋果在其發(fā)布會(huì)上并沒有給予很多的筆墨。蘋果的A16擁有160億個(gè)晶體管,，內(nèi)含6個(gè) CPU核,、5個(gè)GPU核，16個(gè)Neural Engine,，采用LPDDR5X存儲(chǔ)器,，帶寬增加 50%，蘋果雖未提及與上一代A15 Bionic的對(duì)比,，但指出A16 Bionic比對(duì)手快40%,。字面上我們了解到的就是這些，隨著iPhone 14系列即將上市（搭載A16芯片的只有iPhone 14 Pro和Pro Max機(jī)型）,，A16芯片的效能到底有多強(qiáng)大,，也備受外界關(guān)注。

蘋果A16芯片示意圖

據(jù)安兔兔團(tuán)隊(duì)近日的跑分測(cè)評(píng),，iPhone 14 Pro的總成績(jī)?yōu)?78,147,，Pro Max的總成績(jī)?yōu)?972,936。與13系列型號(hào)相比,，在CPU運(yùn)算效能,、GPU圖形運(yùn)算效能、MEM存儲(chǔ)器讀取性能與UX體驗(yàn)性能都優(yōu)于前代,，大約有18.8%的改進(jìn),。如果從各處理器性能的提升來(lái)看，其中CPU性能提高了17%,，而內(nèi)存得分提高了10%,。真正令人印象深刻的是GPU比上一代提升了28%，這可能是近年來(lái)最高的代際改進(jìn),。

iPhone 14 Pro 對(duì)比前代iPhone 13 Pro 的安兔兔跑分評(píng)測(cè)成績(jī)

那么A16芯片的性能提升主要來(lái)自于哪些方面呢,？首先肯定是工藝的演進(jìn)，A16芯片采用的是臺(tái)積電的4nm工藝,，這也是Apple首款采用4nm工藝生產(chǎn)的芯片,。不過(guò)臺(tái)積電的4nm其實(shí)是N5技術(shù)的增強(qiáng)版，4nm的密度并不比5nm高20%,。4nm的主要好處是在合理成本下降低了功耗,，蘋果表示，A16與A15相比可節(jié)省20%的功耗,。

另一個(gè)因素可能是采用了新的內(nèi)核,，A16 Bionic 芯片的6個(gè)CPU內(nèi)核中，具有2個(gè)性能核心和4個(gè)節(jié)能核心,，與去年iPhone 13上的 CPU設(shè)計(jì)相似,。根據(jù) Longhorn在 Twitter 上的說(shuō)法,，A16芯片組（代號(hào)為Crete），大核（性能內(nèi)核）是Everest,，小核（效率核心）是Sawtooth,。其中Everest可運(yùn)行高達(dá)3.46GHz，而A15 Bionic的性能內(nèi)核可達(dá)到3.23GHz,。因此也為A16帶來(lái)了更好的性能提升,。

所以在工藝和設(shè)計(jì)均沒有發(fā)生根本性變革的情況下，蘋果依然實(shí)現(xiàn)了相比前一代18.8%的提升,。足以見得蘋果不是一味對(duì)工藝進(jìn)行追逐,，畢竟工藝越先進(jìn)，最終產(chǎn)品的價(jià)格還是會(huì)落實(shí)到消費(fèi)者身上,。

坦率的說(shuō),，即使是當(dāng)今最好的安卓機(jī)的處理器也無(wú)法與A15相比，A16更是自然,。它并不需要為其iPhone 14加入更昂貴的處理器芯片來(lái)提升競(jìng)爭(zhēng)力,。總而言之,，蘋果還是穩(wěn)穩(wěn)保住了手機(jī)處理器的性能王座。

歷代蘋果A系列芯片性能提升大比拼

知史可以明鑒,，我們不妨再來(lái)回顧下蘋果歷代A系列芯片的性能提升情況,。蘋果的A系列芯片組的獨(dú)特之處在于，它們擁有ARM的架構(gòu)許可,，允許它從頭開始設(shè)計(jì)自己的芯片,。蘋果的A系列 SoC在芯片內(nèi)集成了一個(gè)或多個(gè)基于ARM的處理器、圖形單元,、高速緩存和其他組件,。A系列被廣泛用于iPhone、iPad,、iPod Touch,、Apple TV等各種型號(hào)的SoC系列。

蘋果歷代A系列處理器情況一覽

（圖源：CPU-Monkey）

2010年蘋果內(nèi)部設(shè)計(jì)出第一款手機(jī)處理器A4,，采用三星45nm工藝制造,，該設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)電源效率。A4采用Cortex-A8內(nèi)核,，在不同產(chǎn)品中以不同的速度運(yùn)行：第一代iPad為1 GHz,， iPhone 4和第四代iPod Touch為 800 MHz。A4的SGX535 GPU理論上每秒可以處理 3500萬(wàn)個(gè)多邊形和每秒5億個(gè)像素,。A4處理器不包含RAM,，但支持PoP安裝,。

2011年3月Apple A5隨ipad2平板電腦的發(fā)布而首次亮相。與 A4一樣,，A5也采用45nm工藝,。與A4相比，A5的CPU性能提升兩倍,，GPU提高9倍,。A5包含一個(gè)雙核ARM Cortex-A9 CPU和一個(gè)雙核PowerVR SGX543MP2 GPU。其GPU每秒可以處理70到8000萬(wàn)個(gè)多邊形,，像素填充率為20億像素/秒,。

2012年3月，A5X隨著第三代ipad發(fā)布,，A5X是A5的性能提升版,。A5X采用四核圖形單元 (PowerVR SGX543MP4)，而不是之前的雙核,，以及一個(gè)四通道內(nèi)存控制器,，內(nèi)存帶寬達(dá)到12.8 GB/s，大約是 A5 的三倍,。它的圖形性能是A5的2倍,。

2012年9月，蘋果的A6伴隨iPhone 5發(fā)布,，A6采用三星32nm工藝,，與A5相比，它的功耗降低了22%,，速度和GPU性能均提升了2倍,。A6使用ARMv7的雙核CPU，稱為Swift,。

2012年10月,，A6X隨第四代ipad發(fā)布，同樣,，A6X采用三星32nm工藝,，A6X的CPU性能和GPU性能均是上一代A6的2倍。與 A6一樣,，這款SoC繼續(xù)使用雙核Swift CPU,，但它具有新的四核GPU、四通道內(nèi)存和略高的1.4 GHz CPU時(shí)鐘頻率,。

A7芯片首次出現(xiàn)在 2013年9月10日推出的iPhone 5S中,，A7芯片采用三星的28nm工藝，在102平方毫米的尺寸中包含了10億個(gè)晶體管,。A7 芯片是第一個(gè)用于智能手機(jī)和平板電腦的 64 位芯片,。A7采用基于Arm v8-A雙核CPU Cyclone,，和集成的PowerVR G6430 GPU采用四集群配置。ARM v8-A架構(gòu)使A7的寄存器數(shù)量增加了一倍,。

自A8開始,，蘋果開始采用臺(tái)積電的工藝，2014年9月9日A8出現(xiàn)在iPhone 6和iPhone 6 Plus中,。A8采用臺(tái)積電20nm工藝,，它包含 20億個(gè)晶體管，雖然晶體管數(shù)量提升了一倍,，但其物理尺寸卻降低了13%至89 平方毫米,。與A7相比，它的CPU性能提高了25%,，GPU性能提高了50%,，功耗降低了50% 。

A8X于2014年10月16日隨iPad Air 2一起問(wèn)世,，繼續(xù)采用臺(tái)積電的20nm工藝,，包含30億個(gè)晶體管。它的CPU性能比Apple A7提高了40%,，GPU性能提高了2.5倍,。與A8不同的是，這款 SoC 使用三核 CPU,、新的八核 GPU,、雙通道內(nèi)存和稍高的 1.5 GHz CPU 時(shí)鐘頻率。

A9于2015年9月9日在iPhone 6S和 6S Plus 中出現(xiàn),，A9交由臺(tái)積電和三星兩家分別代工，三星采用14nm FinFET LPE工藝制造,，臺(tái)積電采用16nm FinFET工藝制造,。A9也是蘋果與三星簽訂合同制造的最后一款CPU，此后所有的A系列芯片均交由臺(tái)積電制造,。蘋果聲稱A9與A8相比,，CPU性能提升了70%，GPU提升了90%,。

A9X于2015年11月11日發(fā)布,，首次出現(xiàn)在iPad Pro中，由臺(tái)積電16 nm FinFET工藝制造,。與其前身Apple A8X相比,，它的CPU性能提高了80%，GPU性能提升兩倍,。

A10Fusion首次出現(xiàn)在2016年9月7日推出的iPhone 7和7 Plus中,。也是由臺(tái)積電采用 16 納米 FinFET工藝制造,，與此同時(shí)，臺(tái)積電還首次引入了新的InFO封裝技術(shù),，這也是臺(tái)積電能夠獨(dú)攬?zhí)O果芯片代工的一大利器,。A10采用全新的ARM big.LITTLE四核設(shè)計(jì)，具有兩個(gè)高性能內(nèi)核和兩個(gè)較小的高效內(nèi)核,。它比A9快40%,，圖形速度快50%。

Apple A10X Fusion于2017年6月5日在iPad Pro和第二代 12.9 英寸 iPad Pro 中出現(xiàn),，采用臺(tái)積電10nm FinFET工藝,， CPU性能比其前身A9X快 30%，GPU性能快40%,。

自A11系列開始,，蘋果在處理器的命名中添加了“仿生”，因?yàn)樘O果已經(jīng)在處理器中構(gòu)建了自己的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)邏輯區(qū)域,。

Apple A11 Bionic首次出現(xiàn)在2017年9月12日推出的iPhone 8,、iPhone 8 Plus 和iPhone X中，采用臺(tái)積電10nm FinFET工藝,，在尺寸為 87.66平方毫米的芯片上包含43億個(gè)晶體管,，比 A10小 30%。它具有兩個(gè)高性能核心,，比A10 Fusion快 25% ,，四個(gè)高效核心，比 A10 中的節(jié)能核心快70%,，A11首次采用Apple設(shè)計(jì)的三核 GPU,，GPU速度快30%。它也是第一款采用“神經(jīng)引擎”的 A 系列芯片,，用于Face ID,、Animoji和其他機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。

A12 Bionic于2018年9月12日首次出現(xiàn)在iPhone XS,、XS Max和XR中,，采用臺(tái)積電7nm FinFET工藝，這是第一個(gè)在消費(fèi)產(chǎn)品中出貨的產(chǎn)品,，其物理尺寸為83.27平方毫米,，包含69億個(gè)晶體管，比A11小 5%,。其兩個(gè)高性能核心比Apple A11的速度快15%,，能效提高 50%，而四個(gè)高效核心的功耗比A11的低 50%。

A12X Bionic首次出現(xiàn)在2018年10月30日發(fā)布的iPad Pro（第 3 代）中,。它的單核CPU性能比其前身Apple A10X快 35%,，整體CPU性能快90%。A12Z是A12X的更新版本,，首次出現(xiàn)在 2020 年 3 月 18 日發(fā)布的第四代iPad Pro中,，與A12X相比，它增加了一個(gè)額外的GPU內(nèi)核,，以提高圖形性能,。A12X 和 A12Z均使用臺(tái)積電7 nm FinFET工藝制造，包含100億個(gè)晶體管,。

A13 Bionic首次出現(xiàn)在2019 年9月10日推出的iPhone 11,、11 Pro和11 Pro Max中。采用臺(tái)積電第二代7nm N7P工藝制造,，包含85億個(gè)晶體管,。A13的兩個(gè)高性能核心比Apple A12快 20%，功耗降低30% ,，四個(gè)高效核心比A12快20%,，功耗低40%。

A14 Bionic是第一個(gè)商用的5nm芯片,，首次出現(xiàn)在2020年10月23日發(fā)布的第四代 iPad Air和iPhone 12中,。它包含118億個(gè)晶體管，裸片尺寸為88平方毫米,。它還有16核AI處理器,，以及三星LPDDR4X DRAM、6 核 CPU 和具有實(shí)時(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)功能的 4 核 GPU,。A1的CPU速度比A12快40% ,，GPU的速度比A12快 30%。A14 后來(lái)被用作M1系列芯片的基礎(chǔ),，用于各種Macintosh和iPad型號(hào),。

A15 Bionic首次出現(xiàn)在 2021年9月14日發(fā)布的iPhone 13中。A15采用 5 納米制造工藝,，擁有150億個(gè)晶體管,，比A14的118億個(gè)晶體管數(shù)量增加了27.1%,。蘋果聲稱 iPhone中的A15的五核GPU比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手快 50%,，四核GPU比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手快30%。

可以看出,，在過(guò)去十年的定制芯片制造中,，Apple已經(jīng)能夠?qū)PU性能提高100倍，將GPU性能提高1000 倍。從一開始的A4到A6系列,，基本保持在每一代芯片是上一代性能的2倍提升,，大大的享受到了摩爾定律帶來(lái)的性能提升。而在此后,，隨著工藝的演進(jìn)變得困難,，且晶體管數(shù)量的不斷增加，蘋果手機(jī)芯片的提升鮮少有超過(guò)1倍的時(shí)候,。如果按照安兔兔的跑分測(cè)評(píng),，A16芯片CPU和GPU的性能提升幅度似乎在情理之中。在某些應(yīng)用領(lǐng)域,，Apple A處理器提供了極高的性能,，在單核領(lǐng)域甚至達(dá)到了與筆記本處理器相近的性能。

未來(lái)芯片性能提升靠什么,？

那么,，隨著摩爾定律逼近極限，工藝演進(jìn)帶來(lái)的紅利即將不再顯現(xiàn)的情況下,，未來(lái)芯片性能的提升靠什么呢,？大抵有這么幾方面：

一是架構(gòu)的創(chuàng)新。縱觀過(guò)去十幾年芯片發(fā)生大的變革和提升,，一大技術(shù)是FinFET新結(jié)構(gòu)器件的發(fā)明,，替代了原本的平面結(jié)構(gòu)，繼續(xù)保持單位面積內(nèi)的晶體管密度翻倍,，F(xiàn)inFET也成為14nm之后先進(jìn)技術(shù)代的主流邏輯器件,。FinFET之后，到3nm及以下的器件主要圍繞GAA結(jié)構(gòu)的堆疊納米片/納米線架構(gòu),，1nm之后可能會(huì)采用互補(bǔ)堆疊器件（CFET）結(jié)構(gòu),。在這些新架構(gòu)方面，國(guó)內(nèi)外不少?gòu)S商,、專家和科研機(jī)構(gòu)都有所研究,。

二是在先進(jìn)封裝上的創(chuàng)新，如SiP,、2.5D封裝和3D封裝等,。Chiplet技術(shù)是一個(gè)非常有潛力的技術(shù)，目前在產(chǎn)業(yè)界也廣受追捧,。蘋果已將多die封裝技術(shù)應(yīng)用在其M1 Ultra上面,，Chiplet技術(shù)或?qū)⒉贿h(yuǎn)。至于其是否會(huì)應(yīng)用于手機(jī)芯片中,，還有待觀察,。

三是材料上的創(chuàng)新。材料方面需要從兩處著手，一是晶體管本身的材料創(chuàng)新：傳統(tǒng)硅基材料在尺寸微縮極限下,，量子限域效應(yīng)會(huì)使得硅,、鍺等傳統(tǒng)硅基材料的電學(xué)性能顯著衰退，當(dāng)來(lái)到2nm的極限物理尺寸下,，這些材料將變成不到點(diǎn)的絕緣體,。二是改變晶體管之間互聯(lián)方面的材料，來(lái)解決金屬互聯(lián)層的漏電和發(fā)熱等問(wèn)題,。

在替代硅晶體管材料方面,，目前有望的材料主要有碳納米管，碳納米管,，比硅導(dǎo)電更快,，效率更高。從理論上來(lái)說(shuō),，效率可達(dá)到硅的10倍,，運(yùn)行速度為3倍，而僅僅只需要消耗三分之一的能源,。但其仍存在一系列的挑戰(zhàn)有待克服,。

在晶體管互聯(lián)方面，目前的主流技術(shù)就是銅互連,。業(yè)界有不少新材料探索,，如鉍、鈷,、釕或鉬,，甚至是光互聯(lián)等。

寫在最后

不可否認(rèn)的是,，Apple擁有一支強(qiáng)大的CPU設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),，在過(guò)去幾年中始終如一地生產(chǎn)出較好的移動(dòng)SoC，從而實(shí)現(xiàn)了出色的工程設(shè)計(jì)和優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的交貨時(shí)間,。延續(xù)蘋果在手機(jī)芯片領(lǐng)域的成功,，Mac芯片成為蘋果的下一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)。2017年,，蘋果公司遇到一個(gè)難題,，就是iphone和Apple watch的銷售猛增，而Mac電腦的銷售卻停滯不前,，主要原因是其電腦的設(shè)計(jì)或性能并沒有給用戶帶來(lái)很大的提升,。2020年蘋果做出了大膽的舉動(dòng)，其所有電腦轉(zhuǎn)而使用自研的M系列芯片,，不得不說(shuō),，打造M系列芯片的電腦令人耳目一新，也因此蘋果電腦銷量猛增,。蘋果儼然已成為一家半導(dǎo)體巨頭,。

但對(duì)于一家系統(tǒng)廠商來(lái)說(shuō)，只專注于CPU性能是粗淺的,。SoC不僅僅包含一個(gè) CPU,，還仍然存在GPU、調(diào)制解調(diào)器和其他一切的問(wèn)題,。對(duì)很多廠商來(lái)說(shuō),，造出芯片已經(jīng)是結(jié)果；但對(duì)蘋果來(lái)說(shuō),，芯片性能固然重要,，產(chǎn)品的性能體驗(yàn)才是最終結(jié)果。

蘋果每一個(gè)重大的變革,，其出發(fā)點(diǎn)都是能否提供更好的產(chǎn)品,，而不是CPU能夠做到多么強(qiáng)大，不過(guò)蘋果擁有最好的手機(jī)芯片這點(diǎn)仍然是毋庸置疑的,。