突破極限 自研架構是成神之路

雖然很不願意承認，但蘋果iPhone 8和iPhone X的確代表了當前智慧型手機領域的最強性能，哪怕是還未量產的高通驍龍845都難以撼動蘋果A11 Bionic處理器的皇者地位。

要知道，A11 Bionic明明只是一顆六核處理器（圖1），它又是憑什麼秒殺一眾八核甚至十核競爭對手的呢？

追本溯源 蘋果之強並非先天

很多人只看到了今天iPhone在性能上的輝煌，認為它天生驕傲。

實際上，早期的iPhone在性能上並沒有領先Android陣營多少，（多核性能）甚至還曾一度落後過。

iPhone也曾隨波逐流

還記得第一代iPhone帶給我們的震撼嗎？超大且支持多點觸控的3.5英寸螢幕、可實現全時連接的2G+Wi-Fi網絡、完整的Web體驗，簡直可以吊打當年的塞班和Windows Mobile系統的任何對手。

要知道，當年塞班手機清一色還都需要用按鍵操作，Windows Mobile手機也需要觸控筆才能談得上體驗。

那麼，當時的iPhone性能很強嗎？

的確很強，iPhone搭載了來自三星旗下的S5L8900處理器（圖2），並集成PowerVR MBX-Lite GPU模塊。

這款晶片基於ARM11架構設計，擁有412MHz的主頻，再加上128MB內存，堪稱無敵配置。

可惜，蘋果第二代iPhone 3G選擇了原地踏步，它的硬體規格不變，只是加入了對新興3G網絡的支持，App Store的誕生則改寫了智慧型手機的玩法。

同一時間，谷歌推出了Android系統，以HTC G1為代表的競爭對手在第一時間就實現了配置上的反超（圖3）：搭載高通MSM7201處理器，集成Adreno 130 GPU，內置更大的192MB內存。

也就是從這個時期開始，iPhone和Android手機間的軍備競賽正式拉開了序幕。

2009年，iPhone 3GS攜代號為「蜂鳥」的三星S5PC110處理器來襲，這顆晶片首次嘗鮮AMR最新的Cortex-A8架構，600MHz的主頻，再加上PowerVR SGX535 GPU和256GB內存的組合，將智慧型手機的流暢度發揮到了極致。

另一方面，在App Store中還湧現出了無數好玩的iOS獨占遊戲，至此iPhone遊戲多、更流暢，就成為了果粉抵制Android手機的絕佳理由。

那麼，Android陣營是如何回擊的呢？摩托羅拉推出的Milestone搭載德州儀器OMAP3430處理器（圖4），同樣集成PowerVR SGX535 GPU並內置256MB內存；HTC從G2開始改用高通MSM7200A處理器，集成Adreno 200 GPU，內置288MB內存。

也就是從這個時期開始，讓玩家們認識到手機GPU和系統優化的重要性，因為HTC G2玩遊戲沒有Milestone快，而Milestone又不如iPhone 3GS。

開啟自研CPU之路

面對Android陣營咄咄逼人的進攻態勢，蘋果做出了一個重要決定：通過自主研發CPU，逐漸擺脫來自三星晶片方面的依賴。

於是，從iPhone 4開始，蘋果A系列處理器終於正式與我們見面了。

iPhone 4搭載Apple A4處理器，它基於ARM官方Cortex-A8架構設計，我們可以將它看做是三星S5PC110的定製版（圖5）；從iPhone 4s的Apple A5開始，蘋果A系列處理器跨入了雙核時代，由Cortex-A9同步雙核心架構組成，基本與同期Android陣營高端手機的規格持平。

步入2012年後，NVIDIA、三星和高通紛紛祭出了四核處理器，而蘋果卻不願意盲目追隨市場潮流，打算堅持既有產品設計原則的態度。

為了不讓雙核戰四核輸的太難看，蘋果從Apple A6開始，才算進入了真正意義上的自研CPU之路上。

因為，Apple A6不再使用ARM公版的Cortex-A系列架構，而是改用蘋果基於ARMv7s指令集自主研發的「Swift」架構核心（圖6）。

蘋果自研的架構有多強？我們不妨參考一下它與同期Android陣營標杆三星Galaxy S的跑分對比（表1），從Apple A6開始蘋果處理器總能在單核性能上保持絕對的優勢，只是受制於核心數量偏少以及核心調度策略（同一時間點上只有高性能核心或低功耗核心運行）上的先天缺陷，導致蘋果A系列處理器在多核性能上就很難與同期的對手拉開差距。

但是，這已經足夠說明問題了。

蘋果從Apple A6開始，在核心數量少、內存容量低的絕對劣勢下，卻能在CPU跑分層面保持一定的優勢，可見ARM官方Cortex-A架構並沒有挖掘出ARMv7/ARMv8指令集的全部潛力，而這就給了晶片廠商自研架構核心的空間。

到了AppleA11 Bionic時代，更是成就了蘋果處理器秒天秒地的威望，成為了一個似乎無法戰勝的存在（表2）。

蘋果為何鍾情於自研

智慧型手機是一種極為精密的電子設備，它的PCB主板是一個整體，除了處理器晶片外還要涉及到其它器件的布局和走線（圖7）。

此時，如果直接使用高通或三星的處理器，就必須按照對方的晶片規格設計PCB，一旦晶片廠的下一代產品發生較大變化，蘋果方面也會因此而產生不必要的重新設計的成本。

另一方面，蘋果從很早以前就發現，現在根本就沒有廠商在做自己所需要的處理器，蘋果需要比競品更強的性能，計劃通過追求深度無序的執行和廣泛的問題寬度來走向ARM不曾走過之路。

於是，在HTC和摩托羅拉等品牌都在依賴高通提供的處理器時，蘋果就展開了各種收購和組建自己工程師團隊之旅，最終在Apple A4上引入了以早前收購為基礎而開發出的專用晶片組和控制器。

正如前文所述，Apple A6是蘋果自研處理器道路上的關鍵節點，它雖然使用了ARM指令集但卻不再沿用現成的公版設計。

憑藉著資本優勢，蘋果在2013年發布了全球首款64位智慧型手機晶片Apple A7，同時還衍生出了配備更強大圖形處理性能的X變種型號（應用在iPad身上）。

到了A10 Fusion時代，蘋果正式邁入了四核時代，在全新動態電壓頻率調節模式和性能控制器的幫之下，可更有針對性對核心負載進行智能管理，比如做到讓某些核心完全關閉，能耗管控能力遠超Android陣營晶片（圖8）。

蘋果的自研野望

不要以為蘋果只專注於手機處理器的研發，第一代Apple Watch所搭載的也是蘋果自主研發的Apple S1，一顆針對可穿戴設備量身設計的超微型晶片（圖9），隨後的Apple Watch2則升級到了雙核心的Apple S2，擁有2倍於前輩的圖形性能。

在AirPods無線耳機身上，我們還看到了革命性的超低功耗Apple W1晶片（圖10），它解決了普通藍牙耳機的斷續情況，還可提供更好的音質和更低的功耗。

總之，通過A系列處理器的研發經驗積累，蘋果已經奠定好了為旗下產品自主設計硬體「垂直整合」戰略的基礎。

從AppleA11 Bionic開始，蘋果更是拋棄了最緊密合作夥伴 Imagination Technologies，開始定製自主的GPU架構，一旦取得重大的技術突破，蘋果自研的GPU無論是晶片面積還是性能，都能比之前Imagination Technologies提供的GPU內核更適合Apple A系列SoC整體晶片的結構設計。

此外，蘋果還展開了自主研發數據機的計劃，從而擺脫高通和英特爾的掣肘。

可以說，蘋果未來的野望就是將整個SoC內全部模塊的主動權都收集到自己手中，在恰當的時機甚至會將它們應用Mac系列的PC領域，打通Mac OS和iOS系統之間的兼容壁壘，屆時我們使用PC的習慣也將因此而產生質變。

不讓蘋果獨美於前 來自競爭對手的挑戰

細心的讀者不難發現，對手機處理器而言，只要核心架構相同，主頻相近，它們在跑分性能上就很難拉開差距。

為了不讓蘋果A系列處理器獨美於前，以高通和三星為代表的晶片廠紛紛展開了反擊。

高通的BoC戰略

在上個章節我們介紹過，高通旗下的Kryo內核在驍龍820時代就實現了完全自主的定製化，為何從驍龍835身上又改用BoC的半定製化戰略呢？很簡單，高通的每一代處理器，都會根據時間和市場需求來選擇最合適的CPU設計。

通過指令集授權而完全自主定製處理器不太經濟，而高通又覺得ARM big.LITTLE技術已經不符合實際應用環境的需求，所以才促成了基於BoC授權而生的驍龍835（圖11）。

簡單來說，驍龍835和驍龍820一樣都是兩簇核心，分別為四顆Kryo 280（2.45GHz）性能核心和四顆Kryo 280（1.9GHz）效能核心，與ARM官方架構遵循的Big.LITTLE大小核技術不同，這八顆核心均為大核心設計。

高通認為，智慧型手機無時無刻都在與多媒體打交道，哪怕運行微信也會涉及到大量的文字、圖片和視頻處理，而公版Cortex-A53核心連亂序執行都沒有，需要藉助更高的頻率才能滿足微信突發的性能請求。

高不成低不就的LITTLE小核心在處理社交類APP經常面臨吃力不討好的尷尬局面，最終還是需要Big大核心登場。

於是，高通自行設計了驍龍835的內存控制器，保證了I/O性能並加大了二級緩存，可減少讀取內存，在APP加載、網頁瀏覽、VR下能提高20%性能，手機應用中80%的任務可交由1.9GHz的效能核心處理，能耗比遠在傳統big.LITTLE技術之上。

對於即將量產的驍龍845，高通帶來了全新的Kryo 385架構內核，從已知的資料來看它應該是基於ARM最新的Cortex-A75和A55魔改而來，最大的特色就是引入了DyanmIQ技術（圖12）。

和Big.LITTLE相比，DyanmIQ重新定義了多核微架構，允許DynamIQ 任意叢集中核心數量可以從單核到八核不等，並且還支持異構CPU之間的混搭。

有了更靈活分配核心資源的DyanmIQ技術的幫忙，高通才敢在10nm工藝不變的基礎上，將最高主頻從2.45GHz一下子提升到2.8GHz。

據悉，高通在2018年計劃推出更多基於BoC授權的處理器，包括驍龍670、驍龍640和驍龍460（圖13）。

其中，驍龍670將採用四顆Kryo 360 Gold（Cortex-A75公版架構魔改）和四顆Kryo 385 Silver（A55魔改）組成的八核心架構，集成Adreno 620 GPU；驍龍640採用兩顆Kryo 360 Gold和六顆 Kryo 360 Silver（A55魔改）組成的八核心架構，集成Adreno 610 GPU；驍龍460由四顆高頻Kryo 360 Silver和四顆低頻Kryo 360 Silver核心構成（均由A55魔改），集成Adreno 605 GPU。

遺憾的是，從網上曝光的驍龍845性能來看，它的單核/多核性能分別為2422和8351，和公版Cortex-A75的理論性能相似，距離蘋果A11 Bionic單核超4000，多核破萬的成績相比還很遙遠。

希望隨著固件和驅動的優化，等驍龍845正式上市時能給我們帶來性能上的驚喜吧。

三星的自研大核計劃

三星從Exynos 8890開始就學習蘋果展開了自研CPU的旅程，基於ARMv8指令集推出了名為貓鼬（Mongoose）的架構核心。

從Exynos 8890、Exynos 8895到Exynos 9810，貓鼬架構也經歷了不斷升級，即將隨Galaxy S9與我們見面的，就是基於三星第三代自研架構——Mongoose M3設計的Exynos 9810（圖14）。

簡單來說，Exynos 9810基於10nm LPP工藝打造，由四顆Mongoose M3（2.9GHz）和四顆Cortex-A55（1.9GHz）組成的八核心架構，集成ARM Mali-G72MP12 GPU。

據悉，Mongoose M3自研架構的性能極為強悍，在GeekBench 4跑分中單核成績可達4000分，多核性能有望破萬。

如果屬實，Exynos 9810將具備和蘋果A11 Bionic分庭抗禮的實力。

可惜，三星從Exynos 8890時代起自研架構就僅限於大核部分，而小核總是套用ARM公版A53/A55架構。

如果三星可以參考蘋果和高通，將大小核全部換成自研核心（哪怕小核是BoC），相信綜合性能還能再上層樓。

小結

對智慧型手機而言，更高的跑分成績雖然並不具備什麼實際意義，但對於新款手機而言，跑分成績低卻是萬萬不成的，而將CPU架構從公版換成自研，無疑就是一條捷徑。

除了高通和三星，有消息稱華為也開展了自研內核計劃，也許很快就會有相關的晶片與我們見面。

當然，我們也不鼓勵盲目的自研，畢竟研發成本最終是要轉嫁到每一個消費者頭上，而且影響手機實際體驗的，除了CPU部分外還有CP U、ISP、DSP、數據機和AI相關單元（圖15）。

未來手機處理器的競爭將是綜合實力的較量，自研CPU架構只能搶占先機，而最終結果還要受到SoC內的其它單元影響。