蘋果A12晶片深度解析：緩存容量翻倍，NPU面積暴增316%！

9月13日，蘋果發布了三款新iPhone，與此同時，備受關注的蘋果新一代處理器A12也正式曝光。

從蘋果官方公布的信息來看，A12可謂是非常的強大。

那麼他性能到底如何，相比華為剛剛發布的麒麟980以及此前的安卓旗艦處理器高通驍龍845又如何呢？

昨日外媒AnandTech發布了一篇關於蘋果A12處理器的分析文章。

AnandTech還引用了TechInsights對於蘋果A12的拆解圖，對於蘋果A12的內部結構進行了分析，同時，還對A12進行了性能測試，他們認為蘋果官方所公布A12性能提升數據偏保守，這顆晶片的實力其實更強。

下面我們一起來看：

蘋果A12的內部結構更為複雜

除了性能測試之外，AnandTech還引用了TechInsights對於蘋果A12的拆解圖，對於蘋果A12的內部結構進行了分析：

在上面這張A12內部結構圖的最左邊是NPU內核，最右邊我們可以看到A12的四個GPU核心，中間是被分成四塊的系統緩存。

A12的六顆CPU內核位於上圖的中下部，其中兩個Vortex CPU大核在左側，中間是四塊大的二級緩存，右側下方是四個Tempest CPU小核和它們自己的二級緩存。

對比蘋果A11晶片的內部結構來看，A12的內部設計有了很大的變化。

NPU內核放到了最左邊，並且在SoC當中所占的面積也大幅增加。

蘋果聲稱其NPU已經從A11中的雙核設計轉變為新的8核設計。

由於增加了一個GPU內核，A12的GPU所占的面積也進一步增加。

另外，可以看到在A11中的SRAM系統緩存是被分為兩塊，而A12則分成了四塊，這表明這個區塊的系統緩存性能發生了很大的變化。

總的來說，蘋果A12的內部結構相比以往發生了巨大變化。

AnandTech稱，A12的系統緩存變化是自A7推出以來最大的變化。

另外，需要補充的是，A12的單個GPU核心面積相比A11減少了37％，顯然，新的7nm工藝的加持下，使得A12能夠在面積進一步縮小的同時，能夠額外增加一顆GPU核心。

NPU面積增加3.16倍，性能暴漲

由於A12採用了新的台積電的7nm工藝，使得A12的電晶體密度得到了大幅的提升，所以從上面這張A12與A11內部各個功能模塊的面積數據對比來看，A12雖然性能更強，但是總體Die size比10nm的A11卻做到了更小。

另外可以看到，在7nm工藝加持下，A12的大小CPU內核、GPU內核的面積比10nm的A11都小，但是A12的NPU內核的面積卻達到了5.79mm²，是A11的NPU的面積（1.83mm²）的3.16倍。

而NPU內核面積的暴漲，再加上先進工藝的加持使得單位面積下電晶體密度的提升，也直接帶來了NPU性能的暴增。

據蘋果介紹，A12的NPU內核共有8個核心，具有機器學習、多精度支持功能和智能計算系統。

具體在性能上，相對於上一代蘋果A11的雙核NPU的6000億次運算/秒的計算能力，蘋果A12的NPU每秒可進行5萬億次運算(5TFLOPS)，搭配ISP、深度引擎、安全隔區、視頻處理器、視頻編碼器、存儲控制器等重要部件，智能化更高。

另外，機器學習（ML，Machine Learning）是Neural Engine最重要的功能之一。

蘋果A12的CoreML開發庫的學習能力是上一代的9倍，但其功耗卻只是上一代的1/10。

它的智慧化不僅僅體現在Siri功能的靈活多樣，還體現在拍攝、AR、遊戲（動作追蹤和圖形渲染等）和Face ID等方面。

有傳聞稱，蘋果A11的NPU內核是基於CEVA的IP，不過這一傳聞並未得到證實，因為蘋果並不希望外界知曉。

全新的緩存設計

前面提到，A12在系統緩存上有了較大的變化，同時A12的大小核CPU的一級/二級緩存也有了變化。

圖片來源： TechInsights Apple A12 Die Shot，ChipRebel Apple A11 Die Shot

從上圖中可以看到，A12 Vortex CPU大核的一級緩存的占比達到了A11的兩倍。

根據AnandTech的推測，A12的Vortex大核CPU中的一級緩存相比A11也增加了一倍，由64KB增加到了128KB。

而Vortex大核CPU的二級緩存則與A11一致。

那麼蘋果的緩存層次結構到底是什麼樣的呢？通過查看不同測試深度下的內存延遲行為，可以清楚地看到一級緩存L1從64KB提升到了128KB（是一條直線沒有延遲）。

不過AnandTech發現一個奇怪的現象，在3MB範圍內，時延是緩慢增加的，直到6MB左右。

需要注意的是，只有當以完全隨機模式訪問時，才會出現這種行為，在較小的訪問窗口中，時延曲線是平坦的直到6MB，超過6MB則呈現出近乎直線上升的趨勢。

另外對於系統緩存，AnandTech認為整體的系統緩存不僅片數翻了一番，而且容量也從4MB提高到了8MB。

在CPU小核方面，從測試來看，A11的單個CPU小核可調用的二級緩存似乎被限制在512KB，而A12則上升到了1.5MB。

不過，AnandTech這是被緩存的電源管理策略所欺騙了，可以看到A11 Mistral核心延遲，從768KB和1MB處有明顯跳躍，而A12核心在2MB處也可以看到類似的跳躍。

實際上，A11的CPU小核整體的二級緩存為1MB，而A12則為2MB。

需要指出的是，緩存的工作原理是當CPU要讀取一個數據時，首先從緩存中查找，如果找到就立即讀取並送給CPU處理；如果沒有找到，就用相對慢的速度從內存中讀取並送給CPU處理，同時把這個數據所在的數據塊調入緩存中，可以使得以後對整塊數據的讀取都從緩存中進行，不必再調用內存。

從上面的分析可以看到，蘋果的緩存系統非常的強大，相比A11，A12系統緩存大小提升了一倍。

而在實際運行當中，在CPU大核上有大約16MB的可用緩存層次結構，這遠超於其他競爭對手。

而緩存的增加，將大大節省了CPU直接讀取內存的時間，將會使得CPU的處理速度更快，同時也能夠在一定程度上降低能耗。

CPU性能媲美6代酷睿？

根據蘋果官方公布的信息顯示，A12基於台積電7nm工藝，內置六核心CPU，包括兩顆性能核心和4顆效率核心。

其中，性能核心相比上代性能提升了15%，功耗降低了40%；而效率核心則在功耗上降低了50%。

根據AnandTech的測試數據顯示，A12的CPU採用2顆Vortex 2.5GHz大核和4顆1.59GHz Tempest小核組成六核CPU。

目前主流晶片的能耗比圖示，深灰色為A12，淺灰色為A11，其他還有三星9810，驍龍845等等

根據SPECint2006基準測試數據顯示，A12在上一代設備上的表現平均比A11好24%。

單位能效比（即運算與耗電量對比）提高了12%，但是隨著內部緩存的增加，功耗也增加了，A11的平均功耗約為3.36W， A12的平均功耗為3.64W。

AnandTech的基準測試表明，A12的內核和架構改進其實比「比蘋果官方宣布的改進還深刻」，它在性能和功率上都超過了安卓陣營普遍採用的Exynos9810，驍龍845等晶片。

AnandTech表示，A12和前一代A11與桌面級產品CPU的差距之小「相當驚人」，他們還介紹了蘋果如何通過軟體調整來改善舊設備的性能。

以iPhone 6s的A9為例，CPU的最高頻率為435ms，但iOS 12的時間縮短至80ms，「大大提高了交互工作負載的性能」。

A10也做了類似的改進（從400ms的提高到210ms），但A11沒有什麼變化。

總而言之，AnandTech表示，A12是蘋果處理器的一個「大轉變」，其CPU性能提升最高可達40%。

在SPEC2006int測試中，A12的單線程性能甚至比降頻的英特爾Skylake處理器還要優秀。

GPU性能達驍龍845兩倍

去年年初，Imagination曾公開表示，蘋果計劃在15至24個月內不再在新產品中使用其智慧財產權。

於是，在去年蘋果A11推出之時，就有報導稱A11的GPU是蘋果自研的。

但是實際上，其似乎仍然是基於Imagination的IP定製的。

因為它的內核設計與之前Imagination的Rogue非常相似。

另外，A12的GPU仍支持PVRTC（PowerVR紋理壓縮），一種專有格式，意味著GPU仍有可能與Imagination的IP相關聯。

而現在，時間已經過去了超過15個月，Imagination也已經被中資收購。

所以A12將有望採用蘋果自主研發的GPU。

圖片來源：TechInsights Apple A12 Die Shot，ChipRebel Apple A11 Die Shot

不過，型號為G11P的A12 GPU（主頻超過1.1GHz）仍然與去年的A11 GPU有一些非常明顯的類似之處，其內部各個功能塊似乎在很大程度上位於相同的位置並以類似的方式構造。

AnandTech表示，蘋果在A12 GPU上取得的最大進步是它現在支持內存壓縮，僅此一點就可以顯著提升性能。

在桌面領域，像Nvidia和AMD的GPU早已經支持這項技術很多年了，即使面對不增加內存帶寬的情況下，它也能夠提升GPU的性能。

同樣，智慧型手機的GPU也需要內存壓縮，這不僅是因為移動SoC上的帶寬有限，更重要的是因為與高帶寬要求相關的功耗降低。

例如，Arm的AFBC（幀緩存壓縮技術）技術一直是業內經常提及的一項技術，同樣高通甚至Imagination等其他廠商也都有自己的相關技術。

所以，得益於支持內存壓縮，7nm工藝的加持以及增加了一個GPU內核，A12的GPU性能也確實得到了大幅的提升。

根據蘋果公布的數據顯示，蘋果A12內置了4核心的GPU，其性能相比上代（A11為3核心GPU）大幅提升了50%。

在GPU性能測試方面，AnandTech採用了GFXBench Aztec Ruins場景為測試基準（2K分辨），在高特效下，可以看到，A12 GPU的峰值性能比上一代的A11高出了61%，是高通驍龍845的GPU性能的兩倍，更是秒殺基於麒麟970的華為P20系列。

小結：

從上的介紹，我們不難發現，相對於之前的A11來說，A12確實有了非常多的改進：不僅重新設計了系統緩存（被AnandTech稱之為「自A7引入以來最大的變化」），對CPU核心也進行了顯著改進，GPU開始支持內存壓縮，同時還對NPU進行了重大升級改造，所有這些都帶來了令人印象深刻的性能改進。

編輯：芯智訊-浪客劍

註：圖片源自AnandTech、TechInsights