A11晶元：無敵CPU 定製GPU AI神經引擎

CPU秒殺同級ARM架構晶元，GPU自主設計威力大，AI是未來，但別只看野獸表面，看蘋果過人的生態鏈！

9 月 13 日凌晨，蘋果在秋季發布會上正式推出了全新一代 iPhone 智能手機：iPhone 8、iPhone 8 Plus 和 iPhone X（發音為 iPhone 10）。這三款新設備的都搭載了全新的移動晶元，蘋果稱之為 A11 仿生（不是「Fusion」），並表示這是 iPhone 上有史以來最強大、最智能的晶元。通過發布會介紹的 A11 仿生晶元細節，不難發現蘋果自主定製晶元野心非常大，可謂雄心勃勃。並且隨著時間的推移，針對半導體晶元的定製設計越來越多，A11 達到了前所未有的高度。蘋果在發布會中的幻燈片多次出現並多次強調，A11 仿生晶元內部的 CPU、GPU、性能控制器、神經網路單元、ISP 等這些都是蘋果自己設計（Apple-designed）的。那麼，關於蘋果這枚「智能過人」的 A11 晶元，其亮點有哪些？對未來的重要影響又在哪裡呢？

自主設計的 CPU 內核：六個核心

在 A10 晶元上，蘋果推出了所謂的「Fusion」技術，CPU 採用新的四核心設計，擁有 2 個高性能核心和 2 個高能效核心。高低能效兩種內核可以根據不同的需要，來達到理想的性能與能效表現。其中高能效內核用於應付密集型的重度任務，提升處理速度保證性能。而高能效內核則應用於日常事務，低能耗運行，從而保證電池續航能力的提升，享受更長的單次充電續航時間。

最新的 A11 仿生晶元，蘋果又向前邁進了一步。這一次 A11 仿生的 CPU 採用了六核心設計，由 2 個高性能核心與 4 個高能效核心組成。相比 A10 Fusion，其中兩個性能核心的速度提升了 25%，四個能效核心的速度提升了 70%，性能與能效表現更加出眾。關鍵是，蘋果還準備了第二代性能控制器，因此可以同時發揮六個核心的全部威力，性能提升最高可達 70%，以應對多線程工作負載。對於六個 CPU 核心全部發揮性能這一點，究竟提升多大還不清楚，但至少在基準測試上，目前泄露的跑分成績相當驚人。從下面圖可以看到（10.2、10.3 和 10.5 分別對應三款新機型），A11 仿生在 Geekbench 4 的性能基準測試中，單核平均得分高達 4169，而多核得分也有 9837 將近一萬的分數，秒殺所有手機行業內同基於 ARM 授權設計的移動處理器。

對比自家，此前 A10 Fusion 的 iPhone 7 Plus 在單核模式下的得分約為 3514，在多核中則為 5970。而搭載蘋果目前最強移動晶元 A10X Fusion 的最新 12.9 英寸 iPad Pro，單核跑分的成績為 3924，多核則是 9371。若是對比 x86 平台的 2017 年款 MacBook Pro，這款搭載 3.1 GHz 英特爾Core i5 處理器的產品單核得分為 4274。當然，多核還是英特爾更強，畢竟沒有在完全負載下跑分，但至少 A11 給 x86 陣營的低電壓處理器帶來了一定的威脅。A11 仿生的 CPU 性能澎湃已毋庸置疑，不過沒有一台手機會時刻保持 CPU 多核同時高性能運行。因此，A11 仿生也會在性能核心與能效核心之間合理分配任務，智能地適當地管理任務，將輕量級的任務或後台任務交給高能效核心去處理，例如發簡訊或者瀏覽網頁，很多日常做的事情大多交給高能效內核就能完成，耗電更少。此外，蘋果還公布，A11 仿生晶元有 43 億個晶體管。這就表示，A11 相比 A10 採用了更加先進的工藝製程打造，不出意外的話將是台積電的 10 納米 FinFET 工藝製程。因為得益於新工藝，才能在既定面積之內塞進更多晶體管或先進的功能。如果 A11 晶元保持 125 平方毫米的尺寸，至少可將晶體管提高到 60 億個，不過蘋果在同一晶元區域內做了其他更多的工作。

無論如何，雖然從早期 A4 到今天 A11 晶元，蘋果無一不是基於 ARM 授權的指令集定製自主 CPU 核心，但始終能夠能保持業內最強 CPU 性能的優勢。所以，蘋果沒有理由不堅定走自主定製的道路，並且將優勢進一步擴大。過去幾年，競爭對手大多通過定製 ARM 內核並打造多核 CPU 的方式與 A 系列晶元競爭，起碼不落下風，但今年蘋果加入到多核的競爭中，性能領先優勢再次擴大，對於高通、三星、麒麟等這些對手會如何回應，令人期待。

蘋果自主設計的 GPU

之前蘋果採用一直採用來自 Imagination Technologies 公司設計的 GPU 圖形處理單元。不過，蘋果早就已經確認將放棄 PowerVR GPU，改用將自主研發 GPU 圖形晶元技術。蘋果這一舉動，直接導致 Imagination Technologies 公司在今年早些時候被迫掛牌出售。雖然 Imagination Technologies 認為在 2018 年之前蘋果無法自主設計 GPU，但是蘋果的舉動就是那麼意外。A11 仿生晶元的誕生證明了 Imagination Technologies 的推測是錯誤的。蘋果在發布會上表示，A11 仿生晶元還整合了蘋果自主設計的三核心 GPU 圖形處理單元，圖形處理速度與上一代相比最高提升可達 30% 之多。

很顯然，今年 A11 仿生晶元就能用上蘋果自主設計的 GPU，這一點的確出乎很多人的意料，因為 Imagination Technologies 不認為蘋果能夠完全避開自家的 IP 知識產權、專利和保密信息，如果蘋果從基礎完全重新設計 GPU 架構而不侵犯 IP，這絕對是一項超級艱難的挑戰。事實上，蘋果不是無情拋棄 Imagination Technologies 的 GPU，反而是過去多年時間已經做了大量鋪墊。可以說是 2013 年甚至更早，蘋果就有了打造自主 GPU 團隊的多個舉動，很多 GPU 相關的移動晶元廠商被蘋果收購，來自 IBM、AMD、飛思卡爾甚至是 Imagination Technologies 等公司的優質圖形工程師人才被蘋果搶到手。當一個 GPU 團隊組建完成，再加上自主定製 CPU 的長期經驗，相關 GPU 自主設計的工作也就順其自然展開了。所以，其實從 A8 開始蘋果就基於 Imagination Technologies 的 IP 定製 GPU，被譽為 GPU「心臟」著色器內核以及驅動都是自主完成設計。只不過到了 A11 仿生這一代晶元，蘋果才真正公布了完全自主設計的 GPU。

蘋果沒有透露太多自主設計 GPU 的細節，不過表示 A11 仿生的 GPU 圖形處理單元已針對機器學習技術、新穎的沉浸式 3D 遊戲和 AR 增強現實體驗進行了優化。其中在 AR 方面蘋果稱，A11 能發揮六核 CPU 進行全局追蹤、場景識別，GPU 圖形處理單元還能配合進行驚人的 60 fps 高速處理，同時自主定製的 ISP 圖像信號處理單元還可以實時進行光線預測，最後加上新雙攝和重新校準的感測器，讓 AR 體驗更加超乎想像的流暢體驗，且真實感達到了前所未有的新高度。A11 仿生只是蘋果第一次自主設計 GPU 的嘗試而已，雖然看起來是剛剛起步，但已經在 AR 方面發揮重大作用了，未來必然會往更重大的方向上前進。畢竟蘋果為了保持行業的差異化，多年期就開始部署自主基礎技術，圍繞處理器或感測器技術展開工作，目的是掌握更高的控制權，打造屬於自己最理想的圖形性能、創新視覺和圖形環境。

神經網路引擎

5 月份彭博社爆料蘋果內部已經開始測試神經網路引擎，甚至是在搭載新 A 系列晶元的設備中測試，當時很多推測就認為 A11 非常有可能集成神經網路引擎。事實證明，A11 仿生成為了蘋果第一枚神經網路引擎的 SoC 移動 晶元。那麼，這一神經網路引擎有什麼呢？蘋果在發布會上解釋，有一種 AI 人工智慧叫作機器學習，即讓電腦通過觀察的方式進行學習。而神經網路引擎就是專為機器學習而開發的硬體，它不僅能執行神經網路所需的高速運算，而且具有傑出的能效。簡而言之，通過神經網路引擎能夠擔 CPU 和 GPU 的任務，大幅提升晶元的運算效率，以更少的能耗更快的完成更多任務。

在 A11 仿生中，蘋果表示自家的神經網路引擎採用雙核設計，每秒運算次數最高可達 6000 億次。不過，蘋果沒有像華為那樣透露具體的浮點運算性能（當時華為麒麟 970 的 NUP 在 FP16 下提供的運算性能可以達到 1.92 TFLOPs）。蘋果表示，自家的 AI 單元主要用於勝任機器學習任務，能夠識別人物、地點和物體，為「面容 ID」和「動話表情」等創新的功能提供強大的性能。其中對於 iPhone X 的「面容 ID」，面容 ID 功能會投射 30000 多個肉眼不可見的紅外光點，然後將得到的紅外圖像和點陣圖案傳輸給神經網路，創建臉部的數學模型，再將這些數據發送至安全隔區，以確認數據是否匹配。而且，就算樣貌隨著時間而改變，它也能隨之進行調整適應。

神經網路引擎是蘋果在 A 系列晶元上的首次嘗試，雖然目前服務的範圍還很有限，更多的為 iPhone X 而設計，但未來這一 AI 單元很快會擴展到更多蘋果生態的領域當中，包括無人駕駛汽車系統、AR 增強現實技術、Apple TV 和 HomePod 音箱等，讓更多原本生硬的設備也能採用與人類同樣的方式進行交互，變得真正會思考。

A11讓蘋果有太多「過人」之處 靜等對手

在不到十年的時間裡，蘋果打造了一支世界級的晶元團隊，並且在移動行業取得了巨大的成就，這令人難以置信。儘管大多數時候我們只簡單看到了表面上的性能收益，但隨著蘋果越來越重視晶元和內部組件的定製設計和研發，除了無可比擬的性能優勢之外，特定領域的功能特徵上也形成巨大的競爭優勢。有了最好的應用生態，最好的定製級移動處理器，最受讚譽可完全掌控的操作系統，可以說蘋果的軟硬體整合能力越來越強大了。這種碾壓級的優勢很多 OME 手機製造商根本難以與之競爭，部分原因在於，首先大多數智能手機製造商起步太晚，再者很多廠商負擔不起的相關和巨額的研發支出。

因此，對於蘋果在手機行業的競爭對手而言，直接從高通這樣的晶元公司購買方案顯然更簡單，也更可取。就拿 AI 單元來說，除了蘋果和華為已有 NPU 神經網路單元之外，高通從 2014 年開始也公開了 NPU 的研發，並且在最新兩代驍龍 8xx 晶元上都有所體現，例如驍龍 835 就集成了「驍龍神經處理引擎軟體框架」，提供對定製神經網路層的支持，OEM 廠商和軟體開發商都可以基於此打造自己的神經網路單元。其實 ARM 本身早已在神經網路上發力，今年所發布的 Cortex-A75 和 Cortex-A55 都融入了 自家的 AI 神經網路 DynamIQ 技術。ARM 聲稱，通過 DynamIQ 技術在未來 3-5 年內實現比當前設備高 50 倍的人工智慧性能，可將特定硬體加速器的反應速度提升 10 倍。很顯然，AI、神經網路單元、機器學習等這些詞，今天只是開始而已。因此蘋果對手實現超車是可能辦得到的，就像華為買的寒武紀的 NPU 授權，小米的澎湃也可以去買，三星自己定製的 Exynos 完全可以基於 DynamIQ 技術，其他廠商只要採購高通晶元即可。當然，蘋果不會止步不前，而且正如前述，蘋果龐大的閉環生態鏈是其「過人」之處。更重要的是，蘋果正逐漸擁有更多核心技術，所以我們看到了自主 S 系列晶元、T 系列晶元和自主儲存控制器等，未來還會更多，持續佔據主導地位。

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