苹果iPhone性能为何逆天强？A系列芯片了解一下

今年9月，苹果如期发布了iPhone13系列，他们身上有着不少让竞争对手难以企及的闪光点：比如iPhone13ProMax凭着比很多安卓旗舰还要小的电池容量，却实现了鹤立鸡群般的续航成绩，此前能做到这种表现的，也只有一部分大电池且性能较低的中端机型；而且iPhone13系列在性能足够强大到在驯服《原神》的同时，还实现比较理想的温控水平，最后《原神》官方还特意为iPhone13Pro系列开放了120帧的选项，其性能之逆天可见一斑。

苹果iPhone13系列能取得如此出色的表现背后，得归功于其所搭载的A15处理器，苹果宣称A15处理器要比其他安卓手机快50%或以上，相比于自家去年的A14处理器，A15除了架构和规模方面的升级以外，还有一个易被人所忽略的点就是A15处理器在制程工艺方面的进步，尽管A14和A15采用了看似一样的台积电5nm工艺，可是A15却采用的是台积电最新的N5P工艺，性能相较此前的N5工艺提升了7%，功耗也下降了15%，和一众搭载三星5nm工艺旗舰处理器的安卓手机来说，台积电的工艺所带来的优势不言而喻。

不少朋友可能会觉得疑惑，为什么苹果A系列处理器会这么强呢？答案是，苹果A系列处理器之所以能领先安卓阵营一两代，一方面是因为苹果强大的芯片设计能力，而另一方面则是苹果始终都在用最新最先进的芯片制程工艺，可以说，苹果A系列处理器的发展史，就是浓缩的芯片制程工艺进步史，接下来不妨让我们一起来回顾一下吧。

2010年前是诺基亚最后的辉煌时期，此时苹果的iPhone一代、iPhone3G以及iPhone3GS一直都是用的三星所研发生产的处理器，比如3GS就是采用的是三星的S5PC100处理器。或许是出于减少对三星的依赖考量（毕竟双方正逐步在手机市场上成为竞争对手），苹果也组建了自己的处理器设计研发团队。

从魔改到自研

苹果的小试牛刀是2010年跟着iPhone4一起发布的A4处理器，该芯片采用了一颗定制的三星45nm制程800MHzARMCortex-A8的单核心处理器，GPU为PowerVRSGX535，摒弃了iPhone4或iPad所不需要的模块，L2的缓存加大到640KB，其在同等频率下性能表现好于三星S5PC110。但即便如此，由于A4处理器上还有不少三星的影子，仍然不能算是苹果真正自主研发的产物。

2011年的iPhone4s是乔布斯的遗作，其搭载的A5处理器也同样具有特殊意义，它是第一款苹果设计的双核处理器芯片，虽然采用了和上一代一样的三星45nm制程工艺，但它的变化远不止是增加了一颗核心那么简单，它的处理器架构是脱胎于上一代的Cortex-A8平台的新架构——Cortex-A9，拥有更高的计算能力和更低的功耗。GPU部分则搭载了PowerVRSGX543+，图形性能提升明显。当时苹果号称该处理器CPU性能是初代iPad的两倍，GPU是初代的9倍，A5X是其性能的加强版，图形处理器采用的是四核心，用于第三代iPad，图形处理能力为iPad2上的两倍。

2012年发布的A6处理器由苹果旗下的子公司Intrinsity设计、三星代工制造，采用了独特自研架构设计，性能介于Cortex-A9和Cortex-A5之间，基于32纳米HKMG工艺打造，具有能动态调整CPU电压/频率特性，GPU集成的是一颗三核心的PowerVRSGX543MP3图形处理单元，性能是上一年A5的两倍多。

A6处理器横空出世的时候，苹果iPhone手机就已经是傲视群雄的存在了，当时搭载A6处理器的iPhone5在跑分榜上就将不少采用四核处理器的安卓机皇踩在脚下，苹果也向世人证明了一款处理器性能如何并不能只看它的核心数量。

进入64位处理器时代

iPhone5s对于苹果而言是一个新的高度，除了开创手机指纹识别的先河，其搭载的A7处理器也为手机处理器打开了64位时代的大门，这款芯片无疑有着巨大的跨时代意义。

A7采用的是全新的64位设计，采用了三星28nm制程工艺打造，使用了Arm-v864位指令集以及自家的Cyclone架构，主频为1.3GHz。A7处理器的性能比iPhone5上的A6快2倍，是初代iPhone上使用的处理器的40倍，图形能力是初代的56倍，它的理论性能比肩当时的Xbox360和PS3。此外，从A7开始苹果为旗下处理器配备低功耗协处理器M系列，专门负责计算手机的各项传感器数据，并且可以保持极低的功耗。

而此后A8，A9，A10这几代则是进一步提升核心数和制程工艺，性能也节节攀升，从20nm到16nm，苹果也在这几年在台积电和三星之间反复横跳，值得一提的是，A9和此前产品相比最特别的就在于当时苹果实行的双代工厂战略，A9的代工订单同时交给三星和台积电两家公司分别进行，但是因为三星是14nm，台积电是16nm，两种工艺制作出来的芯片存在明显差异，台积电代工版本在能效发热的表现更好，这在当年还引起过轩然大波。或许正因为如此，苹果在第二年发布的A10处理器上，便全部更换为台积电代工，以免出现A9处理器上那种尴尬局面。

Bionic（仿生）的到来

时间来到2017年，这是iPhone发布的第十个年头，这一年对苹果来说，无论是A系列处理器还是iPhone都进入下一个时代。iPhone8为之前的iPhone设计语言画上完美的句号，而全新的iPhoneX则开启了全面屏及FaceID的新时代。

那年的A11Bionic堪称性能怪兽。A11采用台积电当时最先进的10nm工艺制程，拥有43亿个晶体管，采用六核心的设计，大核性能相比A10提升25%，4颗小核相较A10提升70%，多性能处理提升75%；搭载的GPU是苹果自研的三核心GPU，性能较A10性能提升30%，而功耗则降低了50%，此外，A11首次搭载双核神经网络引擎，每秒运算次数高达6000亿次，主要胜任机器学习任务，能够识别人物，地点和物体，最典型的应用便是其首次推出的FaceID及其衍生功能动画表情。

对于苹果来说，A11处理器更有意义地方在于其是苹果当时自主程度最高的一代A系列处理器，当中包括自研CPU，自研GPU，自研ISP，自研解码器等等，当然还包括神经网络引擎，也是从那一年开始，几乎所有手机厂商都把AI运算能力当做宣发PPT的主打页面，AI时代就此开启。

A12Bionic处理器是业界首款7nm芯片，它仍然是基于苹果自研的Fusion架构打造，根据苹果给出的数据显示，2个大核提升15%，4个小核功耗表现提升50%。该处理器在GPU部分采用新一代自研芯片，核心数升至四核，官方宣称性能提升50%，而升级幅度最大的莫过于神经网络引擎，从双核飙升至八核，能够实现每秒50000亿次计算。

苹果A13处理器采用的是台积电第二代7nm工艺，专为高性能和低功耗而量身定制，塞下了85亿个晶体管，其CPU部分由两个大核和四个小核组成，相比于前代，两个性能核心速度最高可提升20%，能耗最多可降低30%，四个能效核心速度提升了20%，而能耗方面则降低了25%之多。

而GPU部分，苹果表示它针对Metal框架进行了优化，拥有四个内核，性能提升了20%，功耗比上代低了40%；配备八个神经网络引擎，大家可以理解为NPU之类的东西，性能较上代提升了20%，能耗降低15%，它为三摄系统、FaceID与AR类APP提供强大的性能支援。非常适合高性能游戏和最新的增强现实体验。

去年发布苹果iPhone 12系列的A14仿生处理器是全世界首款批量生产的5nm处理器，集成了118亿个晶体管。区别于前代7nm的升级，此次的5nm制程工艺是一次大跨越。A14芯片在整个过程中应用了极紫外(EUV)光刻技术，晶体管密度较7nm芯片提高80%，相同功率下运行速度可以提高15%性能、同性能下则可降低30%的功耗。

规格方面，CPU部分选用了六核心设计，包括两颗大核心以及四颗小核心，官方宣称性能提高幅度高达40%。

GPU部分则采用了苹果全新的架构设计，依然是四核心，性能却提高了30%。

神经网络引擎方面本次也从8核心升级到了16核心，AI运算能力提升到了11.8万亿次，号称机器学习能力提升70%，运算速度提高10倍。

此外，A14 Bionic在ISP、安全功能、ML主控等方面也进行了升级。

从性能跑分上看，A15处理器有着数十倍A4处理器的水平，而这也不过是10年的光景，芯片制程工艺也从最初的45nm进化到了如今的5nm，这其中除了苹果日益精湛的芯片设计能力外，我们还得知道，为了尽可能地实现摩尔定律，半导体行业的科研人员们也付出了无数个日夜的努力，才能在指甲盖大小的芯片里塞下更多的晶体管。

正如稻盛和夫说的那样，“要想成就伟大的事业，除了脚踏实地的努力，别无他法。”当下我们的科技发展亦是如此。