Apple最新A15芯片性能提升的背后

几周前，Apple发布了iPhone 13，搭载了最新的A15芯片。但Apple对A15的宣传有点奇怪，主要是因为Apple没有将A15与A14之间进行任何代际比较，而只进行了竞品的简单对比，虽然Apple这样做并非罕见，但在今年的iPhone发布会上，这一点似乎比往常更突出。

我们看一下A15的几个具体细节，CPU采用了新的设计、更快的Neural Engine，新的4核/5核GPU、新的display engine和video encoder/decoder，还有新的ISP用于提高相机质量。

在CPU方面，改进是非常模糊的，苹果称比竞争对手快50%。而GPU性能指标也是类似的论调，4核GPU比竞争对手快30%，而5核快50%。国外媒体已对A15进行了初步测试，我们来看下A15的确切性能和效率指标。

频率提升：3.24GHz性能核、2.0GHz能效核

我们从CPU开始。新的A15采用了两种新的CPU微架构，既包括性能核，也包括能效核。关于新内核性能的前几份报告主要是围绕频率展开的，我们现在可以在测试结果中证实这一点。

与A14相比，新的A15将两个性能核的单核频率峰值提高了8%，达到了3240MHz，而上一代的频率为2998MHz。当两个性能核都处于活动状态时，它们的工作频率实际上提升了10%，与上一代的2890MHz相比，现在都以3180MHz运行。

总的来说，Apple在这里的频率提升是相当激进的，因为要改善频率设计是相当困难的，特别是当我们对新工艺节点方面的主要性能提升没有期待的时候。A15应该是在TSMC的N5P节点上制造的，尽管两家公司都没有真正披露设计的确切细节。TSMC宣称频率比N5增加了5%，因此Apple的频率设计如果超越了N5就意味着功耗的增加，当我们深入研究CPU的功率特性时，要记住这一点。

A15的能效核现在能够达到2016MHz，比A14增加了10.5%。这里的频率是独立于性能核的，就像集群中的线程数量不会影响到其他集群，反之亦然。Apple对这一代的小内核做了一些更有趣的改变，稍后会讲到。

巨大的cache：性能核L2达到12MB，SLC达到32MBApple在发布会上透露的一个更直接的技术细节是，与A14相比，A15现在的系统cache是A14的两倍。两年前，我们知道A13的新SLC从A12的8MB增加到16MB，这个大小在A14也维持没变。Apple声称他们已经将其增加了一倍，这意味着在A15中是32MB。

在对A15的延迟测试中，我们现在确实可以确认，SLC现在已经翻倍到32MB，进一步推动了内存深度达到DRAM。Apple的SLC可能是该芯片能效的一个关键因素，它能在同一硅片上进行内存访问，而不是转到速度更慢、能效更低的DRAM上。我们已经看到更多的SoC供应商采用了这些类型的末级缓存，但是在32MB的容量上，新的A15使竞争对手相形见绌，比如Snapdragon 888上的3MB SLC或Exynos 2100大约6-8MB的SLC。

Apple没有透露的是，性能核的L2 cache缓存也有变化，现在已经从8MB增加到12MB，增加了50%。这实际上与Apple M1的L2 cache大小相同，只是这次它只为2个性能核服务，而不是4个。访问延迟似乎已经从A14的16个周期上提高到了A15的18个周期。在性能核上，我也看到了L1速度的一些变化，因为它似乎能够对cache line行进行1个周期的访问，只要它们在同一个页面，A14上的相同类型的访问需要3个周期。

12MB的L2也是巨大的，与其他设计如Snapdragon 888的L3+L2的组合（4+1+3x0.5=6.5MB）相比，高出了一倍。看来Apple在今年这一代SoC中投入了大量的SRAM。

今年的能效核似乎没有改变cache的大小，仍然是64KB的L1D和4MB的共享L2，但我们看到Apple已经将L2 TLB（Translation Look-aside Buffer）增加到2048项，现在覆盖了32MB，可能是为了优化SLC访问延迟。有趣的是，Apple今年让能效核有更快的DRAM访问，现在的延迟约为130ns，而A14的延迟为+215ns。

CPU微架构的变化：一个缓慢的年份？

今年的CPU微架构没什么惊喜。今年早些时候，Arm宣布了新的Armv9 ISA，主要由新的SVE2 SIMD指令集定义，以及该公司新架构下的新Cortex系列CPU IP。早在2013年，Apple就率先在市场上推出Armv8 CPU，这是第一个具有64位功能的移动设计。鉴于这种情况，一般可能预计今年这一代产品也会引入v9，但A15似乎不是这种情况。

从微架构上看，A15的性能核似乎与去年的设计没太大区别。虽然还未查看设计的每个角落，但至少处理器的后端与A14性能核心相比，在吞吐量和延迟方面是相同的。

能效核有更多的变化，除了一些内存子系统TLB的变化外，新的能效核现在增加了一个额外的整数ALU（Arithmetic and Logic Unit），总数从之前的3个增加到4个。其实一直以来该内核无论如何都不能被称为是“小核”，而且今年似乎增长得更多。

Apple今年的微架构变化更加温和的可能原因是几个因素的叠加。苹果已经失去了大核的首席架构师和部分设计团队，2019年转投了Nuvia（今年早些时候被Qualcomm收购）。向Armv9的转变可能也意味着在设计上需要做更多的工作，而疫情可能也导致了这部分进展的并不顺利。我们需要再等到明年的A16，才能真正确定苹果的设计节奏是否已经放缓，或者这仅仅是一个小滑坡，又或者仅仅是在下一个微架构的更大变化之前的一个沉寂。

当然，这里的基调描绘了A15的CPU相当保守的改进，但从性能和效率上来看，就不是这样了。

[参考文章]

The Apple A15 SoC Performance Review: Faster & More Efficient — Andrei Frumusanu