苹果A系列处理器的设计技术细节揭密

5S和iPad 5的传闻已经流传。还不算太过份，但确实都在传。这两款机很有可能会分别采用A7和A7X处理器。这意味着，除非苹果不再设计定制化的芯片，而选择英特尔的产品。这不是我们的假设，但也有人这样说，即使是在华尔街。

在去年11月底，RBC资本市场的分析师道格·弗里德曼称，如果苹果的iPad改为采用英特尔的处理器，英特尔将会为苹果代工生产苹果的处理器。他甚至还建议，苹果自己设计的应用处理器只是暂时凑合着用，直到有有更好的芯片出现。现在来看看苹果的“A系列处理器”，想想这些产品的演进，再掂量一下苹果的半导体设计的证据，这就看上去是完美的注脚。

在我们的假设走得太远之前，我们再来考虑一下A6和A6X处理器。A6随着iPhone 5同时发布，这完全就是在所有iPhone与A系列处理器的传闻和猜想之中。

然而，在大约40多日以前，随着iPad 4一起出现的A6X则完全出乎了人们的意料。像是半路杀出了个程咬金，至今都让预言家迷茫。

Chipworks首先发布了A6和A6X的芯片裸晶图片，下面还有我们的解释。两款芯片最让人意外的一个特点是：它们都是自产自销。进一步说，它是一个客制化的设计，版图设计都是人手定做，而不是采用通用的自动化的“place and route” 的方法。在关于A6的讨论中，ChipWorks是这样说的：

“这样设计是更加昂贵且更费时间的。然而，它能产出更快的最高时钟频率，并且有时会有更高的芯片密度。”

他们还说：“事实上，除了英特尔的CPU，这是我们在近几年中看到的最先定制布局的数字内核之一。”

苹果对于他们的设计能力非常严肃，并且作了很多的投资，这一点无可置疑。所以，如果不考虑他们客制化设计的原因，下面这个假设就非常可靠：苹果当它在等待英特尔处理器的时候，它就不会生产芯片。

 

 

Chipworks在11月份第一次关于A6X处理器的讨论中，提供了一些A6和A6X的对比数据。A6X的芯片面积是124平方毫米，比A6的96.7平方毫米大了28%。

两款处理器的CPU都是占了15平方毫米，A6的三核GPU占了16平方毫米，而A6X处理器的四核CPU占了35平方毫米。

从上面的数字显示，很可能的是在这多出的19平方毫米中，这个A6X多出的GPU占了大给10平方毫米的面积。看上去好像没有这么多，但它实际的面积要比单个的GPU面积要大一些。

以这个额外面积来计算，我们愿意相信Chipworks所说的A6X将SDRAM的接口宽度加倍了，并且还加入了一些新的接口模块。他们还看到A6X中少数几个PLL占到了几个平方毫米。

此消就彼涨。问题是要看是否还有其它的不同。再看一看A系列家族处理器的演进吧。这张苹果芯片的家谱图应该能说明一些问题。

 

 

上面是一张A系列家族树图。从2010年的A4处理器开始，到之前几个月刚发布的A6X结束，总共合计有5款处理器。每个AP的基本信息，包括了它是在哪个产品中发布的，它的尺寸和面积。在过去的三年中，产品树上发生了两大演进。第一是原来的芯片家族被分支发展成两个不同的AP线。其次是工艺从原来的45纳米进化到目前的32纳米工艺。两点都会有更详细的考虑。

“X”命名在第5代处理器于2012年3月发布进开始采用。A5X相双A5，它的晶圆尺寸增长了35%。从实际数据来看，这些增加的尺寸中至少包括了CPU加倍在内。

图像处理能力对比上，从iPad 2到iPad 3，以像素处理数目对比，两者相差了4倍。

分支发展的更多的证据是A系列芯片中除CPU和GPU之外的数字模块的数量。在A5中有12个，在A5X中则有15个。

在第6代的A系列处理器中，分支发展又是什么呢?

正如前面所指出的是，A6X与A6不同是的是GPU的不同。我们还知道这两块芯片的布线、接口和PLL的不同之处。接下来看一看CPU与GPU之外的数字模块吧。

两款处理器中的数字模块中有很多是相同的。这里再次参考一下Chipworks的A6X的文章：“除CPU外，看上去所有其它的数字核都有新的布线”， 并且“很多模拟和接口核都从A6中复用到了A6X中，然后这里还是有很多新的接口模块。”

但在晶圆了除中数字模块就没有其它的吗?我们没有看到对此的评论。他们真的提到过A6X有相当多的新的设计，而不仅仅是一个调整。然而，很有试想一下会很有意思，是不是已经有证据显示，这里面有不同的数字模块的设计调整，而不仅是布线的变化?

请看一下晶圆的照片，A6和A6X分别有17和16个除CPU和GPU之外的数字模块。

可以肯定的是，两块芯片中都会有相同的模块。首先要注意到的是，A6和A6X的模块形状就有很大的区别。很显然的是，芯片的平面布局取决于几个最大的模块的数量和位置(在A6X中还有一个额外的GPU)，留给小模块的就是要剩下的空间中找合适的位置。如果不打算考虑最小化重新定义芯片外观去适应主要的架构上的变化的任务，只靠复制和粘贴也是不能实现平面布局的。

当然还会有除了CPU和GPU之外的不同点。上面说过数字模块的数量就不相同。

如果想做又有相关的预算，硬核的反向工程是可能的。除了反向工程，找不同的问题还可以采用两个方法。例如，一是从质量分析模块中的缓存数量。采用这种方法，在A6的晶圆照片上这个被标记为“B”的模块就没有出现在A6X中，即使考虑到了布线的不同。

你也可以从数量上分析，但不需要一个大的反向工程的项目。在下面A6和A6X中最容易辨识的五个数字模块中，四个模块的面积比A6中要么大或者小8至10个百分比。这个区别是在于测量误差中的较大值(我们参考的CW出版的晶圆尺寸和在网站上发布的联合图片文件的精度)，因此相信这说明这些模块中有一些较小的变化。第五个模块看上去就差别非常大。A6X版的这个数字模块是A6版的3倍。

暂时再回到一个处理器内核，在A6X中有4个GPU内核，A6中有3个(Chipworks声称)。每个内核的设计也是大不相同。

A6的GPU的内核比A6X要大58%。在GPU内核中，会有一个专门的解码器，或是处理一个GPU负载平衡的部分，A6X这一块的晶圆面积就要大了近两倍。

 

 

第二个主要的演变就是从45纳米的工艺演进到32纳米的工艺。A5是采用了两种工艺，在2012年初或是11年末，A5采用了32纳米。由于采用到更小的工艺，因此直接在几何面积上的比较晶圆的裸片上的模块大小，并不能算是很科学，所以我们都将晶圆和模块对比换算成32纳米的。结果如下面表格所示。

 

 

从表格中看出几点。一是换算成32纳米的话，两个处理器的晶圆面积都在增长。

A6处理器在2012年9月发布，相比A5要小22%。以硅面积来算是正确的，但如果抛去工艺的缩小来看，事实上它还大了“36%”。同样，A6X比它的5系兄弟也大了29%。

晶体管的数量也多了不少。从晶圆裸片看，拥有定制化的内核的A6处理器的CPU大了50%。另一方面，GPU的面积也增加了。

由于iPad 4维持了与iPad 3一致的310万显示像素，因此在A6X中有提升图像处理能力的空间。因此，在A6X的GPU增加的39%的面积可以不用来处理更多的像素，而只需要提供更好的效果。

苹果的设计成就怎么样?

当我们第一次在2010年发表A4的文章时，我们发现它与三星的设计有很多共同之处。在A5于2011年末发布时，我们认为是有很大的进步，并且预计到苹果在掌握了IC设计和OS后，他们定制化的路会越走越宽。

关于A6/A6X最意外的是苹果采用了双核的ARM内核。其次恐怕是不断地在A系列芯片中增加“电路”。总结就是，苹果A系列的芯片已经成为比较像电路设计，并且会持续下去。没有其它了。

其它的想法

首先，很想知道芯片的晶圆尺寸会增加到哪里去。

随着过去两代10.1寸的iPad的像素都稳定下来，增加的芯片能力将会用来提升性能，而不是处理更多的像素。

其次，很想知道芯片中的模块会如何变化，收购的Anobit或是Authentec公司的IP很可能会出现在将来的设计中。

最后一点，也是一个很大的问题：苹果会不会自己设计GPU?很明了，GPU所占的硅片越来越多，无论是看整个的A系列还是在某个分支之内。基于他们在客制化CPU的设计动向，这一点很可能已经在考虑之中了。问题是能够有足够的工程设计资源或是图像处理的IP资源，当然这个问题最好是留到下次再说。