从芯片功能分析角度看苹果A5与A4及未来A系列处理器的发展路线
发布时间：2011-4-14 00:27
发布者：1770309616
苹果公司的iPad2刚刚公布才不到一个月时间。人们对这款新上市产品的分析已经是铺天盖地，从smartcover里面内嵌磁铁的设计，到A5处理器的核心布置图等等就已经在产品正式发布上市后几天之内公诸于世。而在轰轰烈烈的第一轮iPad2解密潮结束之后，恐怕新一轮iPad5的详细电路分析也已经在出台的准备过程中。
一年前，当苹果A4处理器面世的时候，人们同样对这款产品进行了分析，当时，人们是怀着对苹果能在刚刚收购了PA Semi公司不久的条件下，只花如此短的时间就推出A4处理器而感到敬佩不已的心情，对这款产品来进行分析。而到iPad2的A5处理器，情况则有所不同，时间已经又过了一年了。 那么，苹果A5处理器的初步分析结果究竟如何？它能够达到人们所预期的水平吗？ 回顾A5的“前辈”A4: 2010年1月27日，苹果首度公开了有关iPad和A4处理器的演示文件，前者早已成为人们关注的热点，而后者却在暗中积攒能量。 2010年里，A4开始出现在iPhone4，iPod Touch和Apple TV等产品上。尽管iPad的成功并非主要仰仗A4，但A4的表现也还算到位。毫无疑问，当时A4已经成为苹果采用iOS系统的各种设备的核心部件，也是苹果赚钱机器中的重要一环。 尽管在消费电子市场，不少消费者们已经被苹果的产品搅得意乱情迷。不过这一次我们准备从半导体市场和技术的角度来分析一下苹果的A4和A5处理器。尽管从实力和资历上讲，现在就把A4/A5与其它半导体市场上的处理器产品相提并论似乎还为时过早，但由于这两款产品的高产量和高额利润，其它的半导体公司其实也已经开始重视苹果的A系列处理器产品。 当年A4处理器公布的时候，人们最关心的问题是这款处理器的设计工作有多少是真正由其收购的设计团队，特别是PA Semi的那一帮人马，来完成的？尽管当时有关这个问题有许多的传言，但我们希望找到一些实际的证据。为此，我们将自己和其它几家分析机构对A4芯片显微分析的结果综合在一起，给出了我们自己的判断。 我们认为，A4处理器中应该有采用苹果收购的Intrinsity公司的芯片设计技术。另外我们还发现A4在功能电路的分块设计上与三星的S5PC110的风格非常相似。从这点上看，苹果的A4处理器并非人们所想象的那样是由苹果自主设计而来，实际上，A4中仅有两个电路功能模块与三星的S5PC110有区别，可见A4处理器很可能采用了别家公司的芯片设计技术。 而A5理应有所不同，毕竟留给苹果的开发时间相比之下更多了，而且三星也已经准备在自己的Galaxy 10.1产品上转向使用Nvidia的Tegra2芯片。 苹果A5与A4在芯片内部结构上的区别： 通过对苹果A5处理器初步的芯片显微分析，我们发现A5主要有两方面的特性值得注意。首先，A5的核心面积要比A4大了不少。UBM Techinsights 和Chipworks两大分析机构都得出A5的核心面积达到12.1X10.1mm=122平方毫米的结论。相比A4的53平方毫米，其面积增加到了A4的2.3倍。 我们来看一看A4/A5的核心布置图，考虑一下是什么导致了A5面积的极大增加。这里我们采用的是Chipworks的核心布置图，图中可见，A5中集成的两个ARM核心占去了A5总面积的14%左右，这个比例与ARM单核心在A4中占取的面积比例是大致相似的。 那么GPU部分如何？Chipworks给出的布置图中并没有明确给出GPU功能模块的位置。不过，考虑到GPU核心的本质，它应该是内含大量缓存电路，而且占地面积较大的一个模块。那么图中的4号逻辑模块（Logic core4）显然比较符合这个条件，这个模块是除了ARM核心模块和5号逻辑模块之外最大的一个模块。不过同时我们也应该注意到4号逻辑模块的尺寸和内部结构基本相似。但为了讨论方便，姑且假设4号逻辑模块就是我们关心的GPU模块。从占地面积来看，如果我们将CPU和GPU模块加在一起，将占去8平方毫米的面积，剩下的41平方毫米则留给其它如数据处理模块，模拟功能模块以及输入输出模块等部分。 至于A5处理器，我们目前也同样没有看到有哪一家分析机构在其芯片核心布置图上明确标出GPU模块的位置，因此我们必须自己进行分析和推测。从芯片图中可见，一共有三套由完全相同的两个对称部分组成的模块。其中一套是两个对称的ARM CPU核心，另外两套套则是2X2个被标记成“Processor Data Path（Datapath即处理器内部负责进行数学运算等数据处理的功能单元）”的部分.其它的几个模块则没有出现对称的布局形式。另外，由于双核系统必须使用仲裁器件来分派两个核心的资源使用，因此“Data Logic Blocks”模块的作用便不言而喻了。 然而，我们已经知道A5使用了双GPU核心的设计，那么为什么在核心图片中却找不到第四套对称布置的模块呢？我们猜测A5的两个GPU核心应该是被集成在了”ARM Core“或者“Processor Data Path“的内部。这样，CPU+GPU部分应该占到了A5核心总面积的40%即47平方毫米，还剩下75平方毫米的空间。 A5第二个值得注意的特性是其与A4处理器一样都是采用三星的45nm制程技术制作的。制程技术上的相对固定，令我们比较A4与A5区别的工作变得简单，由于采用同样的制程技术，因此核心中的模拟电路模块部分几乎没有发生变化。 这样，从A5芯片中对WiFi和音频模块的标记上，我们就可以类推出在A4核心中没有明确标出的WiFi和音频模块的位置，两者几乎没有任何区别。最后，为了讨论的方便，我们假设A4中除ARM Core和GPU之外的IP核技术同样在A5中沿用（即除了ARM Core，Datapath，GPU，WIFI,音频模块之外的其它模块所采用的设计技术基本相同），并忽略掉I/O模块和这些IP核模块在面积上的区别。我们可以看出A4中这些模块占用的面积是34平方毫米，即总面积的64%，再加上A5核心中已经确认身份的Digital Logic Block部分。尽管以上的分析部分基于假设，但已经可以看出A4与A5芯片的区别之处。 可见，A4到A5的升级所致的核心面积增长，并不仅仅是由于CPU/GPU/资源仲裁逻辑模块部分的面积增加。简单计算一下A5和A4中其它模块的数量便可以得到同样的结论。在A4中，除了CPU+GPU的部分之外，尚有9个其它的功能模块，而到A5中，这个数字增加到了12个。尽管目前还无法确定A5和A4中这些模块的功能是否相似，但它们很有可能是采用了同样的IP核设计。不过，仔细观察这些模块内部的存储阵列布置方式，我们可以看出A4与A5的这些模块内部结构还是有所区别的。特别是A4核心中的第6号逻辑模块，该模块所在的区域中似乎全部都是由逻辑器件组成，而并没有出现存储器件。而在A5中则不存在类似的模块。总结以上的对比结果，我们可以看出，A5与A4相比并不仅仅是升级了CPU/GPU模块的简单区别，而且在其它模块的数量和结构等方面也进行了改进和变动。 现在我们再从苹果的角度来看看从A4到A5他们将采取什么样的升级策略。我们现在已经知道A5中除了CPU+GPU+仲裁逻辑模块，以及内存控制模块，输入输出模块之外还增加了其它的模块。那么这些模块的作用又会是什么呢？ 再次回顾A4处理器： 2008年四月份，苹果收购了PA Semi公司，自那以后，苹果多次在公开场合宣称此举是为了”进一步提升苹果的产品与竞争对手的差异化“。较近的一个例子是苹果高管Tim Cook曾在苹果公司2011年第一财季营收会议上称：”从我们的设计观点来看，我们会把设计的着力点放在那些我们自信完全可以超越市场上其它产品的产品上。最近的一个例子就是A4处理器。不过有关A4，我们并不认为我们必须投资兴建能生产这种芯片的芯片工厂，因为我们在市场上还可以选择相对更优秀的芯片代工方案，但我们认为购买芯片设计的专利并不是个好主意，因此我们决定把重点放在芯片的自行设计上。“ 那么。苹果在A4上是不是真的在按照Tim Cook的这番说辞去做的呢？从设计时长和实际的芯片显微分析结果上看，A4的实际情况显然并非如此。A4的许多部分与三星的S5PC110芯片非常类似，仅有两个模拟功能模块与后者有所区别。可见A4与三星的S5PC110并没有很大的区别，不过最近有另一篇文章提到A4处理器中可能内置了视频解码硬加速模块。 假如A4中真的如这篇文章所说加入了视频解码硬件加速模块，那么有心的读者可能会想到，这与苹果严格禁止Flash软件出现在其iOS平台设备上的做法是否有一定的联系？但是不要忘记，这里所说的视频解码硬件加速模块很有可能是A4中未标明的Logic core之一，那么就意味着也许三星S5PC110中本来就有这么一个模块，而并不是苹果后来才增加的。最后，A4与其它的Soc产品是否有明显的区别？从我们上面的分析结果已经可以看出，答案显然是否定的。 由此可见，苹果在A4处理器上采用的是谨慎小心且相当保守的设计思路，毕竟其主体iPad平台所起到的作用对苹果而言是十分关键的，而且同时还背负了很大的风险。 由此可见，iOS平台上各种产品的成功并不是由于A4的缘故，A4本身并不是什么超凡脱俗之物，况且同样采用了A4的Apple TV也未见的有什么建树。相反，导致这些产品成功的因素主要是市场策略，产品总体设计，系统部件设计，功能集成设计以及也许是最重要的环节--软件的设计。 A5的差异化之路在何方？ 这样，苹果要在A5上实现自己”进一步产品差异化“的承诺，至少有两条路可走。首先是购买芯片设计专利的授权，然后再以其为基础加入一些自己设计的功能模块。A5核心中CPU/GPU部分都应用了其它公司的专利授权设计，为了实现差异化，苹果有可能在这些模块中加入额外的视频增强功能模块，或者为CPU部分加入NEON SIMD指令集扩展支持等等，不过本文的目的并不在于辨别出A5中究竟加入了哪些自行设计的特殊模块。 第二，苹果已经形成了一套完整的iOS平台产品线，他们手中的王牌之一是功能集成化设计。虽然具体的实现上需要依靠第三方零部件厂商来代工制造这些元件，但是苹果在产品功能整合方面的设计实力是很强的。而他们完全可以利用这个优势来增强自己的竞争优势。 而如果要充分发挥这些集成功能上的优势，最有效的方法就是为这些独特的功能设计专用集成电路，而不是采用通用型处理器如ARM核心等来负责处理和实现这些功能。尽管这样做对软件兼容性没有好处，但使用专用硬件却可以在处理速度和省电性能上做到最佳。 如此，在A5中苹果完全有可能去掉以往一些需要用软件形式通过ARM Core运行的软件功能，改用自己设计的硬件逻辑模块来处理这些特殊功能。 总结: 总而言之，A5处理器的设计思路应该是相当大胆的。除去双核CPU+双核GPU之外，他们还向A5中加入了另外的专用逻辑电路实现对功能集成的支持，从而令自己的功能集成方面的优势得以进一步发挥。可以预计，在A系列处理器后续产品的设计中，苹果还将继续沿专用逻辑电路模块设计的路线走下去。 |
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