为什么苹果iPhone的性能很强？A系列芯片发展综述

今年9月，苹果如期发布了iPhone 13系列。它们有很多竞争对手无法企及的亮点:比如iPhone 13 Pro Max用比很多安卓旗舰更小的电池容量取得了出众的续航表现。之前只有一些大电池低性能的中端机型才能达到这个性能；

而且iPhone 13系列的性能强到可以驯服原神，同时也达到了理想的控温水平。最后，原神官方特意为iPhone 13 Pro系列开放了120帧的选项，性能逆天。

苹果的iPhone 13系列能取得如此优异的性能，得益于其A15处理器。苹果声称A15处理器比其他安卓手机快50%甚至更多。A15相比去年自家的A14处理器，不仅在架构和规模上有所升级，还有一个容易被忽略的点就是A15处理器在工艺技术上的进步。A14和A15虽然采用了TSMC的5nm工艺，但是A15采用了TSMC最新的N5P工艺，相比之前的N5工艺，性能提升了7%，功耗降低了15%。与许多搭载三星5nm工艺旗舰处理器的安卓手机相比，TSMC的工艺带来了明显的优势。

很多朋友可能会疑惑，为什么苹果的A系列处理器那么强？答案是苹果的A系列处理器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，另一方面是因为苹果一直采用最新最先进的芯片制造技术。可以说苹果A系列处理器的发展史就是浓缩芯片制造技术的进步史。我们一起来复习一下。

2010年之前，是诺基亚最后的辉煌时期。这个时候苹果的iPhone代、iPhone 3G、iPhone 3GS一直用的都是三星研发生产的处理器。例如，3GS使用了三星的S5PC100处理器。或许是为了减少对三星的依赖(毕竟双方正逐渐成为手机市场的竞争对手)，苹果也组建了自己的处理器设计和R&D团队。

从变魔术到自学。

苹果的迷你测试刀是2010年用iPhone 4发布的A4处理器。该芯片采用三星45nm制造的800MHz ARM Cortex-A8定制单核处理器，GPU为PowerVR SGX 535，抛弃了iPhone4或iPad不需要的模块。L2的缓存提升至640KB，性能优于同频三星S5PC110。但即便如此，由于A4处理器上仍然有很多三星的影子，所以仍然不是苹果真正自主研发的产品。

2011年的iPhone 4s是乔布斯的遗产，它的A5处理器也有着特殊的意义。它是苹果设计的第一款双核处理器芯片。虽然采用了与上一代相同的三星45nm制程工艺，但它的变化远不止是增加了一个核心。它的处理器架构是基于上一代Cortex-A8平台——Cortex -A9的全新架构，计算能力更高，成本更低。GPU部分搭载Power VR SGX 54iPhone，图形性能提升明显。当时苹果宣称处理器的CPU性能是原来iPad的2倍，GPU是原来的9倍，A5X是性能的增强版，图形处理器是四核，用于第三代iPad，图形处理能力是iPad 2的2倍。

2012年发布的A6处理器由苹果子公司Intrinsity设计，三星制造。它采用了独特的自研架构设计，性能介于Cortex-A9和Cortex-A5之间。它基于32纳米HKMG技术构建，可以动态调整CPU电压/频率。GPU集成了三核PowerVR SGX 543MP3图形处理单元，性能是上一年A5的两倍多。

A6处理器诞生的时候，苹果的iPhone手机就已经鹤立鸡群了。当时搭载A6处理器的iPhone 5在跑分榜上践踏了很多四核处理器的安卓机，苹果也向世人证明了一个处理器的性能不能只看它的核数。

进入64位处理器时代

iPhone 5s是苹果的新高度。除了开创了手机指纹识别的先河，其A7处理器也为手机处理器开启了64位时代的大门。这款芯片无疑具有巨大的跨时代意义。

A7采用全新的64位设计，采用三星28nm制程工艺打造，使用ARM-V8的64位指令集和自家的Cyclone架构，主频1.3GHz，A7处理器在iPhone 5上的性能是A6的2倍，在iPhone上是原处理器的40倍，图形能力是原处理器的56倍。其理论性能堪比当时的Xbox 360和PS3。此外，从A7开始，苹果为其处理器配备了低功耗协处理器M系列，负责计算手机的传感器数据，并能保持极低的功耗。

此后，A8、A9和A10一代进一步提高了核心数量和工艺技术，性能也从20nm不断上升到16nm。近年来，苹果在TSMC和三星之间反复跳跃。值得一提的是，A9因为当时苹果实行的双代厂策略，所以与之前的产品相比最为特殊。A9的代工订单同时给了三星和TSMC，但是因为三星是14nm，TSMC是16nm，两个工艺生产的芯片明显不一样。OEM版的TSMC在能效和产热方面表现更好，这也在当年引起轩然大波。或许正因为如此，苹果第二年发布的A10处理器全部换成了TSMC，以避免A9处理器上的尴尬局面。

仿生的到来

时间来到2017年，这是iPhone发布的第十年。今年对于苹果来说，无论是A系列处理器还是iPhone都进入了下一个时代。iPhone 8为之前的iPhone设计语言画上了一个完美的句号，而全新的iPhone X开启了全面屏和Face ID的新时代。

那一年的A11仿生是一个性能怪兽。A11采用TSMC当时最先进的10nm工艺，43亿个晶体管，六核设计。与A10相比，A11的大核性能提升了25%，四个小核提升了70%，多性能处理提升了75%。该GPU是苹果公司开发的三核GPU，与A10相比性能提高了30%，但功耗降低了50%。此外，A11首次搭载双核神经网络引擎，每秒6000亿次运算，主要胜任机器学习任务，可识别人、地、物。最典型的应用是它首次引入Face ID及其衍生的动画表情。

对于苹果来说，A11处理器更有意义，因为它是当时自主程度最高的A系列处理器，包括自研CPU、自研GPU、自研ISP、自研解码器等。当然也包括神经网络引擎。从那一年开始，几乎所有的手机厂商都把AI算力作为PPT公告的主页面，AI时代开始了。

A12仿生处理器是业界首款7nm芯片。还是基于苹果自研的Fusion架构。根据苹果给出的数据，两个大核的功耗性能提升15%，四个小核提升50%。这款处理器在GPU中使用了新一代自研芯片，核心数量增加到了四核。官方称性能提升了50%，最大的升级是神经网络引擎，从双核猛增至八核，每秒可实现5万亿次计算。

苹果A13处理器采用TSMC第二代7nm工艺，专为高性能低功耗量身定制。它有85亿个晶体管，它的CPU部分由两个大核和四个小核组成。与上一代相比，两个性能核心速度最多提升20%，能耗最多降低30%，四个能效核心速度提升20%，而能耗最多降低25%。

至于GPU，苹果表示针对金属框架进行了优化，四核，比上一代性能提升20%，功耗降低40%。配备八个神经网络引擎，可以理解为类似NPU的东西。与上一代相比，性能提升20%，能耗降低15%。它为三摄像头系统、Face ID和AR级应用提供了强大的性能支持。非常适合高性能游戏和最新的增强现实体验。

去年发布的苹果iPhone 12系列A14仿生处理器是全球首款量产的5nm处理器，集成了118亿个晶体管。与之前的7nm升级不同，这次的5nm工艺是一个很大的飞跃。A14芯片全程采用极紫外(EUV)光刻技术。晶体管密度比7nm芯片提高80%，相同功率下运行速度可提高15%，相同性能下功耗可降低30%。

规格方面，CPU部分采用六核设计，包括两个大核和四个小核。官方宣称性能提升高达40%。

GPU部分采用了苹果全新的架构设计，依然是四核，但性能提升了30%。

神经网络引擎这次也从8核升级到16核，AI计算能力提升到11.8万亿次，号称机器学习能力提升70%，计算速度提升10倍。

此外，A14 Bionic在ISP、安全功能、ML主控方面也有所升级。

从性能上来看，A15处理器已经有了A4处理器几十倍的水平，而这仅仅是10年。芯片制造工艺也从最初的45nm发展到现在的5nm。除了苹果越来越精湛的芯片设计能力，我们还得知道，为了尽可能实现摩尔定律，半导体行业的研究人员日以继夜地付出了无数努力，将更多的晶体管塞进指甲盖大小的芯片。

正如稻盛和夫所说，“要想成大事，除了脚踏实地的努力，别无他途。”我们目前的科技发展也是如此。